CH282861A - Einrichtung zur Erzeugung eines Elektronenstrahls. - Google Patents
Einrichtung zur Erzeugung eines Elektronenstrahls.Info
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Description
Einrichtung zur Erzeugung eines Elektronenstrahls. Die Erfindung bezieht sich auf eine Ein richtung zur Erzeugung eines Elektronen strahls (Elektronenkanone), die dadurch ge kennzeichnet ist, dass die emittierende Hohl- fläehe einer Kathode, deren Krümmung vom Zentrum zum Rande zunimmt, gegenüber einer Zusatzelektrode angeordnet ist, die einen konvergierenden Durchlass besitzt, wo bei die Zusatzelektrode gegenüber der Ka thode auf einer positiven Gleichvorspannung gehalten ist, so dass durch die emittierende Hohlfläche der Kathode freigesetzte Elek tronen durch den Durehlass hindurchgehen und einen Strahl mit einer Quersehnittsfläehe bilden, die erheblich kleiner als der Flächen inhalt der emittierenden Hohlfläehe ist. Die Elektronenkanone kann überall ver wendet werden, wo ein wohldefinierter Elektronenstrahl hoher Intensität erwünscht ist. Einige Beispiele hierzu werden später ge geben, darunter auch die Anwendung der Elektronenkanone in einer Kraftverstärker- röhre. Ausführungsbeispiele der erfindungsge mässen Elektronenkanone sind im folgenden an Hand der beiliegenden Zeichnung näher erläutert. Es zeigen: Fig. <B>1</B> einen Querschnitt der Elektronen kanone, Fig. 2 und<B>3</B> konstruktive Methoden zur Halterung der Kathode und Fig. 4 eine Triode mit einer solchen Elektronenkanone. Die Elektronenkanone besteht aus zwei speziell geformten Elektroden, nämlich aus einer Kathode mit emittierenden -und nicht emittierenden Teilen und einer zudätzlichen Elektrode. Formgebung und relative Lage von Kathode und Zusatzelektrode sind ver antwortlich für die gewünschten Eigenschaf ten der Kanone und diese Informationen sind deshalb in Einzelheiten gegeben in Fig. <B>1.</B> Die Dimensionen in dieser Figur sind nur relativ. Die absolute Grösse der ganzen An ordnung kann verändert werden, ohne die Werte für den Strahlstrom zu verändern, der <B>3</B> dem V 2 -Gesetz folgt. Ebenso ändert sich hierbei nicht die Stromverdiehtung, das ist das Verhältnis der emittierenden Kathoden- oberfläehe zum engsten Strahlenquerschnitt. Ihr Betrag ist in der Grössenordnung von <B>230.</B> Für feste Anodenspannung hingegen verändert sich die Strahlstromdichte im sel ben Masse, wie das System vergrössert wird. Eine praktische Grösse der Elektronenkanone erhält man, wenn man die Dimensionen- zahlen der Fig. <B>1</B> als Millimeter annimmt. In Fig. <B>1</B> ist die emittierende Fläche der Kathode mit<B>1</B> bezeichnet und stellt -eine Hohlfläche dar, deren Krümmung in dssr Mitte am geringsten ist und nach dem Rande hin zunimmt. Genauer ausgedrückt, ist die gezeigte Oberfläche Teil eines Rotationsellip- soids, in dem das Aehsenverhältnis 1,3-1 be trägt, Wie gezeigt, hat diese Hohlfläche eine Tiefe von<B>6,13</B> und einen Durchmesser von <B>18,6,</B> wobei die grosse Ellipsoidachse <B>18,85</B> und die kleine Ellipsoidachse 14,5 ist. Diese Zahlen haben nur relative Bedeutung, wie schon erwähnt. Der nicht emittierende Teil der Kathode besteht aus den nicht emittieren den Flächen 2 und<B>3.</B> Fläche 2 ist die eines Kegels mit dem Öffnungswinkel <B>22,50.