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Auf elektronenoptischer Grundlage funktionierende Elektronenröhre
Die Erfindung betrifft eine auf elektronenoptischer Grundlage funktionierende Elektronenröhre mit eingebauter Vorratskathode, bei welcher der Vorratsbehälter teilweise abgedeckt ist. Die nach dem glei- chen Prinzip arbeitenden, bisher bekannten Typen sind mit mehreren Fehlern behaftet, die man zusam- menfassend mit dem Unvermögen bezeichnen kann, dass die Röhre bei der für ihren Betrieb erforderlichen
Stromstärke ein homogenes, scharf umrissenes und querschnittsenges Bündel von parallel verlaufenden Strahlen herstellt.
Der Strom muss so stark sein, dass die Anodenplatten ein Signal in der erforderlichen Grösse ergeben.
Das Strahlenbündel muss scharf umrissen im Querschnitt eng sein und aus gleichlaufenden Strahlen bestehen, damit es möglich wird durch Wahl des Bündelquerschnittes und durch Gestaltung der Anodenplatten eine dauernde Kontrolle über den Zusammenhang zwischen Anodenstrom und Ablenkungsplatte auszuüben.
Ein in zweiter Linie hinzukommender, aber sehr wesentlicher Vorteil des parallelen und scharf umrissenen Strahlenbündels besteht darin, dass man die Ablenkplatten ohne Verlust an Stromstärke in die Nähe des Bündels rücken und dadurch die Ablenkempfindlichkeit steigern kann.
Bei allen bisherigen Versuchen, bei denen es auf eine Steigerung der Stromstärke des nützlichen Strahlenbündels ankam, ergaben sich in Begleitung von erzielten Resultaten auch schädliche Nebenwirkungen. Die höhere Stromstärke suchte man durch eine Vergrösserung der Kathodenfläche zu erreichen. Eine elektronische Sammeloptik wurde verwendet, um das von der umfangreichen Kathode herrührende Strahlenbündel auf eine kleine Fläche zu konzentrieren, die-bekannt unter der Bezeichnung cross-over Fläche - als Kathode für die weiteren Arbeitsfunktionen diente. Die Ergebnisse waren nicht befriedigend : Die Elektronen, von verschiedenen Punkten der grossen Kathodenfläche ausgehend und in verschiedenem Masse beschleunigt, bewegten sich entlang ungleicher Strecken mitungleicher Geschwindigkeit.
Paralleli- tät, Homogenität, kleiner Querschnitt und scharfer Umriss des Strahlenbündels waren trotz wiederholtem Fokussieren nicht zu erreichen.
Bei einer bekannten Vorratskathode (österr. Patentschrift Nr. 184993) werden die emittierenden Oberflächen mit verschiedener Geometrie derart hergestellt, dass die Poren in der porösen Schicht durch Schleifen der Oberfläche oder durch Darüberstreichen mit einem harten Gegenstand geschlossen werden.
Bei einer andern bekannten Vorratskathode (deutsche Patentschrift Nr. 1043520) wird eine schmale, emittierendeFl che derart hergestellt, dass dasWolframpulver durch schmale Spalten, die in einer dünnen Zirkon-Metallplatte ausgeschnitten sind, eingepresst und eine poröse Schicht hergestellt wird.
Diese Methoden wurden in der Praxis infolge der herstellungstechnischen Schwierigkeiten bisher nicht angewendet.
Gemäss einem weiteren Verfahren (deutsche Patentschrift Nr. 879872) werden die Emissionsflächen an denjenigen Stellen, wo ein Emissionsstrom nicht erwünscht ist, abgedeckt. Damit wird versucht, schmale spaltenförmige Strahlenbündel herzustellen. Dabei liegt die Abdeckplatte jeweils auf der emittierenden Schicht. Der Nachteil dieser Lösung besteht darin, dass die Strahlungsverluste erhöht werden, wobei die Kathodenoberfläche eine ungleichmässige Temperatur aufweist und auch die Diffusionslänge erhöht wird.
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Infolgedessen dehnt sich die schmale Emissionslinie aus und wird diffus. Diese Nachteile wollte man da- durch beseitigen, dass man die Abdeckplatte aus einem polierten Zirkonmetall oder einem andern geeig- neten Metall herstellt, bei welchem der Diffusionsweg der kürzeste ist.
