AT268463B

AT268463B - Elektrisches Entladungsgefäß

Info

Publication number: AT268463B
Application number: AT24763A
Authority: AT
Original assignee: Int Standard Electric Corp
Priority date: 1962-01-11
Filing date: 1963-01-11
Publication date: 1969-02-10
Also published as: ES283600A1

Description

Elektrisches Entladungsgefäss
Die Erfindung befasst sich mit einem elektrischen Entladungsgefäss, das zur Erzeugung nuklearer Reaktionen bestimmt ist.

Gemäss dem Stammpatent wird ein elektrostatisches Feld zwischen Kathode, Steuergitter und Anode aufgebaut, durch welches die Elektronen an einem zentralen Punkt innerhalb des durch die erwähnte Anode geschaffenen feldfreien Raumes fokussiert werden, wodurch sich eine virtuelle Kathode in diesem Punkt bildet und Ionen oder Gasatome, die durch Kollision mit Elektronen zu Ionen umgewandelt werden, in den feldfreien Raum eingeführt werden und durch die virtuelle Kathode schwingen.

Die Erfindung benutzt zur Erzeugung nuklearer Reaktionen eine einzige Anordnung, um eine elektrische Raumladung zu erzeugen, in der geladene nukleare Teilchen mit einer genügend grossen Geschwindigkeit oszillieren, so dass die Teilchen kollidieren, wodurch nukleare Reaktionen hervorgerufen werden. Eine derartige Anordnung ist ein elektrisches Entladungsgefäss mit konzentrisch angeordneter Kathode und Anode. Die Anode ist für Elektronen durchlässig und innerhalb der Kathode gehaltert, Die von der Kathode emittierten Elektronen durchdringen die Anode und erreichen deren Mittelpunkt. An diesem Punkt üben sie elektrische Rückstosskräfte aufeinander aus. Dadurch wird die Geschwindigkeit der Elektronen verkleinert, wenn sie sich dem Anodenmittelpunkt nähern. Es bildet sich eine Raumladung
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wird eine kleine virtuelle Kathode erzeugt.

Atomare Teilchen werden im Anodenraum durch die Kollision mit den Elektronen ionisiert. Die lonendichte ist am grössten im Anodenmittelpunkt oder in der virtuellen Kathode. Innerhalb der Anode erzeugte Ionen schwingen mit Geschwindigkeiten, die für nukleare Reaktionen ausreichen, durch den Anodenmittelpunkt auf Grund der anodischen Raumladung, so dass nukleare Kollisionen erfolgen, die nukleare Reaktionen erzeugen. Die Grösse der freiwerdenden Energie bei derartigen Reaktionen hängt von der nuklearen Zusammensetzung der benutzten atomaren Teilchen ab.

Die Erfindung stellt sich daher die Aufgabe, eine virtuelle Kathode im freien Raum zu erzeugen, die zur Ionisierung atomarer Teilchen herangezogen wird.

Ferner stellt sich die Erfindung die Aufgabe, eine Anordnung zu schaffen, bei der Teilchen durch den freien Raum in genügender Anzahl fliegen, um Kollisionen zu verursachen, wodurch nukleare Reaktionen erfolgen.

Es ist ferner eine Aufgabe der Erfindung, verbesserte Mittel zur Steuerung der Einführung von

Atomteilchen in den Anodenraum vorzusehen, wodurch die Dichte des neutralen Gases in der Röhre un- abhängig beeinflusst werden kann. Ein weiteres Merkmal der Erfindung besteht in der Vorsehung verbes- sernder Mittel zur Ionenerzeugung, wodurch Energieverlust bei der Benutzung von Elektronen des Elek- tronenraumladungsstromes beträchtlich reduziert wird.

Eine andere Aufgabe der Erfindung besteht darin, das Gleichgewicht zwischen den Mengen der Elek- tronen und Ionen in der Röhre zu steuern.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, elektronenoptische Mittel vorzusehen, durch die ein elektrisches Raumladungsfeld erzeugt wird, durch welches Ionen eingefangen werden, um lang an- dauernde Schwingungen durch einen punktförmigen Bereich im Anodenraum auszuführen. Daraus ergibt sich als weiteres Ziel der Erfindung, die Elektronentemperatur auf ein Minimum zu reduzieren, wodurch zirkulierende Ströme von grosser Ordnungszahl erreicht werden können.

Ein anderes Ziel der Erfindung besteht darin, einen Raumladungsstrom auf einen gemeinsamen punktförmigen Bereich zu konvergieren, um ein elektrisches Feld zu erzeugen, durch welches Ionen so lange oszillieren, bis sie miteinander in Wechselwirkung treten.

Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Erzeugung nuklearer Reaktionen dadurch vorzusehen, dass in einem feldfreien Raum ein elektrisches Feld errichtet wird, welches in einem vorbestimmten, punktförmigen Bereich ein Potentialminimum und ein Potentialmaximum auf einer diesen Bereich umgebenden Oberfläche hat, und in dieses Feld Ionen eingeführt werden, die durch das elektrische Feld durch diesen Bereich so lange gestossen werden, bis Kollisionen eintreten.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, Schwingungen von Ionen durch einen punktför- migen Bereich dadurch zu erzeugen, dass der Elektronenfluss auf diesen Bereich konzentriert wird, wo- durch ein Potentialgradient erzeugt wird, welcher fortlaufend radial nach aussen von diesem Bereich an- wächst, und Ionen in dieses Feld des Potentialgradienten eingeführt werden, so dass diese Ionen durch diesen Bereich oszillieren.

Die Erfindung wird dadurch charakterisiert, dass kugelsegmentförmige Kathoden ausserhalb der ku- gelförmigen Anode in einem bestimmten Abstand angeordnet sind und die für den Ionen- und Elektro- nendurchtritt dienenden Öffnungen der Anode in Form und Lage den Kathoden entsprechen und aussen Ionen mit gleichförmiger Geschwindigkeit in Richtung virtueller Kathode abgebende lonenkanonen vor- gesehen sind, wodurch sich mehrere virtuelle Elektroden bilden und somit der Bereich, in welchem Ionen konzentriert werden, kleiner gehalten wird, so dass eine Wechselwirkung der Ionen und Elektronen im Gebiet der virtuellen Kathode entsteht und eine gesteuerte nukleare Reaktion erfolgt.

Im Betrieb entwickelt eine aus Elektronen- und Ionenströmen von hoher Grössenordnung zusammengesetzte elektrische Entladung eine radiale Potentialverteilung, welche, ganz allgemein gesprochen, ein Minimum im Mittelpunkt und ein Maximum in der Nachbarschaft der Anode aufweist Zwischen diesem Mittelpunkt und der Anode erzeugte Ionen fallen durch den Mittelpunkt und oszillieren durch ihn mit Geschwindigkeiten, die von dem beim Betrieb verwendeten Potential abhängen. Bei Verwendung von Potential genügender Grösse werden die Ionen derart beschleunigt, dass ihre Geschwindigkeiten zur Auslösung nuklearer Reaktionen ausreichen, wodurch infolge von Ionenkollisionen im Mittelpunkt nukleare Reaktionen erzeugt werden.

Die Anode und die Kathode sind einheitlich entworfen und zusammengesetzt, so dass sie ein elektronenoptisches System bilden, in welchem der Anodenraum vollständig mit elektrischer Entladung ausgefülltist, ohne dass die Elektronen die Anode selbst erreichen. Elektronen, die diesen Raum auf radialen Wegen durchqueren, werden von der Anode nicht eingefangen. Die Elektronenoptiken richten die Elektronen durch die durchlässigen Teile der Anode. Die Elektronentemperatur wird auf einem Minimalwert gehalten, wodurch ein zirkulierender Strom hoher Grössenordnung erzielt wird, der zur Erzeugung des notwendigen Potentialgradienten im Anodenraum dient.

Eine an der Kathode befestigte Ionenkanone erzeugt und schickt Ionen direkt in den Anodenraum.

Es sind Mittel vorgesehen, um die Menge der Ionen zu steuern.

Essind ferner sowohl Mittel zur Steuerung desDruckes des neutralen Gases als auch zur Verhinderung von Energieverlusten vorgesehen, die dadurch entstehen, dass Ionen durch den Elektronenstrom selbst erzeugt werden. Die Reaktionsprodukte der Ionen- oder Teilchenkollisionen im Mittelpunkt ändern sich in Abhängigkeit von den bei Betrieb vorhandenenParametern und Gasen. Typische Produkte sind Neutronen, Röntgenstrahlen und Isotope.

Die Erfindung wird nun an Hand der Zeichnungen erläutert Fig. 1 zeigt in schematischer Form einen Schnitt durch ein Ausführungsbeispiel der Erfindung. Fig. 2 zeigt eine graphische Darstellung zur Erläuterung der Arbeitsweise der Anordnung der Fig. 1. Fig. 3 zeigt eine graphische Darstellung der

Potentialverteilung innerhalb der Röhre in Fig. 1 auf Grund des Zusammenwirkens der Ionen- und Elektronenentladung. Fig. 4 gibt eine Kurve ähnlich wie die in Fig. 2 der Potentialverteilung innerhalb des Anodenraumes für eine Betriebsweise der Röhre wieder. Fig. 5 zeigt eine der Fig. 4 ähnliche Kurve, je- doch für einen andern Betriebszustand. Fig. 6 soll schematisch das Prinzip derlonenbündelung im Anodenraum illustrieren.

Fig. 7 zeigt die zur Erzeugung der Ionenbündelung nach Fig. 6 benutzte Wellenform. Fig. 8 zeigt einen teilweisen Schnitt eines ändern Ausführungsbeispieles der Erfindung, bei dem die Prinzipien der Fig. 1 bis 7 benutzt werden. In dieser Figur sind einige Teile im Schnitt und andere schematisch dargestellt. Fig. 9 gibt die Anode der Fig. 8 vergrössert wieder. Die Fig. 10 und 11 zeigen teilweise geschnitten die Träger für die zwei Anodenelemente der Anordnung der Fig. 8. Fig. 12 zeigt eine vereinfachte kugelförmige Darstellung des Grundaufbaues der Anordnung der Fig. 8 ; die Anodenelemente sind jedoch weggelassen. Fig. 13 zeigt eine Teilansicht der Anordnung der Fig. 8, teilweise gebrochen und teilweise geschnitten, bei der zwecks grösserer Übersichtlichkeit die Dynodenelemente weggelassen sind.

Fig. 14 zeigt einen vereinfachten Schnitt der Anordnung der Fig. 8 mit der Ionenkanone. Die mechanischen Träger für die Anodenelemente sind weggelassen. Fig. 15 zeigt einen Teilschnitt der elektronenoptischen Anordnung der Fig. 8. Fig. 16 zeigt eine schematische Darstellung der elektronenoptischen Anordnung der Fig. 15. Fig. 17 und 18 sind abgeänderte Ausführungsbeispiele für die Elektronenoptiken. Die Fig. 19 und 20 sind Quer-bzw. Längsschnitte eines andern Aufbaues der Sammelelektrode.

Die Fig. 1 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel. Die Elektronenröhrenanordnung ist kugelförmig ausgebildet und besteht aus einer kugelförmigen Kathode --100-- und einer kugelförmigen Anode DieseElektroden sind konzentrisch zueinander angeordnet. Die Anode --101- ist elektronen- durchlässig und kann im wesentlichen als offen betrachtet werden. Geeignete Verbindungen sind zu diesen Elektroden hergestellt. Ein Leiter --102- ist mit der Anode -101-- und ein Leiter --103-- mit
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thode zur Anode steuern. Die innere Oberfläche der Kathode --100-- trägt elektronenemttierendesMaterial oder Anordnungen, die photoelektrische, thermische oder Sekundäremission oder Kombinationen davon zeigen.

