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Einrichtung zum Trennen von Elektronen und Ionen, insbesondere eine lonenfalle für Kathodenstrahlröhren
Gegenstand der Erfindung ist eine Einrichtung zum Trennen von Elektronen und Ionen, insbesondere eine Ionenfalle für Kathodenstrahlröhren.
Einrichtungen zum Trennen von Elektronen und Ionen werden vielfach und für verschiedene Zwecke benötigt. In Kathodenstrahlröhren sind Ionen stets vorhanden, und jene mit einer negativen Ladung verursachen einen sogenannten lonenfleck am Schirm der Kathodenstrahlröhre und beeinflussen in schädlicher Weise das Leuchtmaterial.
Um die Lebensdauer des Schirmes zu verlängern, müssen die Ionen aus dem Elektronenstrahlbilndel ausgeschieden werden. Für den Schirm sind in erster Linie jene Ionen gefährlich, welche nach dem Erreichen einer hohen Geschwindigkeit am Schirm aufschlagen. Praktisch müssen also jene Ionen ausgeschieden werden, welche im Feld der sogenannten Elektronenkanone an Stellen niedrigen Potentials entstehen.
Verfahren zum Trennen der Ionen von den Elektronen sind vielfach bekannt. Sie haben das gemeinsame Merkmal, dass das Strahlbündel mindestens einmal dem Einfluss eines magnetischen Feldes. ausgesetzt wird. Die Ausscheidung der Ionen bzw. das Trennen derselben von den Elektronen erfolgte bei verschiedenen Ausführungsformen ausserhalb des magnetischen Feldes durch Beeinflussung mit mindestens einem elektrischen Feld oder aber wurde das Trennen durch eine geometrische Anordnung der Elektroden erreicht, die eine äquivalente Wirkung erzeugt. So sind z. B. ellenbogenförmig angeordnete oder mit einem schrägen Schnitt der die Ionenfalle bildenden Elektroden kombinierte bzw. schräg angeordnete Ionenfallen bekannt. Das Magnetfeld war notwendig, da die Bahn der geladenen Teilchen in einem magnetischen Feld auch von der Masse abhängig ist.
In Kenntnis der von der Masse abhängigen Bahnen kann das Weiterfliegen bzw. der A ufschlag der Ionen auf den Schirm gemeinsam mit den oben bereits erwähnten Massnahmen verhindert werden.
Ein gemeinsamer Nachteil der bekannten Ionenfallen besteht darin, dass ihr Aufbau ziemlich kompliziert ist, insbesondere aber der Aufbau jener Fallen, welche mit Hilfe verschiedener geometrischer Anordnungen, wie z. B. ellenbogenförmige Ausführung, schräge Anordnung u. dgl., ein Ausscheiden der Ionen erreichen. Die Montage derartiger Ionenfallen verursacht meistens Schwierigkeiten, sowie auch der Umstand, dass diese Ionenfallen nur an einer bestimmten Stelle der Elektronenkanone bzw. der elektronenoptischen Einrichtung brauchbar waren. Andere Arten von lonenfallen konnten wieder nur an andern Stellen mit Erfolg vorgesehen werden.
Zweck der Erfindung ist die Beseitigung der oben angeführten Nachteile und der Bau einer neuen, zum Trennen von Elektronen und Ionen geeigneten Ionenfalle, welche wesentlich einfacher als die bisher be-
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Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass die Elektronen und Ionen ausschliesslich mit Hilfe von magnetischen Feldern, u. zw. mit Hilfe von mindestens zwei an verschiedenen Stellen wirkenden magnetischen Feldern getrennt werden können. Die Anordnung zum Trennen von Elektronen und Ionen, insbe-
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sondere eine lonentaue, ist gemäss der Ertindung dadurch gekennzeichnet, dass in einem, in elektrischer Hinsicht äquipotentialen Raum in der Ionenfalle ausschliesslich mindestens zwei magnetische Felder das Trennen der Elektronen und Ionen bewirken.
Das Trennen der Elektronen und Ionen erfolgt also im Sinne der Erfindung ausschliesslich mittels magnetischer Felder. Hiedurch wird zusammen mit der Anordnung des Raumes mit konstantem elektrischen Potential neben Vermeidung der oben angeführten Nachteile eine weitgehende Verzerrungsfreiheit erzielt.