Die Erfindung beseitigt die erwähnten Mängel und ermöglicht die Herstellung verschiedener Elektro- nenröhrentypen, die auf elektronenoptischer Grundlage funktionieren und sich für den Gebrauch in aktiven
Stromkreisen zum Verrichten neuartiger Aufgaben gut eignen.
Gemäss der Erfindung werden die Nachteile der nach dem gleichen Prinzip arbeitenden bekannten
Röhren dadurch vermieden, dass die Kathode mit einem Metallmantel aus einem Stoff von geringem
Emissionsvermögen umgeben ist, wobei der Mantel von der Oberfläche der aktiven Schicht der Vorrats- kathode durch einen Spalt getrennt und in dem Mantel vor der aktiven Schicht der Vorratskathode eine Öffnung mit der Form des Querschnittes des herzustellenden Strahlenbündels vorgesehen ist.
Bei der angewandten Migrationsvorratskathode wird demgemäss die emittierende Schicht nicht berührt, sondern ist von dieser in einer Entfernung von 0,01 bis 0,3 mm angeordnet. Dadurch wird der Migrationsweg erhöht, wobei die abdeckende Metallplatte eine bedeutend geringere Temperatur als die Kathodenoberfläche annimmt. Somit bildet das verdampfende aktive Bariummaterial auf der Mantelfläche mit bedeutend geringerer Temperatur keine praktisch störende Emissions-Strahlungsquelle.
Wie bekannt, ist die Herstellung von breiten, bandförmigen und dabei dünnen Strahlenbündeln äusserst schwierig. Dieses Problem lässt sich durch eine Kombination der in der USA-Patentschrift Nr. 2,931, 934 beschriebenen Migrations-Vorratskathode mit der erfindungsgemässen Ummantelung leicht lösen. Mit einem Strahlenbündel dieser Art kann ein Strahlenstrom von mehreren mA, z. B. auch ein Strom von 10 mA Stärke, ohne Herabsetzung der elektronenoptischen Eigenschaften erzielt werden. wogegen beiden bekannten Vorratskathoden mit Strahlenbündeln mit Kreisquerschnitt lediglich höchstens eine Stromstärke von 100 bis 200 mA bei entsprechender Schärfe der Abbildung gesichert werden kann.
Die erfindungsgemässen Röhren sind zur Herstellung von steilen Impulsen mit einer Anlaufzeit der Vorderflanke im Bereich von Nanosec. geeignet.
Die Ablenkempfindlichkeit der erfindungsgemässen Elektronenröhre kann durch zwei-oder mehrfache Ablenkung gesteigert werden. Zwischen den einzelnen Ablenksystemen können Zylinderkondensatoren liegen, die das Elektronenbündel aus einem System in das nächste führen. Die Kondensatorarmaturen liegen an fixer positiver und negativer Spannung.
Die Eigenschaft dieser Zylinderkondensatoren besteht darin, dass die eingeleiteten Elektronen bei 1270 Ablenkung fokussiert werden, so dass sich komplizierte Fokussiersysteme und Verfahren erübrigen und erfindungsgemäss eine zurückgebogene, viel kürzere Röhrenkonstruktion erhalten wird. Das um 1270 abgelenkte Strahlenbündel tritt fokussiert hervor, um zwischen die Beschleunigungselektroden des nächsten Ablenksystems zu gelangen. Der Zylinderkondensator verlängert den Weg des Strahlenbündels und erhöht seine Ablenkempfindlichkeit ohne wesentliche Zunahme in den Abmessungen der Elektronenröhre. Das Ablenksystem mit einem oder mit mehreren Zylinderkondensatoren steigert den Wirkungsgrad.
Verzichtet man auf den Vorteil der geringeren Röhrenabmessungen, den die Verwendung der Zylinderkondensatoren mit sich bringt, so kann man eine mehrfache Ablenkung auch ohne sie zustande bringen.
Dieser Aufbau der Röhre führt zu den folgenden Ergebnissen : Die geschilderte Form der Vorratskathode verleiht dem Strahlenbündel eine ausserordentlich grosse Stromdichte ; der Sättigungsimpulsstrom kann z. B. einen Wert von 25'bis 30 A/cm2 erreichen. Da nun bei der praktisch erforderlichen Dichte von 5 bis 6 A/cm2 die VorrÅatskathode ihren Sättigungszustand nicht erreicht, ist es möglich, dass sie die nötige Stromstärke infolge ihres hohen Emissionsvermögens von einem kleinen Teil ihrer Fläche aussendet. Die grosse Emissionsfläche fällt also weg. Die aktive Emissionsfläche ist klein und scharf umrissen.