Es sind Mittel vorgesehen, um die Anzahl der Ionen unabhängig von den andern Parametern der Entladungsstrecke, wie z. B. dem Gasdruck, dem Teilchenstrom u. dgL, zu ändern. Zu diesem Zweck ist die Ionenkanone --106-- vorgesehen, die mit der Kathode --100-- verbunden ist, und aus der Kathode --107--, dem Steuergitter --108-- und der Anode --109- besteht. Alle diese Elektroden sind, wie in der Fig. 1 gezeigt, durch einen Stromkreis verbunden. Eine Öffnung --110-- in der Kathode - bildet einen Teil eines optischen Systems, das einen Ionenstrom --111-- sammelt und durch die Anode --101-- gegen den Mittelpunkt --104-- richtet. Die Ionenkanone sowie die Kathode haben dasselbe Vakuum, da sie ja miteinander in Verbindung stehen.

Es sind jedoch zwei Rohre--112 und 113-- an entgegengesetzten Enden der Umhüllung der lonenkanone vorgesehen, durch die kontrollierte Mengen von neutralem Gas in die lonenkanone eingeführt werden und Restgase abgepumpt werden können. Das Gas wird durch den Eingangsstutzen --112-- eingeführt und das Restgas durch den Ausgangs- stutzen --113-- abgesaugt.

Wenn kontrollierteMengen von neutralem Gas in die lonenkanone-106-eingeführt sind, ionisieren die von der Kathode --107-- zur Anode --109-- fliessenden Elektronen das Gas, wodurch positiv geladene Partikel erzeugt werden. An diesem Punkt sei bemerkt, dass die lonenkanone eine übliche ist Es wird ein optisches System für Ionen in Verbindung mit der Öffnung --110-- verwendet, wodurch die Ionen durch die Potentialdifferenzen in der gesamten Röhre zurückgestossen werden, so dass die Ionen längs den Wegen --111-- in den Raum der Anode --101-- gelangen. Wie aus Fig. 1 hervorgeht, sind die Kathode --107-- und die Anode --109-- mit der Anode --100-- verbunden. Eine Gleichstromquelle, z.

B. die Batterie-114-, ist in Serie mit der Anode -109-- verbunden, um letztere auf einer kleinen Spannung, z. B. 100 V grösser als die Spannung der Anode --101--, zu halten. Das Vakuum, das durch die mit dem Ausgangsstutzen --113-- verbundene Vakuumpumpe erzeugt wird, muss in der Grössenordnung von 10-9 bis 10-10 mm Quecksilber liegen, damit eine gute Entgasung erreicht wird und sichergestellt ist, dass das Eindringen von Gas möglichst niedrig ist, so dass Verunreinigungen äusserst minimal sind. Es sei bemerkt, dass die Vakuumpumpe zwar erforderlich ist, um dieses Vakuum zu erzeugen, dass die Röhre jedoch bei höherem Druck arbeiten kann.

Das Gas, welches durch den Einlassstutzen --112-- eingelassen wird, ist vorzugsweise Deuterium

oder Tritium in gleichen Teilen. Es können jedoch auch, wie aus dem folgenden hervorgeht, andere
Gase verwendet werden. Die Einführung des Gases wird so gesteuert, dass der Druck des neutralen Gases in der Kathode, --100- auf einen Druck von ungefähr 10-6 bis 10-7 mm Quecksilber ansteigt Der ge- naue Druck hängt von dem Aufbau und den Arbeitsbedingungen der Anordnung ab.

Beitrag der Ionen und Elektronen zur Raumladung
Wie in Fig. 2 gezeigt, ist der Potentialgradient innerhalb des Anodenraumes auf Grund der Elek- tronen allein wesentlich. Das Potential ist ein Maximum in der Nähe der Anode und ein Minimum im
Mittelpunkt Die Verteilung dagegen ist grundsätzlich beeinflusst durch die Anwesenheit der Ionen, wie bereits im Stammpatent im Zusammenhang mit Fig. 2a beschrieben wurde. Die gestrichelte Linie - 115- (Fig. 3) in Kombination mit der festen Linie --116-- stellt die Potentialverteilung nur der
Elektronen dar.

Die zwei vereinigten Kurvenzüge-115 und 116-- entsprechen vollständig der Kurve der Fig. 2, Die Kurve --117-- in Verbindung mit dem Kurventeil-116-- stellt die Potentialverteilung dar, die durch den kombinierten Beitrag der Ionen und der Elektronen bei Arbeitsbedingungen erreicht wird, wie später noch ausgeführt wird. Die Kurve --117-- ist vergrössert in der Fig. 4 dargestellt In der
Beschreibung, die unmittelbar folgt, wird die Wirkung der Ionen auf die Potentialverteilung an Hand quantitativer Angaben, die später gemacht werden, untersucht Die erste Voraussetzung besteht darin, dass Ionen auf die innere Anodenfläche eingeführt sind und dort praktisch in Ruhe sind. Das Potential fällt von dieser Oberfläche radial nach innen, so dass die Ionen beschleunigt werden.

Die Ionen tragen zur positiven Raumladung bei, d. h., sie reduzieren die totale negative Raumladung innerhalb der Anode. Das Potential fällt steiler gegen die virtuelle Kathode ab, so dass die Potentialverteilung, die ohne Ionen den in der Fig. 2 gezeigten Verlauf aufwies, nunmehr der Kurve --117- folgt. Da die Ionen in der Nähe der Anode -109- sich mit kleiner Geschwindigkeit bewegen, ist in diesem Bereich ihr Raumladungseffekt am grössten. Beim Annähern an die virtuelle Kathode erhöht sich ihre Geschwindigkeit, und folglich wird ihr Beitrag zur Raumladung geringer. Da die Ionen jedoch die negative Raumladung da, wo sie anwesend sind, reduzieren, können die Elektronen tiefer gegen den Mittelpunkt vordringen, als dies ohne Ionen möglich wäre.

Die virtuelle Kathode-118--hat also einen kleineren Radius als die Kathode --119--, die durch Elektronen allein bei Abwesenheit von Ionen erzeugt wird. Das Potential der virtuellen Kathode --118-- ist Null, so dass ein sehr abrupter Potentialabfall gerade ausserhalb der virtuellen Kathode-118-stattfindet wie der steile Teil der Kurve --117-- zeigt. Solch ein Bereich von hohemPotentialgradienten in unmittelbarer Nachbarschaft der Kathode-118-, der beinahe radial verläuft, wird als Potentialgradienthülle bezeichnet Nun sollen die Ionen untersucht werden, wenn sie sich von der virtuellen Kathode-118-nach innen bewegen.

Wenn die Ionen sich radial gegen den Mittelpunkt bewegen, nimmt ihre Dichte wie 1 : r2 zu, wobei "r" der Radius vom geometrischen Mittel- punkt --104-- zu dem Punkt, wo die Dichte gemessen wird, ist Die positive Raumladung bildet ein Potentialmaximum, unmittelbar benachbart der inneren Peripherie der virtuellen Kathode-118- (Fig. 5) aus, so dass eine virtuelle Anode "N" innerhalb der virtuellen Kathode in einem winzigen, aber endlichen Abstand vom Mittelpunkt -104-- gebildet wird. Die virtuelle Anode ist ein geometrischer Ort (ein Punkt "N" der Kurve in Fig. 5), an dem diepotentialverteilung ein Maximum und der Potentialgradient Null ist
Die Anwesenheit der virtuellen Anode "N" beeinflusst die Elektronen.

Soweit die Elektronen bisher betrachtet wurden, werden diese zur virtuellen Kathode zurückgestossen. Sie haben die Geschwindigkeit Null an diesem Punkt, aber an der virtuellen Kathode-118-finden sie nun ein Potential vor, das in beiden Richtungen radial nach innen und nach aussen ansteigt Ein wesentlicher Teil der Elektronen
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innerhalb der virtuellen Anode "N".

Obgleich anzunehmen wäre, dass an diesem Punkt eine unendliche Anzahl von abwechselnden virtuellen Kathoden und Anoden vorhanden ist, ist deren Anzahl tatsächlich sehr begrenzt Es muss beachtet werden, dass weder die Ionen noch die Elektronen genau radial fliegen. Vielmehr herrscht eine Geschwindigkeitsstreuung in den Ionen- und Elektronengmppen. Daraus resultiert, dass die Punkte, wo die Ionen oder Elektronen ihre Bewegungsrichtung umkehren, nicht auf einer mathematisch dünnen Oberfläche liegen, sondern die virtuellen Anoden und Kathoden haben eine endliche radiale Dicke. Sobald der Abstand zwischen einer virtuellen Anode In die Grössenordnung dieser Dicke kommt, verschmelzen diese und der Prozess der Entwicklung abwechselnder virtueller Elektroden hört auf.

Ganz allgemein gesagt, jede Anordnung, die die Geschwindigkeitsstreuung der Ionen und Elektronen reduziert, fördert die Bildung von mehr als einer virtuellen Elektrode. Es ist eines der Hauptmerkmale, Mittel zur Erzeugung mehrerer virtueller Elektroden vorzusehen, weil der Bereich, in welchem Ionen

konzentriert werden, dadurch kleiner gehalten ist, wodurch die Möglichkeit einer Diffusion vergrössert werden kann. Ganz allgemein wird dies durch die Einführung von Ionen von aussen erreicht, wodurch die Ionengeschwindigkeiten gleichförmiger werden, ferner dadurch, dass, um radiale Elektronenwege zu erhalten, verbesserte Elektronenoptiken vorgesehen werden und schliesslich dadurch, dass geeignete Gasdrucke verwendet werden.

Wirkungen in der Entladung
Bei der unmittelbar vorhergehenden Diskussion wurden die Ionen und Elektronen nur so betrachtet, als ob sie sich nacheinander bewegen und nur in den entsprechenden Raumladungen in Wechselwirkung miteinander treten. Es gibt jedoch eine Anzahl atomischer Prozesse, die stattfinden können, und es soll im folgenden gezeigt werden, dass die Anordnungen so gestaltet werden können, dass einige dieser Effekte reduziert werden und die andern zum Vorteil ausgenutzt werden können. Aus diesem Grunde ist eine weitere Diskussion dieser Effekte, die bereits früher beschrieben wurden, angebracht.

Wie bereits ausgeführt, oszilliert die grosse Ionenenergie radial durch den Anodenraum. Diese Oszillation wird so lange fortgesetzt, bis eine der drei Möglichkeiten eintrifft
1. Der lonenweg wird durch einen Streuprozess geändert,
2. das Ion fängt ein Elektron ein oder vereinigt sich mit einem Elektron und wird ein neutrales Atom oder
3. das Ion wird durch eine nukleare Reaktion absorbiert ; dies ist das gewünschte Resultat
Streuung
Wie bereits ausgeführt, bezieht sich der Streuprozess auf das Phänomen der Rückstossungskräfte, die durch zwei Ionen ausgeübt werden, die sich von zwei verschiedenen Richtungen nähem.

Dies wird geschehen, wenn das Elektron durch den Mittelpunkt geht, weil dort die lonendichte ungefähr millionenfach grösser als auf irgendeinem andern lonenweg Ist Das Ion wird von seinem Weg durch das Zusammentreffen mit einem andern Ion in einem kleineren oder grösseren Winkel abgelenkt, der nur davon abhängt, wie nahe sich die beiden Ionen kommen.

Es sei angenommen, dass die Teilchendichte im Mittelpunkt gross genug ist, um sicherzustellen,
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man diese Dichte als die Dichte an, durch die das Ion jedesmal muss, wenn es den Mittelpunkt durchquert, findetman auf Grund derRutherfordschen Streuformel ("an Outline of Atomic Physics" von Blackword erschienen in 1933, Verlag John Wiley & Sons, Inc. of New York, S. 44), dass für 106 Wege durch den Mittelpunkt die Möglichkeit, dass das Ion um einen Winkel kleiner als 8 abgelenkt wird, 0, 9 ist Das heisst, für eine Million Wege durch den Mittelpunkt ist die Möglichkeit, dass das Ion eine Ablenkung grösser als 80 erreicht, nur 10o/CI. Es sei nun angenommen, dass das Ion um diesen Winkel oder einen etwas grösseren Winkel abgelenkt sei.