</B> Die Fläche<B>3</B> ist eben, senkrecht zur Symmetrie- und Rotationsachse<B>5</B> und erstreekt sich ein wärts nach der positiven Elektrode 4. Die Kathodenteile<B>1</B> und<B>2-3</B> haben immer das gleiche elektrische Potential, jedoch ist es unter Umständen nötig, sie thermiseh zu isolieren, wie später gezeigt wird. Die Elektrode 4 hat eine Tor-Lisoberfläche, deren Radias <B>3</B> Einheiten beträgt, um die sich eine konisehe Oberfräehe mit dem<B>Öff-</B> nungswinkel 4011 tangentiell anschliesst. Diese Elektrode füllt im wesentlichen die Öffnung im nicht emittierenden Kathodenteil<B>3.</B> Elektrode 4 hat ein positives Potential in be- zug auf die Kathode. Mit der oben beschriebenen Form und relativen Lage der Elektroden ist die Elek- tronenstrombegrenzung durch die punktier ten Linien in Fig. <B>1</B> gezeigt. Der Strahl ver- lässt die Kanone als paralleles Bündel und ist "on grosser Intensität. Sein Querschnitt ist ungefähr<B>1/230</B> der emittierenden Kathoden oberfläche. Mit einer Spannung von<B>1000</B> Volt an Elektrode 4 beträgt der Strahlstrom 140 Milliampere. Die hier beschriebene Elektronenkanone hat eine Anzahl von Anwendungen, zum Bei spiel in Klystrons, Wanderwellenröhren und andern Röhren zur Erzeugung und Ver stärkung kurzer Wellen. Der Vorteil ver- gliehen mit bekannten Anordnungen liegt in der hohen Stromdichte und der hohen Strahl- qualität mit parallelen Elektronenbahnen und gleichförmiger Intensitätsverteilung über den Strahlquerschnitt. Eine andere Anwendung für die Elek tronenkanone ist in Fernsehröhren, besonders l'rojektionsröhren. Vorteile hierfür sind:<B>(1)</B> hohe Stromdichte, (2) keine Störung der emittierenden Fläche durch Ionenbeselluss, da Ionen, die in das System eintreten, durch die Elektrode 4 auf einen kleinen Fleck in der Mitte der Kathode fokussiert werden, wäh rend die Elektronen von der gesamten emit tierenden Fläche kommen, und<B>(3)</B> der Brennpunkt der Elektronen liegt fest im Raum und deshalb ändert sieh der Brenn punkt auf dem Schirm nicht, wenn der Elek tronenstrom in seiner Intensität moduliert wird durch Anwendung einer Modulations- spannung an Elektrode 4. In bekannten Systemen beeinflusst das Steuern der Strom stärke den Brennfleek. Diese Schwierigkeit wird vermieden durch Verwendung der be schriebenen Elektronenkanone in Fernseh röhren. Weitere Beispiele der Verwendung der Elektronenkanone sind in Röntgenröhren für äusserst kurzzeitige -L#lomentphotographie, wo bei für sehr kurze Zeit hohe Ströme ge braucht werden, und in Glühlampen grosser Flächenhelligkeit besonders für Projektions zwecke in Kinos. Im letzteren Falle wird der Strahl auf ein Glühmaterial hohen Schmelz punktes und geringen Dampfdriiekes fokus siert, zum Beispiel Tantalkarbid. Eine andere Anwendung der Elektronen kanone liegt in der Hoehtemperaturbehand- lung von Oberflächen fester Körper. Ein fester Körper, der in den Brennpunkt der Elektronenkanone gebracht wird, kann in sehr kurzer Zeit<B>(10-6</B> Sek.) auf Tempera turen von mehreren tausend Grad erhitzt werden. Eine sehr dünne Lage von Lingefähr <B>0,01</B> min wird geheizt und kühlt dann sehr schnell ab wegen der kleinen Wärme kapazität und der hohen Wärmeleitung ins Innere des festen Körpers. Durch ein konti- nuierliehes Betreiben der Elektronenhanone mit kurzen intensiven Impulsen und durch langsame Bewegung des Werkstückes können auch grosse Oberflächen ten-iperaturbehandelt werden. Diese Temperaturbehandlung kann benutzt werden, um extrem feinkristalline Straktur zu erzeugen durch Schmelzen einer dünnen Lage des Materials an der Ober fläche. Dieser Prozess lässt sieh auch ver wenden