Infolgedessen ist eine separate Sammeloptik unnötig und die austretenden Elektronen behalten ihre gleichlaufenden Bahnen. Das weitere elektronenoptische System hat im weiteren Verlauf keinen andern Zweck als die Eigenschaften des schart umrissenen, homogenen und parallel gerichteten Strahlenbündels aufrecht zu erhalten.
Mit der erfindungsgemässen Konstruktion ist es gelungen, ein gut gebündeltes, scharf umgrenztes Elektronenstrahlenbündel von hoher Stromdichte herzustellen, in Verbindung mit dem weiteren Vorteil, dass der Abstand zwischen den Ablenkplatten ohne Stromverlust verringert und dadurch die Ablenkempfindlichkeit gesteigert werden kann. Die grosse Stromdichte des Strahlenbündels gestattet die Entnahme einer höheren Signalspannung von den Anodenplatten.
Nachstehend sind die erfindungsgemässe Elektronenröhre und die in ihr verwendete Vorratskathode an Hand von Zeichnungen eingehend erörtert. Fig. l stellt eine beispielsweise Ausführungsform der Vor-
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ratskathode in prinzipiellem Aufbau dar. Fig. 2 zeigt eine beispielsweise Ausführungsform der Elektronenröhre. Fig. 3 zeigt den Aufbau einer Elektronenröhre mit mehrfacher Ablenkung. In den Fig. 4 und 5 sind Ausführungsbeispiele für einzelne Elektroden dargestellt.
Der Aufbau der erfindungsgemässen Vorratskathode ist aus Fig. l ersichtlich. Die hier beispielsweise dargestellte Kathode eignet sich zur Herstellung eines bandförmigen Strahlenbündels. Der Bündelquerschnitt könnte aber ebensogut kreisförmig sein, nur müsste dann die Öffnung am Mantel dieser Form entsprechen. Die prismatische Vorratskathode hat einen Kathodenheizkörper 1 und eine Kathodenröhre 2, in gegenwärtigem Fall von viereckigem Querschnitt. Der darüber befindliche aktivierende Überzug 3 bildet den Vorratsstoff.
Als solchen kann man - bei Oxydkathoden - eine Mischung von Barium-, Strontium- und Calciumoxyden verwenden. Den aktivierten Stoffüberzug bedeckt ein poröser Wolframbelag 4 oder eine Migrationsschicht ; auch eine imprägnierte Kathodenschicht kommt hier in Frage.
Unter der thermischen Wirkung des Kathodenheizkörpers beginnt eine Wanderung des Vorratsstoffes durch die inneren Poren und Lücken der Schicht gegen die aktive Fläche 5. Die aktive Fläche bildet sich an der äusseren Seite der porösen oder der Migrationsschicht, u. zw. so, dass in der unteren Hälfte eine aktive Metallschicht und über ihr gelegen-sie gleichsam absorbierend-eine Oxydschicht entsteht. Die Kathode ist so dimensioniert, dass die Bariumtension des Vorratsstoffbelages und der aktiven Schicht gleich sei.
DieVorratskathode hat die folgenden Vorteile : Der Metallmantel 6, der die Kathode allseitig bis auf die Weite seiner Öffnung umgibt, steigert auf kleiner Fläche das an und für sich hohe Emissionsvermögen.
Dies bewirkt er dadurch, dass er die Kathode abschirmt, wodurch die aktive Emissionsschicht an Stelle ihres verschwommenen Randes scharf umrissene Grenzen bekommt.
Dem Wunsch nach einem bandförmigen Strahlenbündel entsprechend, hat die Öffnung im gegebenen Fall die Gestalt eines schlitzartig langgestreckten Quadrats, veränderlich in Breite von etwa einigen Hundertstel oder Zehntelmillimeter fallweise bis mehrere Millimeter.
Damit die Diffusionsstrecke so kurz wie möglich sei, wird der Mantel aus einem Metall hergestellt, der keine Emission entlang der maskenbildenden Kante zulässt. Als solche Metalle sind Platin, Chrom- nickel, Gold, Tantal, Paladium. silizisiertes Molybdän. Molybdän-Silizium usw. bekannt.
In Fig. 2 ist eine beispielsweise Ausführungsform der erfindungsgemässen Elektronenröhre dargestellt, mit den folgenden Einzelheiten : Vorratskathode 7 gemäss Fig. 1 ; stabförmige Fokussierelektrode 8 ; Be- schleunigungs-und Fokussierelektroden 9 und 10 ; Plattenpaar 11 zum Ablenken des Strahlenbündels ;
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und 15b, um eine Sekundäremission zu verhüten, angeordnet.