Diese Ablenkung bedeutet nicht, dass der neue Weg des Ions nicht radial sei. Da die Ablenkung sehr nahe am Mittelpunkt erfolgt, wird auch der neue Oszillationsweg sehr nahe radial sein. Das Ion wird längs des neuen Weges weiter oszillieren und wird nahe am Mittelpunkt, jedoch nicht ganz durch ihn, gehen. Die Anzahl der lonenwege muss auf ungefähr 1 Million begrenzt sein, um zu verhindern, dass die gestreuten Ionen die Grösse des winzigen Volumens des Mittelpunktes, in dem Fusionsreaktionen stattfinden, vergrössern.

Einfangen und Wiedervereinigen
Ein Ion kann durch Zusammentreffen mit einem Elektron neutralisiert werden. Dies kann auf zwei verschiedenen Wegen geschehen. Ein Ion kann mit einem neutralen Atom kollidieren und ihm eines
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Ganz allgemein, diese beiden Prozesse können nur stattfinden, wenn die zwei kollidierenden Partikel ungefähr die gleiche Geschwindigkeit haben.

Der Einfang-Prozess kann nur in einem Bereich stattfinden, in dem die Ionengeschwindigkeit klein ist, d. h. in einem Bereich in der Nähe der Anode --101--. Dieser Bereich ist in der Fig. 4 durch die Bezeichnung"Einfangbereich"EFB gekennzeichnet Das ist der Bereich der Potentialverteilung innerhalb dieses Bereiches, der nur eine sanfte Neigung aufweist
Da Elektronen immer sehr viel schneller fliegen als Ionen, ist der einzige Bereich, in dem eine Wiedervereinigung stattfinden kann, in der Nähe der virtuellen Kathode-118-, wo die Elektronengeschwindigkeit am niedrigsten und die Ionengeschwindigkeit am höchsten ist
Beim Einfangen passiert nicht viel. Es findet eine sehr kleine Energie-Übertragung zwischen den beiden Partikeln statt, anders als bei der Übertragung eines Elektrons von einem Kern zum ändern.

Das

alte Ion, welches zum neutralen Atom geworden ist, behält mindestens seine Geschwindigkeit bei, und da es nunmehr keinem elektronischen Feld mehr unterliegt, wandert es einfach, bis es auf einen festen Gegenstand, z. B. eine Elektrode oder die Röhrenwand, auftrifft.

Das neugebildete Ion hat nur die Energie, die es zum Zeitpunkt des Zusammentreffens besass. Es beginnt eine Schwingungsbewegung durch den Mittelpunkt, unabhängig von der früheren Ablenkung.

Das neugebildete Ion kann so betrachtet werden, als ob es die Durchschnittszahl der Wege durch den Mittelpunkt, die durch das alte Ion begonnen wurden, vervielfachen würde, aber mit dem Nachteil, dass es einen Energieverlust erlitten hat.

Das Einfangen von Elektronen kann ungefähr 7mal wiederholt werden, bevor der Energieverlust zu gross wird, als dass noch Fusionen stattfinden könnten. Ein Durchschnitt von nur 5 oder mindestens 6 Einfängen findet statt, bevor das Ion entweder durch Fusion oder Neutralisation mit einem freien Elektron verloren geht.

Wenn Wiedervereinigung stattfindet, resultiert ein neutrales Atom, welches nach aussen wandert, bis es entweder durch ein anderes Elektron oder Ion wieder ionisiert wird, oder es wandert ausserhalb der Röhre. Es ist wünschenswert, die Wiedervereinigungen auf einem so niedrigen Wert als möglich zu halten, insofern dies sowohl einen Energieverlust durch Strahlung als auch einen Verlust an Ionen und Elektronen in der Raumladung ergibt. Da die virtuelle Kathode, in der diese Wiedervereinigung stattfindet, radial sehr klein ist, sind die Wiedervereinigungen entsprechend niedrig. Dieselben Bedingungen treffen zu in bezug auf die zusätzliche virtuelle Kathode, die bereits beschrieben wurde.

Im Augenblick kann zusammengefasst werden, dass die Streuung durch die Begrenzung der Anzahl von Ionenwegen vernachlässigbar gemacht werden kann. Es soll nun gezeigt werden, dass die Anzahl der Wege, somit auch das Einfangen, gesteuert werden kann.

Der Umfang des Einfangens kann aus der Beziehung, die die Möglichkeit des Einfangens pro Weg "Pc"ausdrückt, berechnet werden wie folgt :
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in der L die Länge des lonenweges in cm, Pn die Dichte des neutralen Gases in Teilchen pro cm3 und a c den Einfangquerschnitt in cm2 darstellen.

Der höchstmögliche Wert für Pc ist die Einheit 1, da dies bedeutet, dass das Einfangen stattfindet.

Der offensichtliche Minimalwert von Pc ist Null. Aus dieser Formel folgt, wenn der für Pc berechnete Wert 10 -6 ist, dass ein Ion im Mittel 10 6 Schwingungswege absolviert, bevor das Einfangen stattfindet.

Werte für den Einfangquerschnitt können aus der Kurve von Jackson & Schmidt in "Physical Review", Vol. 89, Nr. 2, S. 359 [1953] erhalten werden. Im vorstehenden Fall ist es wünschenswert, die Anzahl der Ionenwege auf ungefähr 1 Million, während derer 4 bis 6 Einfänge stattfinden, zu beschränken. Wenn im Mittel 4 Einfänge angenommen werden, wird
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Nimmt man weiterhin als Beispiel eine Weglänge L von 0, 135 cm an, so kann der Wert für die Dichte Pn des neutralen Gases aus der folgenden Gleichung berechnet werden :
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Pn ist demnach ungefähr 1010 Teilchen pro cm3 für einen Wert von ac-= 10-16 cm2.

Es ist also gezeigt, dass die Steuerung des Einfangens, die ihrerseits zu einem wesentlichen Betrag lie Form der Potentialverteilung beherrscht, durch die Wahl des Gasdruckes erreicht werden kann, da der Einfangquerschnitt umgekehrt proportional zur Gasdichte ist.

Bündelung
Der Ionenstrom und somit auch die Ionendichte im Mittelpunkt kann nur durch Vergrössern des Elek- tronenstromes vergrössert werden, wenn eine stabile Arbeitsweise gehalten werden soll. Für eine gegebene Elektronenstromdichte kann die Ionenstromdichte durch den Fusionsmittelpunkt durch Bündelung der Ionen, wenn diese den Mittelpunkt durchqueren, in der gleichen Weise vergrössert werden.

Um die Bündelung der Ionen zu erreichen, wird die Lage der virtuellen Kathode radial mit einer der Schwingungsperiode der Ionen entsprechenden Frequenz geändert.

Die Länge des Ionenweges der Hauptgruppe von Ionen im Mittelpunkt ist in der Grössenordnung von 0, 135 cm. Die Ionen-Frequenz hängt von dem benutzten Anodenpotential ab, sie wird in dem Bereich von 250 bis 500 MHz liegen, Der höhere Wert entspricht einer Anodenspannung von 140 kV.

Es gibt verschiedene Möglichkeiten zur Modulation, in andern Worten zur Veränderung der virtuellen Kathode. Eine dieser Methoden besteht darin, eine Hochfrequenzspannung zwischen die Kathode - -100-- und die Anode --101--, wie dies in Fig. 1 gezeigt ist, anzulegen, Eine andere Möglichkeit, ebenfalls in Fig. 1 gezeigt, besteht darin, die Ionenkanone --106-- mittels einer Hochfrequenzspan-
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--120b--,--111-- in ihrer Dichte moduliert sind.

Angenommen, dass die Anode --101-- und die Kathode --100-- mit einer Hochfrequenz von un-
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--120-- moduliertFig. 7 gezeigt, eine Sinuswelle ist, ändert sich die Dichte des Elektronenraumladungsstromes, der ge- gen den Mittelpunkt --104-- konvergiert, periodisch. Dies hat die schwingende Bewegung der virtu- ellen Kathode, wie gerade früher ausgeführt wurde, zur Folge. Als Folge davon ändert sich der Poten- tialgradient, der die Ionen durch den Mittelpunkt --104-- stösst, periodisch. Dadurch wird eine entsprechende Geschwindigkeitsänderung der oszillierenden Ionen hervorgerufen. Daraus ergibt sich, dass einige Ionen rascher wandern als die andern.

Dies wieder hat zur Folge, dass die rascheren Ionen die langsameren überholen und, wenn der Mittelpunkt --104-- erreicht ist, mit diesen gebündelt werden. Dadurchwird die Ionendichte im Mittelpunkt vergrössert. Diese Bündelung oder Vergrösserung der Dichte ist graphisch in Fig. 6 dargestellt. Die Punkte stellen Ionen längs ausgewählter diametraler Wege dar.

Eine ideale Anordnung, in der die nuklearen Reaktionen, die durch die Erfindung beschrieben wurden, ausgeführt werden können, würde, wenn es möglich ist, eine derartige Anordnung zu schaffen, aus einer sphärischen Anode, die Elektronen frei durchlässt und von einer konzentrischen sphärischen Kathode, die Elektronen von ihrer inneren Oberfläche emittieren kann, umschlossen ist, bestehen.

Eine praktische Anordnung benutzt eine perforierte Anode und ein elektronenoptisches System zur Vortäuschung des Feldes einer sphärischen durchlässigen Anode. Im folgenden sollen Bezugszeichen mit dem Index"a"gleiche Teile bezeichnen. In einer Form der Röhre (Fig. 8 bis 14) besteht die Anode aus einer Anzahl von hohlen, konisch geformten Elementen --121--, die geometrisch so zusammengefügt sind, dass sie einen dodekaetrischen Körper bilden. Die breiten Enden --122-- der Kanone werden von Kreisen um die Oberfläche des Dodekaeders umschrieben, und die Seiten der Kanone --121-- liegen auf den Radien einer imaginären Kugel, die den Dodekaeder umschreibt.

Während hier speziell der Dodekaeder besprochen wurde, ist es selbstverständlich, dass auch andere vielseitige, ungleichmässige oder gleichmässige Formen verwendet werden können, ohne von dem Umfang der Erfindung abzuwei- chen.

Wie in Fig. 9 eindeutig illustriert ist, ist das Anodenelement-lOla-- aus einer Kugel aus rostfreiem Stahl gearbeitet. Ein konzentrischer kugelförmiger Hohlraum --123-- ist in deren Mittelpunkt vorgesehen. Die Achsen der verschiedenen Konusse --121-- liegen auf Radien der Kugel und schneiden sich im Mittelpunkt --104-- des Hohlraumes --123--. Die schmaleren Enden der Konusse öffnen sich gegen den Hohlraum --123--, wie dies aus Fig. 8 ersichtlich ist. Geometrisch sind die Knusse-121--, da die Anordnung einen regulären Dodekator darstellt, in diametralen Paaren angeordnet, von denen jedes Paar eine gemeinsame Achse hat, welche mit dem Röhrendurchmesser zusammenfällt, wie dies aus Fig. 8 hervorgeht.

Konzentrisch innerhalb des Anodenelementes-lOla-- und genauer in dem Hohlraum --123-- ist ein Anodenlinsenelement --125--, welches aus rostfreiem Stahl gebildet ist, vorgesehen. Dieses Element --125-- ist eine dünne, kugelförmige Schale, die mit konisch geformten Öffnungen --126--, die den entsprechenden Öffnungen --124-- der Konusse --121-- gegenüber angeordnet sind, versehen. Dieses Element --125-- ist innerhalb und von der Anode --101-- entfernt gehaltert. Der Abstand und die Grösse der Öffnungen --126-- wird im folgenden näher beschrieben.