Es ist nun bereits eine Konstruktion einer Ionenfalle bekannt geworden, wobei die Ionenfallevon zwei Elektroden gebildet ist, die auf verschiedene Potentiale gelegt sind. Hiebei dient der Potentialunterschied zwischen den beiden Elektroden zur Ablenkung des Elektronenstrahlbundels, wobei dessen Zurücklenkung durch einen Magnet erfolgt. Bei dieser bekannten Anordnung ist somit kein in elektrischer Hinsicht äquipotentialer Raum vorhanden, da ja die beiden Elektroden, also die Teile der Ionenfalle auf verschiedenem Potential liegen. Hiedurch entstehen Verzerrungen, welche durch die erfindungsgemässe Anordnung eines elektrisch äquipotentialen Raumes in der Ionenfalle und dadurch, dass die Trennung der Ionen von den Elektronen ausschliesslich mittels mindestens zweier magnetischer Felder erfolgt, vermieden werden.
Im nachstehenden wird an Hand der Figuren der Zeichnung eine kurze theoretische Erklärung der Frfindung gegeben. Die Fig. 1-3 zeigen Schaubilder, die Fig. 4 einen Längsschnitt durch ein Ausführungs- beispiel einer lonenfalle nach-der Erfindung.
In der Fig. l ist die Einwirkung zweier einander entgegengerichteter magnetischer Felder auf ein aus Elektronen und Ionen bestehendes Strahlenbündel im idealen Fall dargestellt. Im oberen Koordinatensystem ist das Trennen der Elektronen von den Ionen, im unteren Koordinatensystem die Verteilung der die Elektronen und Ionen voneinander trennenden magnetischen Induktion B entlang der x-Achse gezeigt.
B = Bz bedeutet, dass die magnetische Induktion nur eine Komponente besitzt.
In der positiven Richtung der x-Achse des in der Fig. l gezeichneten Koordinatensystems gelangen die einfachheitshalber sich in einem äquipotentialen elektrischen Raum bewegenden Elektronenund Ionen aus dem Punkt 1(xi,0) in einen homogenen magnetischen Raum, dessen Länge a = x x ist. Obzwar ein solcher Raum physikalisch nicht darstellbar ist, kann die Annahme dennoch zwecks einfacher Erläuterung der Verhältnisse angenommen werden. Die Elektronen bewegen sich im Abschnitt-a-entlang einer Kreisbahn mit dem Radius rl um den Mittelpunkt 01 und gelangen am Ende des Abschnittes-a-an den Punkt 2(x, yJ. Die Abszisse des Punktes 2 bedeutet den Anfang des Abschnittes-b- (xs -xj. wo kein magnetisches Feld wirksam ist. In diesem Abschnitt bewegen sich die Elektronen entlang einer geraden Bahn.
Die Richtung der Bahn stimmt mit der im Punkt 2 gezogenen Tangente des Kreises mit dem Radius rl und dem Mittelpunkt 01 überein. Die Elektronen, die sich im Abschnitt-b-entlang einer geraden Bahn bewegen, gelangen am Ende dieses Abschnittes in den Punkt 3 (x.,y). Die Abszisse X3 des Punktes 3 bedeutet den Anfang des Abschnittes -c- (x4 - X3)'wo ein dem Sinne nach dem magnetischen Feld des Abschnittes -a- entgegengesetzt gerichtetes, jedoch nicht notwendigerweise gleich starkesmagneti-
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zisse x4 des Punktes 4 bedeutet wieder den Anfang eines äquipotentialen elektrischen Feldes. In diesem Feldteil bewegen sich die Elektronen entlang gerader Bahnen. Die Richtung dieser Bahn stimmt überein mit der Richtung der im Punkt 4 an den Kreis mit dem Radius r3 um den Mittelpunkt 03 gezogenen Tangente.
Die Länge der oben besagten Abschnitte, sowie die Grösse der in den einzelnen Abschnitten bestehenden magnetischen Induktionen wird so gewählt, dass die Richtung der Tangente im Punkt 4 des Krei-
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parallelen Richtungen beträgt f = .