Scharf umrissen tritt das Elektronenbündel aus derVorratskathode7 durch den Schlitz des umgebenden und eine Maske bildenden Metallmantels hervor. Das bandförmige Emissionsstrahlenbündel schreitet durch die Öffnungen der Fokussierelektrode 8 hindurch, welche an negativem Potential liegt und die Intensität des Bündels regelt.
Durch die Öffnungen der an negativem Potential liegenden Fokussierelektrode 9 und jene der Beschleunigungselektrode 10 hindurchgelangend, tritt das Strahlenbündel zwischen die Ablenkungsplatten 11 ein und weicht unter dem Einfluss der dort wirksamen Spannung ab. Die Hilfselektrode 12 bestimmt die Grundlage des Strahlenbündels und eignet sich zum Korrigieren eines von der Röhrenstreuung etwa herrührenden Positionsfehlers. Elektrode 13 dient, in gleicher Weise wie Elektrode 10, zum Beschleunigen und Fokussieren. Das Gitter 14 verhindert, dass das Elektronenstrahlenbündel in den Anodenplatten 15a und 15b eine Sekundäremission auslöst und hebt die Wirkung der zwei Anodenplatten aufeinander und in Richtung der Elektrode 13 auf.
Fig. 3, als Ausführungsbeispiel für mehrfache Ablenkung, stellt den Aufbau einer Röhre mit doppelter Ablenkung dar. Die Bezifferung der Bestandteile ist identisch mit jener in Fig. 2, mit dem Unterschied, dass ein Zylinderkondensator 16 zwischen die Elektroden 13 und 14 eingesetzt ist, und dass zwei weitere Beschleunigungselektroden 17 und 19, ferner ein zweites Ablenkungsplattenpaar 18 vorhanden sind.
Hinsichtlich ihres Funktionierens weicht die Röhre von jener in Fig. 2 insofern ab, als das durch die Beschleunigungselektrode13 hindurchgelangte Strahlenbündel, bevor es an die Elektroden 14 und 15 ankommt, erst den Zylinderkondensator 16 passiert, dessen Armaturen an fixer positiver und negativer Spannung liegen, so dass das Bündel nach einer Ablenkung von 127 fokussiert durch die Beschleunigungsplatte 17 schreitet und dann vom zweiten Plattenpaar 18 eine abermalige Ablenkung erfährt. Die Beschleunigungselektrode 19 funktioniert in gleicher Weise wie die oben beschriebene.
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Weitere Vorteile sind dadurch zu erzielen, dass man die Öffnungen der Elektroden 8,9 und 13 mit einer röhrengitterartigen Vorrichtung, wie sie in Fig. 4 dargestellt ist, abdeckt. Mit dieser Vorrichtung, die bei einer oder bei mehreren Elektroden in Frage kommt, ist es möglich, dieAblenkempfindlic1Jkeit zu steigern und die Monochromatik des Strahlenbündels zu verbessern.
Bei der Ausführungsform gemäss Fig. 5 ist die an Stelle der Elektrode 12 verwendete Elektrode 13 entzweigeschnitten und die zwei Hälften sind an einigermassen verschiedene Spannungen gelegt. Die dadurch entstehende Assymmetrie eignet sich, um die Position des Strahlenbündels ohne schädliche Nebenwirkung geringfügig zu beeinflussen.
Für die erfindungsgemässe Elektronenröhre sind zahlreiche Ausführungsformen möglich. Zum Beispiel bei Röhren mit mindestens zweiAblenkungssystemen und Fokussierelektroden kann die betreffende Einheit Kaskadenanordnung haben. Auch können Verzögerungsnachbildungen in die Röhre zwischen die Ablenksysteme eingebaut sein.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Auf elektronenoptischer Grundlage funktionierende Elektronenröhre mit eingebauter Vorratska- thode, bei welcher der Vorratsbehälter teilweise abgedeckt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Kathode (7) mit einem Metallmantel (6) aus einem Stoff von geringem Emissionsvermögen umgeben ist, wobei der Mantel von der Oberfläche der aktiven Schicht (4) der Vorratskathode durch einen Spalt getrennt und in dem Mantel vor der aktiven Schicht der Vorratskathode eine Öffnung mit der Form des Querschnittes des herzustellenden Strahlenbündels vorgesehen ist.