Eine kugelförmige Kathodenhülle-lOOa-- aus rostfreiem Stahl umgibt konzentrisch die Anode - -10la--. An der inneren Wand der Kathodenhülle-lOOa-- sind befestigt zwölf Kathoden- oder Dy- nodenelemente-127-, die elektronenemittierende Oberflächen (Dynode) --128-- besitzen, die Segmente oder Zonen einer Kugel darstellen. Jede dieser Dynoden --127-- steht einem Anodenkonus --121-- gegenüber. Der Radius der Krümmung jeder Oberfläche --128-- ist ungefähr die Hälfte des Radius der Hülle --100a--. Der Mittelpunkt der Krümmung liegt auf einem Röhrendurchmesser, welcher mit der

entsprechenden Achse des Anodenkonus übereinstimmt.

Die Abmessungen dieses Radius werden später näher beschrieben.

Jede Dynode --127-- ist durch einen Bolzen od. dgl. mit der Kathodenhülle --100a-- verbunden.
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--100a-- verschmolzen,ordnet.

Zwischen den Dynoden --127-- und der Hülle --100a-- ist eine Sammelelektrode --130-- aus rostfreiem Stahl angeordnet. Diese Elektrode --130-- hat die Form einer kugelförmigen Schale und ist konzentrisch in bezug auf die Kathodenhülle --100a-- angeordnet.

Die Sammelelektrode --130-- ist mit einer Anzahl von Öffnungen --131-- versehen, in welchen Hülsen --132-- aus Isolationsmaterial, z. B. Bornitrid, befestigt sind. Diese Hülsen --132-- sind dicht teleskopartig über dem Umfang der entsprechenden Dynode --127-- angebracht. Sie dienen dazu, die Sammelelektrode --130-- zu haltern und sie von den Dynoden zu isolieren.

Die Sammelelektrode --130-- ist mit einem Leiter verbunden, der durch die Kathodenhülle --100a-- mittels einer geeigneten Isolation durchgeführt ist.

Die Anode --101a-- ist konzentrisch innerhalb der Kathode --100a-- durch eine stabile Anordnung, wie sie in den Fig. 8 und 10 näher erläutert ist, gehaltert. Fig. 8 zeigt den Teil der Anordnung innerhalb der Hülle --100a--. während Fig. 13 den Teil ausserhalb zeigt. Diese Anordnung umfasst eine sich verjüngende Saphir-Sonde --135--, die eine axiale Bohrung --136-- aufweist, durch welche ein geeigneter schwerer Leiter --137-- führt. Dieser Leiter trägt an seinem inneren Ende --138-- ein Gewinde, womit er mit der Gewindeöffnung --139-- in der Anode --101a-- verschraubt ist (Fig. 8). Die Sonde --135-- ist mit der Hülle --100a-- so verbunden, dass sie sich radial nach innen erstreckt.

Dies
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einen Ende --140-- verschweisst und mit seinem andern Ende mit der Sonde verschmolzen ist.

Die Hülse --140-- ist mit einer metallischen Hülse --141-- umgeben, die mit der äusseren Ober- fläche der Hülse --100a-- vakuumdicht verschmolzen ist. Das äussere Ende dieser Hülse-141-- ist ge- eignet befestigt und verschmolzen mit einem Porzellan- oder ähnlichen Isolator --142--. Der Isolator --142-- ist mit einer axialen Bohrung --143-- versehen, durch die der Leiter --137-- führt. Eine geeignete metallische Scheibe --144-- ist über dem oberen Ende des Isolators --142-- angebracht und mit diesem und dem Leiter --137-- vakuumdicht verschmolzen. Wie aus Fig. 8 ersichtlich, führt die Sonde --135-- durch die Öffnung --145-- in derSammelelektrode --130--.

Das innereAnodenelement --125-- ist innerhalb der Anode --10la-- mittels einer zweiten radial angeordneten-Sonde-146- (Fig. 8 und 11) gehaltert. Das innere Ende dieser Sonde reicht durch eine Öffnung --147-- in der Anode - -10la--. Das durchragende Ende --148-- dieser Sonde ist mit dem Anodenelement --125--, wie gezeigt, verschraubt. Anderseits ist die Sondenanordnung im wesentlichen ähnlich konstruiert wie die Sondenanordnung-135--. Gleiche Bezugszeichen mit dem Index "a" bezeichnen gleiche Teile.

Wie genauer durch die Fig. 8 und 13 dargestellt, sind die Kathodenhülle --100a--, die Sammel- elektrode-130-, die Anode --101a-- und die Anodenelektrode --125-- als Halbkugeln hergestellt, die geeignet miteinander verbunden sind, um die Kugelformen zu erzielen. Da jedoch der Innenraum der Kathodenhülle-lOOa-- evakuiert ist, ist es nötig, diese vakuumdicht zu verschmelzen. Zu diesem Zweck sind die Hälften der Hülle --100a-- mit Flanschen --150 und 151-- versehen, die in geeigneter Weise zusammengeschweisst sind. Jedes geeignete Mittel kann zur Verbindung der Halbkugeln der andern Elektroden verwendet werden.

Wie bereits früher im Zusammenhang mit Fig. l ausgeführt, ist eine Ionenkanone --106-- mit der Kathode --100-- verbunden, um Ionen in den Anodenraum zu schiessen. Diese Anordnung ist in Fig. 14 gezeigt, wo die Stromkreisverbindungen sowohl wie die Einzelteile schematisch dargestellt sind. Andere Ionenkanonen, wie z. B. die in "The Review of Scientific Instruments", Jänner 1948, S. 28, dargestellte und beschriebene können verwendet werden.

Die Anode --101a-- ist mit einer radialen Öffnung --152-- versehen, welche mit den Öffnungen - 153 und 154-- der Sammelelektrode bzw. der Kathodenhülse-lOOa-- in Deckung ist. Diese drei Öffnungen --152, 153 und 154-- sind radial zu der Kathodenöffnung --155-- in der Ionenkanone --107-ausgerichtet. Die Elektronenemission von der Kathode --107-- zu der Anode ionisiert Gas zwischen diesen Elektroden, welches elektrostatisch zu einem Strahl konzentriert und durch die Öffnung --155-- so-

wohl wie durch die Öffnungen --154, 153 und 152-- und endlich durch eine andere Öffnung --156-- des inneren Anodenelementes gerichtet ist.

Wegen der Polaritäten und Werte der Spannungen, die mit den Elementen der lonenkanone und der Anode --10la und 125-verbunden sind, haben die innerhalb der Ionenkanone erzeugten Ionen ein etwas höheres Potential als die Teile-lOla und 125--, wodurch die Ionen durch die Anodenöffnung --152-- in den Hohlraum innerhalb des Teiles --125-- gestossen werden. Der Aufbau der lonenkanone ist üblich. Jeder beliebige andere Aufbau, der in der Lage ist, einen Ionenstrahl zu erzeugen, kann für diesen Zweck Verwendung finden.

Die Anordnungen der Fig. 8 bis 14 funktionieren im wesentlichen in der gleichen Weise wie die schematisch in der Fig. 1 gezeigte Anordnung. Die gesamte Röhre kann betrachtet werden als aus zwölf
Elektronenkanonen bestehend, die alle so ausgerichtet sind, dass sie die Elektronen auf einen gemein- samen Punkt --104-- im Mittelpunkt der Kugel fokussieren. Elektronen, die von den Dynodenoberflä- chen --128-- durch und in das Innere der Anode-lOla, 125-fliegen, erzeugen ein elektrisches Feld, welches einem Feld gleich ist, das erzeugt wäre, wenn eine starke negative Ladung im Mittelpunkt - angeordnet wäre. Eine gleichförmige Stromdichte durch die Anode ist alles, was erforderlich ist, um Äquipotentialflächen zu erzeugen, die kugelförmig sind.

Wenn jede Kanone auf den Mittel- punkt --104-- fokussiert ist, sind die Elektronenwege so, dass kein Elektron durch die Anode --10la,
125-- aufgefangen wird, wie dies später näher erläutert werden wird. Randelektronen der Dynodenstrah- len werden durch die Sammelelektrode --130-- gesammelt und sind dadurch verhindert, die Anode - lOla, 125-zu erreichen. Wenn geeigneter Gasdruck, geeignete Potentiale, geeignete Abmessun- gen und Abstände der verschiedenen Elektroden vorgesehen sind, wird eine hohe Konzentration von os- zillierenden Ionen im Mittelpunkt der Röhre erzeugt. Diese Ionen treten in Wechselwirkung, um die gewünschten nuklearen Reaktionen zu erzeugen. Bei den soeben beschriebenen Anordnungen kann die Ionenkanone --106-- in Verbindung mit dem Anfang der Erzeugung von Ionen ganz weggelassen wer- den.

Wenn die Kathodenoberflächen --128-- aus gutem photoelektrischem (z. B. Cäsium-Antimon) oder sekundäremissionsfähigem Material bestehen, resultiert die Elektronenemission von der inneren Strahlung auf Grund von der Wiedervereinigung oder von dem Aufeinandertreffen von Ionen und Elektronen.

Bei Inbetriebnahme der Röhre beginnen die in dem Gas bereits vorhandenen Ionen, sich wieder zu vereinigen und einige treffen in dem Augenblick, in dem die Betriebsspannungen angelegt werden, auf die Kathode. Ebenso treffen oszillierende Elektronen auf die Kathode und erzeugen Sekundärelektronen.

Die Elektronenemission von den Kathodenoberflächen wird dadurch fortlaufend vergrössert, bis sich der Raumladungsstrom zu dem Betriebswert entwickelt hat. Wenn sich der Raumladungsstrom vergrössert, werden mehr Ionen erzeugt, bis das Gleichgewicht zwischen der Anzahl von Ionen und Elektronen erreicht ist. Für diesen Fall kann die lonenkanone fortgelassen werden.

Für eine andere Arbeitsweise kann die Energiequelle der Fig. 1 und 14 mit einer gewünschten Frequenz, beispielsweise 60 Hz oder höhere Frequenz, gepulst werden ; die Form der Impulse kann von einer Arbeitsweise zur andern geändert werden. Ein rechteckiger Impuls stellt eine der geeigneten Impulsformen dar.

Elektronenoptiken
Zwei verschiedene Anordnungen von Elektronenoptiken sind schematisch in den Fig. 16 und 17 wiedergegeben. Die Anordnung der Fig. 17 entspricht den im Zusammenhang mit den Fig. 8 ff. beschriebenen. Um die Erörterung zu vereinfachen, sei die einfache Optik der Fig. 16 zuerst betrachtet. Da der Aufbau der Anode --10la-- eine grundsätzliche Wirkung auf die Elektronenwege und somit auf die Ausbildung der entsprechenden Elektronenstrahlen hat, ist sowohl ein geeigneter Entwurf dieses Aufbaues als auch desjenigen der elektronenemittierenden Kathode --128-- sehr wichtig, Relativ einfache und bekannte Formeln, die sich mit Elektronenoptiken befassen, sind geeignet, um die passenden Dimensionen für die verschiedenen Teile mathematisch herzuleiten, wie im folgenden gezeigt wird.

In Fig. 16 ist eine der zwölf Elektronenkanonen gezeigt. Sie besteht aus der Kathode --128-- und einem konischen Netzelement --121--, Die Oberfläche dieser Kathode --128-- ist kugelförmig mit dem Mittelpunkt bei C ; der Radius ist ungefähr die Hälfte von dem der Hülle --100a--, der Radius der Kathode --128-- ist mit r bezeichnet.