Da die Ionen eine grössere Masse aufweisen als die Elektronen, bewegen sie sich auf einer Kreisbahn mit einem grösseren Radius. Die Radien der Kreisbahnen der Ionen betragen in speziellen Fällen, z. B. im Falle von Wasserstoffionen, das 43-fache, im Falle von einfach geladenen Sauerstoffionen das 170-fache der Radien der Elektronen bzw. der Radien der entsprechenden Kreisbahnen.
Im Abschnitt -a- (x2 - xl) bewegen sich die Ionen auf einer Kreisbahn mit dem Radius r2 und dem Mittelpunkt und gelangen am Ende des Abschnittes-a-in den Punkt 5 x ). Die Abszisse x des Punktes 5 bedeutet den Anfang des Abschnittes-b- (x -x.), wo kein magnetisches Feld besteht. In diesem Abschnitt bewegen sich die Ionen entlang einer geraden Bahn. Die Richtung der Bahn stimmt mit der
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5chen am Ende dieses Abschnittes den Punkt 6 (Xg, yg).
Die Abszisse Xg des Punktes 6 bedeutet den Anfang des Abschnittes-c- (x -x), wo ein magnetisches Feld mit entgegengesetztem Sinne zum magnetischen Feld des Abschnittes-a-besteht, wobei jedoch die Stärke dieses Feldes nicht notwendigerweise gleich ist der Stärke des magnetischen Feldes im Abschnitt-a-. Im Abschnitt-c-bewegen sich die Ionen auf einer
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schen Feldes. In diesem Feldteil bewegen sich die Ionen entlang einer geraden Bahn. Die Richtung der Bahn ist gleich der Richtung der Tangente im Punkt 7 zum Kreis mit dem Radius r und dem Mittelpunkt 04. Die unter Berücksichtigung der Elektronenbahnen gewählten Längen der besagten Abschnitte, sowie die Werte der magnetischen Induktion in diesen Abschnitten sind auch für die Ionen entsprechend.
Deshalb ist die Richtung der Tangente im Punkt 7 zum Kreis mit dem Radius r4 und dem Mittelpunkt 0, parallel zur x-Achse. Der Abstand zwischen der x-Achse und der Richtung der zur x-Achse parallelen
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Wie es aus Obigem hervorgeht, verschiebt sich die mit der x-Achse zusammenfallende Bahn der Elektronen und der Ionen parallel zur x-Achse im verschiedenen Masse. Der Unterschied zwischen den beiden Verschiebungen beträgt d = f-e < = y -y. Diese verschiedenen Verschiebungen der Bahnen bedeuten aber das Trennen der Elektronen von den Ionen.
Eine solche ideale Verteilung des magnetischen Feldes, wie sie in der Fig. l angenommen wurde, ist in der Praxis nicht zu verwirklichen. Die in der Praxis realisierbare Verteilung der magnetischen Induktion ist qualitätsmässig in den Fig. 2 und 3 beispielsweise gezeigt. Gleiche Bezugszeichen sind für die gleichen Abschnitte der Fig. l angewendet. Aus Fig. 3 ist ersichtlich, dass die Länge des Abschnittes-b- auch Null betragen kann. Im Falle einer in der Praxis realisierbaren Induktionsverteilung, wie in den Fig. 2 und 3 gezeigt, bewegen sich die Elektronen und Ionen selbstverständlich nicht auf Kreisbahnen, wie im idealen Fall gemäss der Fig. l, sondern. it : 1 allgemeinen entlang von krummen Bahnen.
Die Krümmungsradien der verschiedenen Punkte der so entstandenen Bahnen bestimmen die der Abszisse des jeweiligen Punktes der Bahn zugeordneten Werte der magns tischen Induktion. Im Falle der Ind ùktionsver- teilung gemäss Fig. 3 geht beispielsweise der gerade Bahnabschnitt zwischen den beiden magnetischen Feldern, welcher in der Fig. l mit-b-bezeichnet ist, verloren und die in den beiden magnetischen Feldern auftretenden krummen Bahnen schliessen sich gegenseitig in tangentialer Richtung aneinander.