Ein Elektron, das von irgendeinem Punkt, z. B. dem Punkt A, der Oberfläche der Kathode --128-- emittiert wird, bewegt sich im wesentlichen in einer geraden Linie gegen den Punkt C. Selbst wenn das Elektron die Kathode anfänglich nicht senkrecht zu ihrer Oberfläche verlässt, ist seine Geschwindigkeitskomponente in der Querrichtung äusserst klein gegenüber seiner Längsgeschwindigkeit, die den durch den Einfluss der angelegten Spannungen erhält. Diese transversalen Komponenten mögen bei der im folgenden ausgeführten geometrischen Analyse vernachlässigt werden.

Beim Punkt P tritt das Elektron in die Öffnung --122-- des Anodenkonus --121--. In dieser Öffnung ist eine Öffnungslinse durch die Tatsache gebildet, dass ein starker Feldgradient in dem Bereich A-B ist, aber ein vernachlässigbar kleiner innerhalb des Konus --121--. Die Brennweite --f 1-- dieser Öffnungslinse ist durch die Gleichung gegeben
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Im vorstehenden wurden ideale Linsen und Elektronenwege angenommen. Tatsächlich gibt es jedoch einige Abweichungen auf Grund der Linsen-Aberation des Linsen-Astigmatismus, der Elektronenstreuung u. dgl. Jeder dieser schädlichen Effekte gibt den Elektronen eine Bewegung, die unerwünscht ist, gewöhnlich eine nicht radiale oder transverse Geschwindigkeitskomponente. Solche irregulären Elektronenbewegungen sind einer vergrösserten Elektronentemperatur gleichzusetzen, und es ist daher wichtig, Streuelektronen, die solche irregulären Bewegungen haben, zu eliminieren. Die Sammel- elektrode-ISO-, die um und hinter jeder Kathodenoberfläche-128- (Fig. 8) angeordnet ist, dient dazu, alle Elektronen, die eine kleine, nicht radiale Bewegung aufweisen, zu sammeln und aus den entsprechenden Strahlen zu entfernen.

Dadurch wird nicht nur die Elektronentemperatur begrenzt, sondern auch alle Streuelektronen verhindert, von der Anode eingefangen zu werden, wodurch der Strom in dem äusseren Anodenstromkreis auf ein Minimum reduziert wird.

Dies wird an Hand der Fig. 8 verständlicher, bei der die konischen Räume, die durch die entsprechenden Elektronenstrahlen besetzt werden, mit den Bezugszeichen --157 und 158-- bezeichnet sind.

Die äusseren Umfänge dieser Räume stimmen mit den Umfängen der entsprechenden Kathode --120-- überein. Es besteht zwischen den Aussenlinien der zwei Räume --157 und 158-- und den entsprechenden konischen Anodenelementen --121-- ein Abstand, so dass jedes Elektron, welches in diesem Raum radial nach aussen wandert, den Umfang der entsprechenden Kathodenoberfläche-128-- verfehlt und daher durch die Sammelelektrode --130-- gesammelt wird. Auf diese Weise werden derartig gesam-
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--101a-- aufgefangenTeilchenflug im kugelsymmetrischen Feld
In Verbindung mit dem Entwurf der Strahloptiken, die im vorhergehenden Abschnitt beschrieben wurden, ist es nötig, den Potentialgradient "E" für die Berechnung der Brennweite-fl--und auch "El" für die Brennweite-f,-für die Zerstreuungslinse im Inneren der konischen Öffnung --124--, zu wissen. In diesem Abschnitt werden sowohl die Betrachtungen, die bei der Berechnung des Potentialgradienten Anwendung finden, als auch im Zusammenhang mit dem Entwurf der Röhre wichtige Faktoren näher beschrieben. Die Gesetze, nach denen geladene Teilchen sich gegen den Mittelpunkt eines kugelsymmetrischen Feldes bewegen, wurden durch Languir und Blodgett (Physical Review, Band 24, Nr. 2 [1924]) beschrieben.

In seinem Buch "Vacuum Tubes" stellt Spangenberg fest, dass die Raumladungs-Formel für Elektronen wie folgt lautet :
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wobei leo der gesamte Strom in Ampere ist, V die Spannung in Volt und < x eine Funktion des Radius (genauer eine Funktion von r/rc, wobei rc der Radius der elektronenemittierenden Oberfläche und r der Radius an irgendeinem Punkt x ist), welche in der folgenden Tabelle oder in Tabellenform in dem Anhang 7 des vorerwähnten Buches von Spangenberg gefunden werden kann. Ebenso kann er bestimmt werden durch die Formel 8, 32 auf S. 181 des Buches von Spangenberg. Spangenberg unterscheidet zwei Funktionen, die mit < x und (-ci) 2 bezeichnet sind.

Die erste wird verwendet für den Fall, dass die Spannung V an einem Punkte x ausserhalb der elektronenemittierenden Kugel berechnet wird und die zweite an einem Punkte x innerhalb einer solchen kugelförmigen Quelle.

Da die Gleichung (8) ausdrückt, wie eine Raumladung auf die Beziehung zwischen Strom und Spannung einwirkt, wird der Ausdruck leo in dieser Erfindung für den zirkulierenden Elektronenstrom, der

früher beschrieben wurde, gebraucht. Dieser Strom ist für die ganze Kugel berechnet.

Die Gleichung (8) wurde abgeleitet für den einfachen Fall einer Elektronenentladung ohne die Anwesenheit von Ionen. Der Index "eo" für den Buchstaben "I" bezeichnet die Abwesenheit von Ionen.

Wenn jedoch Ionen anwesend sind, wird ein neuer Parameter X wie folgt eingeführt :
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# ist das Verhältnis der zirkulierenden Ströme Ip/Ie der positiven Ionen und Elektronen, korrigiert, um den verschiedenen Massen Rechnung zu tragen. Ie ist der zirkulierende Elektronenstrom bei Anwesenheit von Ionen. Die Raumladungsformel kann unverändert benutzt werden, aber der Nenner (s. Gleichung 8) wird in dem neuen Fall p. 2 genannt, welches als eine andere Funktion des Radius berechnet ist, als ct 2 berechnet ist. Es ist augenscheinlich, dass der Ausdruck"p"auch von dem Faktor abhängt.

Die Gleichung (8) kann durch die Gleichung
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Gleichung (8a) folgt :
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und weil &alpha; aus der angezogenen Literatur bekannt ist, ist li L 2 bestimmt.

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<tb>
<tb> ra
<tb> rc <SEP> # <SEP> = <SEP> 0,2 <SEP> # <SEP> = <SEP> 0,4 <SEP> # <SEP> = <SEP> 0,6 <SEP> # <SEP> = <SEP> 0,8 <SEP> # <SEP> = <SEP> 1
<tb> oder
<tb> rc
<tb> ra <SEP> &alpha;a2 <SEP> (-&alpha;

a)2 <SEP> a2 <SEP> (- a)2 <SEP> a2 <SEP> (- a)2 <SEP> a2 <SEP> (- a)2 <SEP> a2 <SEP> (- a)2 <SEP> a2 <SEP> (- a)2
<tb> 1. <SEP> 6 <SEP> 0, <SEP> 1688 <SEP> 0, <SEP> 2968 <SEP> 0, <SEP> 1330 <SEP> 0, <SEP> 2520 <SEP> 0, <SEP> 0972 <SEP> 0, <SEP> 2071 <SEP> 0, <SEP> 0614 <SEP> 0, <SEP> 1623 <SEP> 0, <SEP> 0255 <SEP> 0, <SEP> 1174 <SEP> 0, <SEP> 0730 <SEP>
<tb> 1,8 <SEP> 0,248 <SEP> 0,502 <SEP> 0,2067 <SEP> 0,4431 <SEP> 0,1654 <SEP> 0,3842 <SEP> 0,124 <SEP> 0,3258 <SEP> 0,0827 <SEP> 0, <SEP> 2664 <SEP> 0, <SEP> 0414 <SEP> 0, <SEP> 2075 <SEP>
<tb> 2. <SEP> 0 <SEP> 0, <SEP> 326 <SEP> 0, <SEP> 750 <SEP> 0, <SEP> 279 <SEP> 0,676 <SEP> 0,2321 <SEP> 0,6019 <SEP> 0,1852 <SEP> 0,5278 <SEP> 0,1382 <SEP> 0,5213 <SEP> 0,0913 <SEP> 0,3798
<tb> 2.

<SEP> 2 <SEP> 0, <SEP> 402 <SEP> 1,036 <SEP> 0, <SEP> 3497 <SEP> 0, <SEP> 9463 <SEP> 0, <SEP> 2975 <SEP> 0, <SEP> 8566 <SEP> 0,2452 <SEP> 0,7668 <SEP> 0,193 <SEP> 0,6771 <SEP> 0,1407 <SEP> 0,5874
<tb>
ra = Anodenradius rc = Radius einer ausgewählten Kathode eta = Der Wert von et, wenn r = ra a = das Äquivalent von axa, jedoch bei der Anwesenheit von Ionen = das Äquivalent von et. jedoch bei der Anwesenheit von Ionen Der Wert der vorstehenden Tabelle kann augenscheinlich leicht geändert werden in Abhängigkeit von den endgültigen Entwurfserfordernissen und Arbeitscharakteristiken.

Ähnlich wie in der Tabelle in Spangenbergs Buch können die Werte von &alpha;2 mathematisch berechnet werden. À. wurde von Langmuir (Physical Review Nr. 33, S. 954, Juni 1929) eingeführt. Dort ist gezeigt, dass A. (in Langmuirs Veröffentlichungen a genannt) sich nicht bis zu dem Wert der Einheit erstrecken kann, wenn Ionen an der Anode eingeführt werden. Während die Berechnungen dieser Veröffentlichung sich auf eine planparallele Entladung beziehen, sind die gleichen Überlegungen auch für die Erfindung angewendet.

Linsenberechnungen
Betrachten wir noch einmal den Weg eines Elektrons, das von dem Punkt A (Fig. 16) der Kathode
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ist. Dieses Elektron wird längs des Radius A C der Kathode --128-- beschleunigt. Die Zerstreuungslinse an der Öffnung --122--, die durch den Anodenkonus gebildet wird, bricht das Elektron von der Konusachse weg, so dass es den Konus längs der Linie B D verlässt. D gibt die Richtung des Elektronenweges am Ausgang --124-- des Konus und A B die Richtung am Anfang des Elektronenweges wieder. Es ist noch eine weitere Elektronenlinse, u. zw. zwischen dem schmalen Ende --124-- des Konus vorhanden, durch welche die Elektronen einer weiteren Brechung unterliegen.

Wenn jedoch Ionen in genügender Menge vorhanden sind, ist die Kraft dieser zweiten Linse um einen Faktor in der Grössenordnung von 2/3 gegenüber ihrer Kraft, wenn nur Elektronen allein vorhanden sind, verringert. Es ist vorteilhaft, bei der Berechnung der zweiten Linse bei --124-- zu beachten, dass die erste Linse bei-122-- eine etwas grössere Kraft hat, so dass, wenn die erste Linse bei-122-- eine Brennweite zum Kathodenradius in der Form hat, dass
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(ein Wert, der in praktischen Anordnungen untersucht wurde), eine gute Annäherung durch die Annahme erreicht wird, dass
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Dadurch wird die Berechnung vereinfacht und die Annäherung ist genügend. Diese Werte sind für X gleich 0, 7, aber auch Werte in dem Bereich von À = 0, 6 bis 0, 8 können verwendet werden.