Die Einrichtung gemäss der Erfindung zum Trennen von Ionen und Elektronen, die auf Grund der oben dargelegten theoretischen Erwägungen arbeitet, ist in Fig. 4 dargestellt, die den Längsschnitt einer solchen lonenfalle zeigt. Mit 15 ist ein Teil des Kolbens einer Kathodenstrahlröhre bezeichnet. 10 ist ein Zylinder, der den einen Teil der Ionenfalle, 11 ein zweiter Zylinder, der mit seiner Achse parallel zur Achse des Zylinders 10, jedoch diesem gegenüber seitlich versetzt, angeordnet ist. 12 und 13 sind die beiden Magneten. Das auch die Ionen enthaltende Elektronenstrahlbündel fällt im angenommenen Beispiel in der Richtung der Achse des Zylinders 10 in die Anordnung, wo, wie oben beschrieben, das Strahlbündel unter die Einwirkung des Magneten 12 gelangt und aus seiner Anfangsrichtung abgelenkt wird.
Unter der Einwirkung des magnetischen Feldes trennen sich die Ionen von den Elektronen und gelangen in den zweiten Zylinder 11. Unter der Einwirkung des Magneten 13 läuft das Elektronenstrahlbündel entlang der Achse des Zylinders 11 weiter und verlässt die Falle durch die Öffnung in der sogenannten Apertur 14, d. h. der Abschlussplatte am rechten Ende der Falle. Das in geringerem Masse abgelenkte IonenstrahlbUndel schlägt auf die Apertur 14 des Zylinders 11 und kann die Falle nicht verlassen.
Im Zylinder 10 liegt der im obigen mit -a- bezeichnete Abschnitt, im Zylinder 11 der Abschnitt -c- und in der Umgebung der Berührungsstelle der beiden Zylinder der Abschnitt-b-. Es sei jedoch bemerkt, dass die Ausdehnung keiner der besagten magnetischen Felder ausschliesslich auf das Innere eines Zylinders beschränkt ist. Die Zylinder 10 und 11 weisen das gleiche Potential auf. Der Umstand, dass das Ausscheiden in einem äquipotentialen Feld vor sich geht, bedeutet in elektrischer Hinsicht, dass die Anordnung für das Strahlbündel mit einem endlichen Durchmesser frei von Verzerrungen ist. Dieser Umstand stellt einen wesentlichen Vorteil gegenüber bekannten Anordnungen dar.
Im obigen wurde die Erfindung teils an Hand theoretischer Überlegungen, teils an Hand eines Ausführungsbeispieles beschrieben. Die Erfindung ist aber nicht auf diese Ausführungsform eingeschränkt. So kann man z. B. an Stelle von nur zwei Magneten auch mehrere, z. B. drei Magnete vorsehen. Die Falle kann auch an Stelle von zwei Zylindern mit parallelen Achsen, die einander gegenüber versetzt sind, auch aus zwei gegeneinander nicht versetzten Zylindern, sogar aus einem einzigen Zylinder bestehen.
Die Apertur 14 kann eine mit einem Loch versehene Platte sein, in welcher das Loch im voraus an einer Stelle vorgesehen ist, die einer im voraus berechneten Elektronenbahn entspricht. Man kann jedoch auch
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andere Ausführungsformen wählen, z. B. eine Absperrplatte am Ende des zweiten Zylinders, die die Öffnung nicht zur Gänze bedeckt u. dgl. Diese Apertur braucht nicht in diesem Zylinder angeordnet zu werden, und sie kann auch eine besondere Einheit bilden, oder kann auch mit einer andern Elektrode gekoppelt sein. Die Ionen können auch durch eine entsprechend ausgebildete andere Elektrode abgefangen werden, welche hinter der Falle vorgesehen ist.
Die Achsen der beiden Zylinder müssen zueinander nicht parallel stehen, sie können auch einen Winkel miteinander einschliessen, wobei dann eine besondere Apertur eventuell wegfallen kann, da die Ionen von der Zylinderwand selbst abgefangen werden.
Die Ionenfalle kann in einer Kathodenstrahlröhre parallel zur Achse des Halses des Kolbens oder schräg zu dieser Achse angeordnet sein. Die Abmessungen, insbesondere die Länge der Falle, wird den jeweiligen Verhältnissen angepasst. So kann z. B. die Falle aus zwei Teilen aufgebaut sein, welche in einem gewissen Abstand voneinander angeordnet sind, z. B. aus zwei Zylindern, die nicht unmittelbar nebeneinander liegen. Ferner können einzelne Teile der Falle auch durch Ebenen geschnitten werden, welche nicht senkrecht zur Rotationsachse stehen.
Die zum Trennen der Elektronen von den Ionen notwendige Induktionsverteilung kann mit Hilfe von permanenten Magneten, von erregten Magneten mit einem Luftkern oder mit Hilfe von Wicklungen mit einem magnetisierbaren Kern od. dgl. oder selbst mit Hilfe des magnetischen Feldes der Elektronenstrahlbündel erzeugt werden. Im Falle z. B. einer Kathodenstrahlröhre können die zrm Erzeugen des magnetischen Feldes dienenden Mittel entweder innerhalb des Kolbens der Röhre oder ausserhalb dieses Kolbens vorgesehen sein. Auch das in elektrischer Hinsicht äquipotentiale Feld, welches zum Trennen der Elektronen von den Ionen nutzbar gemacht wird, kann auf beliebige Weise erzeugt werden.
Im angenommenen Beispiel trat das aus Elektronen und Ionen bestehende Strahlbündel in Richtung der Achse der Falle in dieselbe. Der Eintritt kann aber auch an andern Stellen erfolgen und muss nicht in gerader Richtung geschehen. Die Einfallsrichtung kann auch eine schräge sein, also mit der Achse der Falle einen Winkel bilden. Dasselbe gilt für den Austritt des ionenfreien Elektronenstrahlbündels. Das Elektronenstrahlbündel, eventuell auch das Ionenstrahlbündel kann nach dem Verlassen des Ionenraumes der Falle (das Ionenstrahlbündel natürlich nur, wenn es nicht selbst in der Falle abgefangen wird) entlang einer geraden, zur x-Achse, also zur Achse der Falle parallelen Bahn diese verlassen.
Diese gerade Bahn kann jedoch mit der Achse der Falle auch einen Winkel einschliessen und braucht die x-Achse nicht zu schneiden und kann in allen Fällen auch eine krumme Bahn sein. Die Bahn der Elektronen und der Ionen im Inneren der Falle ist abhängig von den angewendeten magnetischen Feldern und kann verschiedene Formen und Richtungen aufweisen. Auch die Länge der verschiedenen Abschnitte der Bahn, sowie die Verteilung der Induktion, können verschiedene sein. Die Verteilung der magnetischen Induktion kann eine homogene [Bz = B (x)] oder inhomogene (Bv d 0 ; Bx 4 0) sein.
Die Elektronenfalle gemäss der Erfindung kann für Elektronenstrahlbündel von hoher Geschwindigkeit, also grosser Energie, oder niedriger Geschwin- digkeit, also geringerer Energie verwendet werden, und die Anordnung nach der Erfindung, also z. B. die Elektronenfalle, ist unabhängig davon, aus welcher Quelle die Elektronen und Ionen stammen. Sie können eine gemeinsame Quelle haben, z. B. eine sogenannte Elektronenkanone oder aus verschiedenen Quellen stammen. Die Falle ist auch dann anwendbar, wenn es sich nicht um das Trennen der Elektronen und Ionen eines gemeinsamen Elektronen-Ionen-Strahlbündels, sondern darum handelt. die Elektronen und Ionen voneinander zu trennen, die sich auf separaten Bahnen bewegen, z. B. entlang konvergierender Strahlbündel.
Die beiden Bündel können also aus verschiedenen Richtungen in die Falle eintreten.
Die Einrichtung nach der Erfindung kann mit weiteren elektrischen oder magnetischen Feldern kombiniert werden, mit welchen die Bahnen der durchfliegenden Elektronen und eventuell Ionen in bestimmter, jedoch beliebiger Weise beeinflusst werden.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Einrichtung zum Trennen von Elektronen und Ionen, insbesondere Ionenfalle für Kathodenstrahlröhren, bestehend aus einem zur Aufnahme der Ionen und Elektronen geeigneten Gerät, welches an dem einen Ende eine den Eintritt der Elektronen und Ionen ermöglichende Öffnung, am andern Ende eine den Austritt mindestens der Elektronen ermöglichende Öffnung aufweist, gekennzeichnet durch ein in elektrischer Hinsicht äquipotentiales Feld in der Ionenfalle und das Trennen der Elektronen und Ionen ausschliesslich durchführende, mindestens zwei magnetische Felder.