Die Brennweite für die Zerstreuungslinse bei --122-- ist in angenäherter Form durch die folgende vereinfachte Formel wiedergegeben :
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Auch diese Formel ist wieder vereinfacht, aber sie ist für die meisten Zwecke genau genug. In praktisch ausgeführten, früher beschriebenen Anordnungen, für welche f 1 : rc 1 = 0, 83 und f 1 : rc 1 = = 0, 81 war, waren die andern Werte der Formel (13) rc = 29, 7 mm, ra-13, 5 mm, rc 1 = ra 1 = 2, 2

und b daher
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In der Kugel zwischen der Kathode-128- (oder Dynode) und der Anode --10la-- gebildete Ionen oszillieren nicht, sondern führen nur einen einzigen Weg zu der Kathode aus.

Folglich kann die Entladung betrachtet werden, als wäre sie ein reiner Elektronenstrom. Dieser Strom ist durch die folgende Gleichung gegeben :
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in dem ausgeführten Beispiel ist. Infolge der durch die Linse bei --122-- erzeugten Streuung wird die Stromdichte in der Hauptebene (bei der Öffnung --122--) der Linse vergrössert. Die Vergrösserung der Stromdichte wird durch folgende Formel beschrieben :
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in welcher C den Eintrittswinkel, 6 den Austrittswinkel der Linsenelemente, wie dies in Fig. 28 gezeigt
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J--118--, von der sie reflektiert werden, so dass die Elektronen tatsächlich den Brennpunkt bei dem Punkt --104-- nicht erreichen.

Bei der Abwesenheit von Ionen kann die Lage dieser virtuellen Kathode durch die folgende Formel berechnet werden :
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Eines der Probleme bei der Planung besteht darin, zu verhindern, dass von der virtuellen Kathode zurückkehrende Elektronen die innere Oberfläche der Anode --101-- (die Spitzen der Anodenkonusse) streifen. Dies wird üblicherweise dadurch erreicht, dass der Radius der Kathoden --128-- derart gewählt wird, dass beim genauen Abstand der Anode --101a-- von der Kathode der Weg eines äusseren Elektrons die Achse des Konus --121-- beim Punkte E (Fig. 16) schneidet, welcher dicht bei dem Mittelpunkt --104-- und zwischen dem Anodenkonus --121-- und dem Mittelpunkt --104--liegt.

Nachdem das äussere Elektron durch die virtuelle Kathode --118-- am Punkte F reflektiert wurde, wandert es zurück in die Anodenöffnung längs der Linie G F, welche die Achse in dem Punkt G auf der entgegengesetzten Seite des Mittelpunktes-104-vom Punkt E und in einem Abstand E-104, der gleich ist 104-G, schneidet. Wenn das zurückkehrende Elektron die Hauptebene an dem Punkt K erreicht, wird es wieder durch die Linse von der Achse weggebrochen und wandert längs eines Weges K L. Der Elektronenweg K L verläuft nicht ganz genau längs eines Radius, es besteht eine kleine, nicht radiale, gegen die Achse des Konus gerichtete Geschwindigkeitskomponente. Das Elektron wird von der Kathode

reflektiert, hält jedoch die nicht radiale Geschwindigkeitskomponente.

Die aufeinanderfolgenden Durch- gänge des Elektrons nähern sich fortlaufend der Konusachse. Das Elektron erhält dabei immer einen zu- sätzlichen kleinen Betrag einer nicht radialen Geschwindigkeit bei jedem Durchgang, so lange, bis der
Elektronenweg die Achse schneidet. Nachdem der Weg die andere Seite der Achse erreicht hat, ver- mindern die aufeinanderfolgenden Durchgänge die nicht radiale Geschwindigkeitskomponente anstatt sie zu erhöhen, und wenn der Elektronenweg die Kante der Kathode --128-- erreicht, die dem Ur- sprungspunkt gegenüberliegt, ist keine radiale Geschwindigkeitskomponente mehr vorhanden, und das Elektron verhält sich gerade so, als ob es von dieser Seite aus ausgegangen wäre.

Folglich, wenn b1 1 et- was kleiner als der Abstand der Hauptebene der Linse vom Mittelpunkt --104-- der Röhre gemacht wird, kann kein Elektron die Anode streifen und diese sind stets zur Konusachse hin reflektiert.

In Fig. 16 sind die Winkel zwischen einfallenden und reflektierten Strahlen zwecks besserer Über- sicht stark übertrieben wiedergegeben. Diese Winkel sind in der Praxis schmal und nur so breit, dass sie die grösste, nicht radiale Komponente, die bei der anfänglichen Geschwindigkeitsstreuung der emittier- ten Elektronen anwesend ist, einschliesst. Wenn diese Winkel übertrieben gross wären, würden die Elektronen anfänglich von der Anode weg gerichtet werden, aber gleichzeitig würden sie dann nicht durch die Sammelelektrode --130-- gesammelt werden, bis sie eventuell am Ende einer transversalen Schwin- gung durch die Anode eingefangen würden. Die Elektronen haben die grösste Möglichkeit, der Anode zu entgehen, wenn der Winkel (BFK in Fig. 16) klein gehalten wird.

In Fig. 16 schneidet der an der Peripherie der Dynode (am Punkt A) startende Elektronenweg die Achse im Punkt E. Die sphärische Aberration jeder Linse ist jedoch derart, dass die Linse ihre grösste Kraft auf die peripheralen Strahlen ausübt. Daher wird jedes am Punkt A der Dynodenoberfläche-128-- in der Nähe der Peripherie, aber von einem Punkt, der vom Punkt A gesehen nach innen liegt, startende Elektron gerade durch den Mittelpunkt - gehen. Elektronen, die an einem Punkt der Dynodenoberfläche --128-- radial innerhalb von A starten, tendieren dazu, die Achse über dem Mittelpunkt --104-- zu schneiden, d. h. nahe dem Punkt G in Fig. 16, aber das tut nichts, da diese Elektronen nicht Gefahr laufen, irgendwie eingefangen zu werden.

Die Anzahl der Elektronen, die der Entladung durch die Sammelelektrode --130-- entzogen werden, hängt von der Spannung dieser Sammelelektrode ab. Diese Anzahl bestimmt den Durchschnitt der Wege, die ein Elektron absolviert, weil, je grösser die Möglichkeit des Einfangens eines Elektrons ist, um so kürzer die Zeit ist, die das Elektron zu der Entladung beiträgt. Daher ermöglicht die Änderung der Spannung der Sammelelektrode ein Mittel zur Steuerung der Anzahl der Elektronenwege.

Wenn Ionen zusammen mit den Elektronen vorhanden sind, hat die Formel für den Elektronenstrom die gleiche Form wie Fig. 2. Es ist nur etc 2 durch j ersetzt, wie dies in dem vorhergehenden Abschnitt "Teilchenflug'in einem kugelsymmetrischen Feld" ausgeführt wurde. Wir haben dann
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Werte von j sind für den entsprechenden Bereich berechnet worden und sind in der vorher aufgeführten Tabelle eingeschlossen.

In Gleichung (17) ist der Strom der zirkulierende Strom durch die Anode-lOla--. Da dieser Strom zu beiden Seiten der Anode gleich ist, kann die Formel (17), nach Va aufgelöst, zur Bestimmung der Potentialverteilung benutzt werden.

Diese Berechnungen sind gute Annäherungen, da sie auf koaxialzylindrischen Formen an Stelle von konischen Formen basieren, so dass es nötig sein kann, kleine Abänderungen in den Abmessungen eines endgültigen Aufbaues vorzunehmen, der vorbestimmte Betriebseigenschaften aufweisen soll. Die Methode, die eben zur Berechnung der Abmessungen der Linsenteile der Fig. 16 benutzt wurde, kann selbstverständlich auch für die Berechnung der Abmessungen des Linsensystems der Fig. 16 angewendet werden.

In Fig. 17 enthält die Anode zwei konische Teile --121 und 125--, welche an verschiedene Spannungen gelegt sind, wie dies bereits im Zusammenhang mit der Fig. 14 ausgeführt wurde. Dies ergibt eine andere, zusätzliche optische Linse im Punkt E, die durch die unmittelbare Gegenüberstellung der beiden Teile --121 und 125-- gebildet wird. Durch die Hinzufügung des kleineren Kegelstumpfes --125-- muss zu den oben angegebenen Ableitungen ein weiterer Schritt hinzugefügt werden. Formeln für die Brennweite dieser Anordnung sind nicht unmittelbar den zitierten Veröffentlichungen zu entneh-

men, aber die optischen Eigenschaften ähnlicher Linsen, die durch zwei koaxiale Zylinder gebildet sind, sind in Tabellenform bei Spangenberg auf S. 369 bis 382 zu finden.

Auf dieser Tabelle basierende Berechnungen werden eine brauchbare Annäherung für den vorliegenden Fall ergeben. Die Brennweite
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dieser beiden Spannungen einzuregulieren. Daher genügen bei den mathematischen Berechnungen nur Näherungswerte. Die gleichen oben angegebenen Formeln können auch zur Bestimmung anderer Eigenschaften der Entladung benutzt werden.

So kann z. B. gefragt werden, wie der Elektronenstrom in Anwesenheit von Ionen ist, bei ungeän-
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reinen Vakuumentladung.

Die Formeln ermöglichen es auch, die Lage der äussersten virtuellen Kathode --118-- (Fig. 5) mit dem Radius rc, zu bestimmen. Es ist nicht möglich, die Gleichung (8) mit t- c9 2 direkt zu verwenden, weil die Elektronen in den Raum innerhalb der Anode nicht mit der Geschwindigkeit Null eintreten.

Stattdessen werden die Elektronen, die radial nach aussen von der virtuellen Kathode --118-- zurückkehren, betrachtet, als würden sie diese Rückkehr mit einer Anfangsgeschwindigkeit von Null beginnen. Daher, wenn die Raumladungsformel (8) verwendet wird und für I der vorher gefundene, zirku-
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wir nochmals die von dieser virtuellen Anode nach aussen fliegenden Ionen betrachten, zeigt es sich, dass sie am Radius ra, mit vernachlässigbarer Geschwindigkeit starten und ihre volle, durch die Spannung
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stimmt, wenn der Strom Ip bekannt ist. Dies ist möglich, weil der Wert für den zirkulierenden Elektronenstrom Ie bereits weiter oben gefunden wurde, und die Faktoren Ie und X in der Gleichung (9) Ip bestimmen.

Die gleiche Methode der Berechnung kann nun zur Bestimmung der Radien der aufeinanderfolgenden virtuellen Kathoden und Anoden wiederholt werden. Die Anzahl derartiger Kathoden und Anoden ist begrenzt, wie bereits früher ausgeführt wurde. Diese Berechnungsbeispiele genügen, um zu zeigen, dass das Verhalten der Entladung in der Röhre vollständig vorhergesagt werden kann. Die oben gezeigten mathematischen Ausführungen ermöglichen es dem Fachmann, sowohl derartige Anordnungen zu entwerfen als auch ihre Arbeitsweise zu verstehen.

Es wird nun augenscheinlich, dass die Parameter der Anordnung geändert werden können, um die Lage des Punktes --104-- zu ändern. Die Parameter aller zwölf Elektronenkanonen sind so entworfen und gewählt, dass nur ein einziger gemeinsamer Punkt als die innerste virtuelle Kathode erhalten wird.

Während andere Elektronenkanonenaufbauten zur Erreichung dieses Endresultates möglich sind, sind die

bereits beschriebenen ein Beispiel ebenso wie die nun folgende.

Wie ausgeführt, ist X das Verhältnis der zirkulierenden Ströme Ip : Ie. Dieser Wert ist korrigiert, um den verschiedenen Massen Rechnung zu tragen. Die Anzahl der Ionen oder in andern Worten der Gasdruck wirkt auf den Wert von X ein. Die Kraft der Linse an der Öffnung --124-- wird teilweise durch X bestimmt, so dass die Steuerung des Gasdruckes zur Fixierung des Brennpunktes dieser Linsen benutzt werden kann.

Berechnungen und Versuche haben gezeigt, dass sich der Wert von À der Einheit nähert ; die Linse bei --124-- neigt zu verschwinden, wodurch der Punkt --104-- in Richtung zu dem Punkt E (Fig. 16) bewegt wird. Auf diese Art und Weise kann die Änderung des Gasdruckes zur genauen Festlegung der Lage des Punktes --104-- benutzt werden.

Die andere Variable zur Festlegung der Lage des Punktes --104-- ist die Lage der Kathode --128-längs der Achse G, E, C (Fig. 16) näher zu oder weiter weg von dem Anodenkonus --121--. Ein Ausführungsbeispiel dafür ist in der Fig. 18, in der gleiche Bezugszeichen und Symbole gleiche Gegenstände bezeichnen, aufgezeigt. In dieser Figur ist die Kathode --128-- näher zum Anodenkonus --121-- verschoben. Die gestrichelte Linie zeigt die Lage der Kathode --128-- bei der Anordnung der Fig. 16. Dadurch werden die Gradienten in dem Raum zwischen Kathode-128-und --128-- und Anode --121-- geändert, die ihrerseits eine Linsenwirkung im Anodenraum hervorrufen.

Wie bereits dargetan, variiert der zirkulierende Elektronenstrom Ie als eine Funktion von u, gemäss der Gleichung
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Wenn die Kathode --128-- näher an die Anode gebracht wird, wächst Ie an, wodurch eine Änderung des Wertes von ja 2 erfolgt und eine vergrösserte Länge für den Radius rC2 darstellt, während ra, konstant ist. Die virtuelle Kathode --118-- hat nun einen neuen Radius rcs, wodurch eine andere Kathode --118a-- von etwas grösserem Durchmesser erzeugt wird.

Diese neue virtuelle Kathode --118a-- hat das Potential Null und wirkt wie ein Spiegel. Ein Elektron von der Kathode, welches längs des gebrochenen Pfeiles e wandert, würde die Achse im Punkt - schneiden, ausgenommen, dass die virtuelle Kathode --118a-- das Elektron längs des durch den Pfeil ez wiedergegebenen Weg reflektiert. Dieser letztere Pfeil geht durch den genauen Mittelpunkt --104--. Auf Grund des grösseren Radius rC3 wird der reflektierte Winkel nach innen gehen, und somit wird das Elektron nicht durch die Anode --10la-- (oder den Konus --121--) eingefangen werden.

Die virtuelle Kathode --118a-- wirkt daher wie eine Linse am Punkt --24-- der Fig. 18 durch Festlegung des Mittelpunktes --104--. Die Wirkung des Annäherns der Kathode --128-- zu der Anode - kann auch als Vergrösserung des totalen Strahles in den peripheralen Bereichen betrachtet werden, wodurch eine virtuelle Kathode --118a-- von grösserem Radius rc (Fig. 18) hervorgerufen wird. Es wird nun augenscheinlich, dass die Betrachtungen des entgegengesetzten Falles (Entfernen der Kathode
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der inneren Linse (bei-124--) sich ändert.

Mit dem Gegenstand"Teilchenflug in kugelsymmetrischen Feldern" ist die Wirkung verbunden, die die Hochfrequenzspannung der Quelle --120-- (Fig. 1) auf die Existenz und den Ort der virtuellen Kathoden und Anoden hat. Während diese Spannung zur Bündelung dient, wie bereits ausgeführt, ist sie auch für die Erzeugung zusätzlicher virtueller Kathoden und Anoden verantwortlich, deren Lage nicht mit derjenigen übereinstimmt, die nur durch die Gleichstromspannung erzeugt wird. Es ist daher nötig, die Amplitude und in manchen Fällen die Frequenz dieser Hochfrequenzspannung zu ändern, bis diese virtuellen Elektroden räumlich übereinstimmen. Diese Übereinstimmung kann sichtbar beobachtet werden als eine stetige Glimmentladung in dem Anodenhohlraum.

Wenn keine Übereinstimmung herrscht, wird eine unstabile Entladung erzeugt, deren Grösse und Intensität sich stetig stark ändert. Diese Unstabilität beruht darauf, dass sich die virtuellen Elektroden periodisch bewegen. Dieses Phänomen trägt zu der Tatsache bei, dass der Wert von J1. sich ändert, wenn die Spannungsamplitude geändert wird. Da, wie bereits ausgeführt, ja eine Funktion des natürlichen Logarithmus ra2 : re2 ist, ist es klar, dass die Änderung der Amplitude' (und Frequenz, wenn nötig) Mittel zur Stabilisierung des Betriebes der Röhre an die Hand gibt. Die vorhergehenden Erörterungen der Elektronenoptiken stellen die Tatsache klar heraus, dass der Linsenaufbau in grossem Masse von der Existenz und der Grösse der Raumladung im Anodenraum abhängt.

Bei einem praktischen Ausführungsbeispiel der Erfindung wird die Raumladung nicht

augenblicklich im Moment des Anschaltens gebildet, sondern erfordert eine kurze Zeit, so dass die
Elektronenoptiken sich während dieser Bildungszeit ändern. Als Folge davon wurde gefunden, dass die
Anode für einen kurzen Augenblick einen übermässigen Strom zieht, aber unmittelbar folgend fällt der
Strom auf seinen normalen niederen Wert, den er beim normalen Betrieb hat, ab.

Abgeändertes Ausführungsbeispiel der Sammelelektrode.

In den Fig. 19 und 20 ist ein anderes Ausführungsbeispiel für die Sammelelektrode-130-- der Fig. 8 wiedergegeben, die aus rohrförmigen Teilen --187-- besteht, die unmittelbar die einzelnen Dynoden - umgeben. Diese rohrförmigen Elemente --187-- werden konzentrisch durch die entsprechen- den Dynoden --127-- mit Hilfe der Isolationsringe --188-- gehalten, die in ringförmige Vertiefungen in der Peripherie der Dynoden --127-- passen. Das innere Ende oder Spitze --190-- jeden Elementes - verjüngt sich beginnend am Umfang der gekrümmten Kathodenoberfläche --128-- in wesent- lich radialer Richtung, so dass diese Verjüngung mit der Verjüngung des Anodenkonus, wie dies aus den
Fig. 16 und 17 hervorgeht, übereinstimmt.

Diese Elemente --187-- können aus Aluminium oder rost- freiem Stahl bestehen, sie sind vorzugsweise goldplattiert, um die Sekundäremission zu verhindern. An jeder Dynode --127-- ist eine Anzahl U-förmig geformter Drähte --191--, bestehend aus goldplattier- tem Molybdän oder Wolfram, befestigt, die sich vom Umfang der gekrümmten Oberfläche radial nach innen erstrecken. Am Umfang der U-förmig geformten Drähte ist eine Anzahl ringförmiger Drähte --19la-- vorgesehen, die axial voneinander entfernt angeordnet und mit den U-förmig geformten Drähten leitend verbunden sind. Diese U-förmig geformten Drähte --191-- erstrecken sich parallel zu der Spitze --190-- und haben im wesentlichen die gleiche Ausdehnung wie diese.

Die U-förmigen Drähte sind elektrisch mit den entsprechenden Dynoden verbunden und haben das gleiche Potential wie diese. Dieser Ring von U-förmigen und ringförmigen Drähten kann als Gitter, welches elektronendurchlässig ist, betrachtet werden.

Im Mittelteil jeder Dynode ist eine relativ tiefe, koaxiale Vertiefung oder Bohrung --192-- vor- handen, die einem Zweck dient, der später näher erläutert werden soll.

Diese Vereinigung von Dynode --127-- und Sammelelektrode --187-- kann an Stelle der Vereini- gung von Dynode --127-- und Sammelelektrode --130-- der Fig. 8 verwendet werden. Die andern Teile der Gesamtanordnung bleiben dieselben.

Einer der Zwecke dieser abgeänderten Sammelelektrode --187-- besteht darin, den durch die Anode - lOla- (Fig. 8) gesammelten Strom zu reduzieren. Beim Betrieb der Anordnung erzeugen Primärelektronen der sich zwischen den Dynoden erstreckenden Hauptstrahlen beim Treffen der Sammelelektrode --130, 187-- Sekundäremission in einem Verhältnis, das grösser als 1 ist. Die derart emittierten Sekundärelektronen haben eine genügend grosse Anfangsgeschwindigkeit, um das Anziehungsfeld der Sammelelektrode zu überwinden. Sie werden daher von der Anode --101a-- angezogen und von dieser gesammelt, was einen unerwünscht hohen Anodenstrom zur Folge hat.

Um diesen übermässigen Anodenstrom auf Grund der Sekundäremission der Sammelelektrode zu vermeiden, dient das ringförmige, aus dem Ring von U-förmigen Drähten --191-- und den ringförmigen Drähten --191a-- gebildete Gitter als Bremsgitter, durch welches alle durch die Spitzen --190-- emittierten Sekundärelektronen auf diese Spitzen zurückgeworfen und von diesen gesammelt werden. Die Sekundärelektronen werden dadurch daran gehindert, zu der Anode --10la-- zu fliegen. Selbst wenn der Sekundäremissionsfaktor der Sammelelektrode --190-- die Einheit übersteigt, dient das durch das
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kundärelektronen zu der Sammelelektrode gezogen.

Die Sammelelektrode --187-- mit ihrer Spitze --190-- dient anderseits dazu, den Anodenstrom zu verringern. Wie aus Fig. 14 hervorgeht, liegt eine Hochspannungsquelle zwischen der Anode --101a-- und der Kathode --100a--. Die Elektronen der zwischen den diametral angeordneten Dynodenoberflächen gebildeten Strahlen haben Schwingungsperioden und Übertragungszeiten, die direkt von der Frequenz dieser Hochspannung abhängen. Elektronen, die die Dynode zu einem Augenblick verlassen, entziehen dem durch die Hochspannung errichteten Feld Energie und die andern, die zu einem andern Augenblick starten, geben an dieses Feld Energie ab. Im ersten Fall sind die Elektronen mit der angelegten Spannung in Phase, während im letzteren Fall sie ausser Phase sind.

Die' Elektronen oszillieren zwischen den diametral entgegengesetzt angeordneten Dynodenoberflächen --128-- mit annähernd der gleichen Frequenz, mit der die Hochfrequenz die Elektronen beschleunigt und machen einen Weg zwischen den Dynoden in weniger als einer halben Periode der Hochfrequenz. Die Tatsache, dass die Elektronen auf diese Art beschleunigt sind, stellt sicher, dass sie die Dy-

nodenoberfläche --128-- treffen. Die Elektronen legen den Rückweg in etwas weniger als einer halben
Periode zurück. Das führt dazu, dass die schnellsten Elektronen sehr rasch ausserhalb der Phase der Hoch- frequenz kommen.

Dieser Prozess ergibt, dass die Elektronen von der Vervielfacherphase in die entgegengesetzte Phase kommen, in der ein Elektron durch die Hochfrequenz viel eher verlangsamt als beschleunigt wird. Elek- tronen in dieser Phase treffen die Dynoden nicht, fahren jedoch fort, zwischen diesen zu oszillieren und
Energie an den äusseren Stromkreis abzugeben, wenn sie durch die Hochfrequenz erniedrigt werden.

Dieses Phänomen ist wohl bekannt durch eine besondere Art von Elektronen-Vervielfachern.

Die in Phase befindlichen Elektronen haben eine Schwingungsweite, die grösser ist als der Abstand zwischen zwei sich gegenüberliegenden Dynodenoberflächen --128--, so dass die Elektronen die Ober- flächen mit genügender Kraft treffen, um Sekundärelektronen mit einem Verhältnis grösser als 1 auszu- lösen und dadurch Elektronenvervielfacher zu erzeugen. Die ausser Phase befindlichen Elektronen je- doch werden verlangsamt und werden die Dynodenoberflächen nicht mehr ganz erreichen.

Die verlangsamten Elektronen treffen die Dynodenoberflächen --128-- nicht, aber sie führen die
Schwingungen zwischen diesen fort, wodurch eine Anzahl virtueller Kathoden gebildet wird, wie dies durch die gestrichelten Linien --193 bzw. 194--, benachbart zu den Dynodenoberflächen, dargestellt ist. Die virtuelle Kathode --193-- wird dadurch erzeugt, dass eine Gruppe von verlangsamten Elektro- nen bei ihren Schwingungen einen Weg zurücklegt, der etwas kleiner als der Durchmesser zwischen zwei gegenüberliegenden Dynodenoberflächen ist, diese Kathode wirkt dadurch als Elektronenspiegel. Die zweite oder innere virtuelle Kathode --194-- wird in ähnlicher Weise durch eine zweite Gruppe von verlangsamten Elektronen, die bei ihrer Schwingung einen noch kürzeren Weg zurücklegen, erzeugt.

Wie aus Fig. 19 hervorgeht, reicht die Spitze --190-- über die beiden virtuellen Kathoden --193 und 194-hinaus. Der Grund hiefür soll später dargetan werden.

Mit fortschreitendem Betrieb wird die Elektronenvervielfachung fortgesetzt und die Elektronen schwingen nacheinander in Phase und ausser Phase mit der angelegten Hochfrequenzspannung.

Wenn die Elektronen der äusseren Grenze des Strahls-157 und 158-- (Fig. 8) Wegen folgen, welche gerade ausserhalb des Umfanges der Dynodenoberfläche --128-- fallen und weiterhin eine Schwingungsenergie besitzen, die ausreicht, um hinter die Oberfläche --128-- gegen die Sammelelektrode - 130- (Fig. 8) zu schwingen, wird das durch die Sammelelektrode errichtete Feld stark genug sein, um diese Elektronen zur Sammelelektrode zu ziehen. Für Elektronen mit kleinerer Schwingungsweise im selben Grenzbereich wird jedoch das Feld der Anode-lOla-- grösser sein als das Feld der Sammelelektrode --130--, wodurch diese Elektronen in die Anode zurückfallen.

Im Zusammenhang mit der Anordnung der Sammelelektrode der Fig. 19 sei bemerkt, dass die Spitze --190-- dieser Sammelelektrode sich über die Dynodenoberflächen-128-hinaus erstreckt. Die ausser Phase befindlichen oder verlangsamten Elektronen im Streubereich des Hauptstrahl werden nunmehr durch die Spitzen --190-- gesammelt, da dieses Sammelfeld weiter gegen die Anode --101-und über die virtuellen Kathoden --193 und 194-- vordringt, so dass für diejenigen Elektronen in den
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Wie bereits früher im Abschnitt"Linsenberechnung"im Zusammenhang mit der Fig. 16 ausgeführt, ergeben die aufeinanderfolgenden Durchgänge zwischen den Dynoden --127 -- eines anfänglich von der äusseren Kante einer Dynodenoberfläche emittierten Elektrons, dass sich das Elektron allmählich der Konus-oder Dynodenachse nähert und dann zur entgegengesetzten Seite der Dynodenoberfläche fortschreitet. Dies beruht auf der Tatsache, dass das Elektron einen kleinen Betrag an Quer- oder nicht radialer Geschwindigkeit besitzt. Es ist wünschenswert, die Anzahl der Elektronen, die sich über den Dynodenumfang hinaus bewegen können, zu reduzieren, um den Strom zur Anode --10la-- zu verringern.

Dies wird bei den Dynoden der Fig. 19 und 20 durch eine tiefe Bohrung --192-- in den Dynodenoberflächen - erreicht. Wenn ein Elektron von einem radialen äusseren Bereich der Oberfläche --128-- gegen den Mittelpunkt dieser Oberfläche wandert, wird es eventuell den Mittelbereich erreichen und in die 30hrung --192-- fallen. Da innerhalb dieser Bohrung das Potential das gleiche wie das der Dynode selbst Ist, werden die Elektronen, die in die Bohrung eindringen, durch diese gefangen und können sie nicht mehr verlassen. Auf diese Art und Weise sind die gefangenen Elektronen wirksam davon abgehal- : en, von einer Kante der Dynodenoberfläche zu der andern Kante zu wandern.

Der Vorteil, der durch lieses Einfangen von Elektronen erzielt wird, besteht in der Verminderung solcher Elektronen, die dem Hauptstrahl entweichen und dann durch die Anode --10la-- gesammelt werden.

Praktisch wurde gefunden, dass die Bohrung --192-- die Gleichmässigkeit der Stromverteilung über die Dynode verbessert.

Zusammenfassung
Die Werte für die Brennweiten zeigen, dass die Abmessungen für die Elektronenlinsen berechnet werden können. Die Anoden- und die Kathodenanordnung bilden einen Teil dieser Linsen. Ebenso kann, wie bereits in dem Kapitel "Einfangen und Wiedervereinigen" ausgeführt ist, die Gasdichte berechnet und so gewählt werden, dass die gewünschten Betriebsbedingungen und Eigenschaften erzielt werden.

In der folgenden Tabelle sind typische Abmessungen der zuletzt beschriebenen Anordnung wiedergegeben. Es sei bemerkt, dass diese Abmessungen nur als Beispiel und nicht als Begrenzung dienen. Die Tabelle sollte im Zusammenhang mit Fig. 15 betrachtet werden, die die Linsenkonfiguration, die be- reits im Zusammenhang mit Fig. 17 beschrieben wurde, zeigt. Für gleiche Teile sind die gleichen Bezugszeichen verwendet.
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Bezugszeichen <SEP> Abmessungen
<tb> 159 <SEP> 46, <SEP> 2 <SEP> mm
<tb> 160 <SEP> 40, <SEP> 6 <SEP> mm
<tb> 161 <SEP> 40, <SEP> 3 <SEP> mm
<tb> 162 <SEP> 38, <SEP> l <SEP> mm <SEP>
<tb> 163 <SEP> 31, <SEP> 7 <SEP> mm
<tb> 164 <SEP> 5, <SEP> 7 <SEP> mm
<tb> 165 <SEP> 1, <SEP> 53 <SEP> mm <SEP>
<tb> 166 <SEP> 9, <SEP> 28 <SEP> mm <SEP>
<tb> 167 <SEP> 17, <SEP> 52 <SEP> mm
<tb> 168 <SEP> 22, <SEP> 75 <SEP> mm
<tb> Hülle <SEP> 100 <SEP> 1, <SEP> 53 <SEP> mm <SEP> Dicke
<tb> 169 <SEP> 3, <SEP> 99 <SEP> mm
<tb> 170 <SEP> 2, <SEP> mm
<tb> 171 <SEP> 8, <SEP> 32 <SEP> mm
<tb> 172 <SEP> 300
<tb> 173 <SEP> 63, <SEP> 5 <SEP> mm <SEP> Radius
<tb> 174 <SEP> 56, <SEP> 5 <SEP> mm <SEP> Radius
<tb> 175 <SEP> 5, <SEP> 40 <SEP> mm <SEP> Radius
<tb> 176 <SEP> 30, <SEP> 6 <SEP> mm <SEP> Radius
<tb> 177 <SEP> 11, <SEP> 11 <SEP> mm <SEP> Radius
<tb> 178 <SEP> 6,

<SEP> 35 <SEP> mm <SEP> Radius
<tb> 179 <SEP> 7, <SEP> 94 <SEP> mm <SEP> Radius
<tb> 180 <SEP> 3, <SEP> 17 <SEP> mm <SEP> Radius
<tb> 181 <SEP> 610
<tb> 182 <SEP> 630 <SEP> 26. <SEP> 1' <SEP>
<tb> 183 <SEP> 1. <SEP> 39 <SEP> mm <SEP>
<tb> 184 <SEP> 870 <SEP> um <SEP> den <SEP> Mittelpunkt <SEP> M'
<tb> 185 <SEP> 29, <SEP> 7 <SEP> mm <SEP> Radius <SEP> um <SEP> den
<tb> Mittelpunkt <SEP> M'
<tb> 186 <SEP> 55, <SEP> 50
<tb> Geeignete <SEP> Materialien
<tb> Dynode <SEP> 127,128 <SEP> Beryllium-Kupfer
<tb> Anode <SEP> 101a, <SEP> 125 <SEP> Rostfreier <SEP> Stahl <SEP> (geringer
<tb> Betrag <SEP> an <SEP> Bor)
<tb> Kathodenhülse <SEP> 100a <SEP> Rostfreier <SEP> Stahl <SEP> (geringer
<tb> Betrag <SEP> an <SEP> Bor)

<tb>

EMI21.1

<tb>
<tb> Sammelelektrode <SEP> 130 <SEP> Rostfreier <SEP> Stahl
<tb> Isolationshülsen <SEP> 132 <SEP> Bornitrid
<tb> Sonden <SEP> 135 <SEP> und <SEP> 135a <SEP> Saphir <SEP> oder <SEP> Bornitrid
<tb> Benutztes <SEP> Gas <SEP> Tritium <SEP> und <SEP> Deuterium <SEP> in
<tb> gleichen <SEP> Teilen
<tb> Druck <SEP> des <SEP> neutralen <SEP> Gases <SEP> 2 <SEP> x <SEP> 109 <SEP> bis <SEP> 2 <SEP> x <SEP> 1010 <SEP> Atome <SEP>
<tb> pro <SEP> cm <SEP> bei <SEP> 0 C <SEP>
<tb> Gastemperatur <SEP> Raumtemperatur
<tb> Spannung <SEP> der <SEP> Anode <SEP> 101a <SEP> 160 <SEP> kV
<tb> Spannung <SEP> des <SEP> Anoden- <SEP> 50 <SEP> bis <SEP> 750/0 <SEP> der <SEP> Spannung
<tb> elementes <SEP> 125 <SEP> der <SEP> Anode <SEP> 101a
<tb> Hochfrequenzspannung <SEP> 0 <SEP> bis <SEP> 150 <SEP> V <SEP> variabel <SEP> von
<tb> 106 <SEP> bis

Claims

PATENTANSPRUCH : Elektrisches Entladungsgefäss, in welchem Ionen durch einen gemeinsamen Punkt in einem feldfreien Raum mit einer für Kernreaktionen ausreichenden Geschwindigkeit oszillieren, wobei eine elektronendurchlässige Anode und eine elektronenaussendende, ausserhalb der Anode befindliche Kathode vorgesehen ist und ein elektrostatisches Feld zwischen Kathode, Steuergitter und Anode aufgebaut wird, durch welches die Elektronen an einem zentralen Punkt innerhalb des durch die erwähnte Anode geschaffenen feldfreien Raumes fokussiert werden, wodurch sich eine virtuelle Kathode in diesem Punkt bildet und Ionen oder Gasatome, die durch Kollision mit Elektronen zu Ionen umgewandelt werden, in den feld freien Raum eingeführt werden und durch die virtuelle Kathode schwingen, nach Patent Nr.

237135, dadurch gekennzeichnet, dass kugelsegmentförmige Kathoden (128) ausserhalb der kugelförmigen Anode (lOla) in einem bestimmten Abstand angeordnet sind und die für den Ionen- und Elektronendurchtritt dienenden Öffnungen (122) der Anode in Form und Lage den Kathoden (128) entsprechen und aussen Ionen mit gleichförmiger Geschwindigkeit in Richtung virtueller Kathode (118 bzw. 119) abgebende Ionenkanonen (106) vorgesehen sind, wodurch sich mehrere virtuelle Elektroden (119, N, 180) bilden und somit der Bereich, in welchem Ionen konzentriert werden, kleiner gehalten wird, so dass eine Wechselwirkung der Ionen und Elektronen im Gebiet der virtuellen Kathode (118 bzw. 119) entsteht und eine gesteuerte nukleare Reaktion erfolgt.