zum überziehen eines Materials mit einem andern mit höherem Schmelzpunkt, zum Beispiel Aluminium mit Stahl oder Kupfer mit Wolfram. Das Überzugsmaterial kann auf die Oberfläche gebracht werden durch Galvanisieren, durch Aufdamfung, durch Kathodenzerstäubung oder durch Auf sprühen und wird dann durch den Elek tronenstrom gesehmolzen, wobei Legierungs- bilduno, oder chemische Reaktion mit dem Grundmaterial vermieden wird durch die Schnelligkeit des Prozesses. Der schnelle Ileiztin,Ysvor--an-- mit dem Elektronenstrahl <B>C</B> kn<B>C,</B> kann auch verwendet werden zur Herstellum, von Legierungen von Materialien, die sieh sonst nicht legieren lassen wegen zu hoher Flilehtigkeit einer Komponente. Eine weitere Anwendun- findet die Elektronenkanone in einer neuartigen Kraft- verstärker-Triode, die alle Vorteile einer Pentode hat, die ausserdem frei ist von Gitter strom, selbst bei stark positivem Gitter, die deshalb geringe Energie zum Steuern braucht, die frei ist von sekundärer oder ther mischer Emission an Critter und Anode, und die sieh durch geringe Elektrodenkapazität auszeichnet. Die Einzelheiten einer solchen Röhre er kennt man aus Fig.4. Elektrode 4 dient als Steuerelektrode. Die Kathode ist geerdet. Die Steuerelektrode ist über die Sekundärwick lung des Transformators 20 und über die Vorspannungsquelle 21 und das Potentio- nieter 22 mit Erde verbunden. Das zu ver stärkende Signal wird der Primärwicklung des Transformators 20 zu 'geführt. Die Anode <B>23</B> ist ein geschlossener Hohlkörper mit einem konisehen Ansatz, an dessen Ende sich eine Öffnung 24 befindet. Diese öffnung steht der Öffnung der Elektrode 4 gegenüber und der Elektronenstrom tritt durch sie in das Innere des Anodenhohlraumes.<B>27</B> ist die Vakuum hülle, der Röhre. Sie kann mit der Anode<B>23</B> verschmolzen sein, oder sie kann gross genug sein, -um die Anode ganz zu umhüllen. Die Elektronen treten ungefähr parallel in die Anode ein und streuen dann infolge der Baumladeabstossung. Die Anode wird mittels der Spannungsquelle <B>25</B> auf ein positives Potential gebracht. Die Verbindung erfolgt über die Primärwindung des Ausgangstrans- iormators <B>26.</B> Das verstärkte Ausgangssignal wird aus der Sekundärwicklung dieses Trans formators entnommen. In einem Verstärker dieser Art treffen keine Primärelektronen die Steuerelektrode 4, es sei denn in übersteueTtem Zustand, wenn die Anode negativer als die Kathode wird. Es gibt daher keinen Gitterstrom. Da keine Primärelektronen die Steuerelektrode treffen, werden auch keine sekundären oder thermi- sehen Elektronen ausgelöst. Es lässt sich ein relativ hoher Gitterableitwiderstand verwen den, der die Steuerelektrode schützt und der ein stabiles Arbeiten der Röhre als Oszillator bedingt. Störende Sekundäreinission kann auch an der Anode nicht stattfinden, da die Primär elektronen die Anode von innen treffen, und die ausgelösten Sekundärelektronen ihren Weg durch die kleine öffnung nicht finden können. Da Sekundäremission weder am Gitter noch an der Anode möglieh ist, kann man eine Oxydkathode mit grosser Emission bei geringer Heizleistung ohne Nachteile in der Röhre verwenden. In bekannten Trioden grosser Leistung werden Oxydkathoden nicht verwendet, da das Überdampfen des Oxyds auf Gitter und Anode starke Sekundär- und thermische Emission hervorruft. Obwohl die beschriebene Verstärkerröhre eine Triode ist, so hat sie doch die charakteri stischen Eigenschaften einer Pentode. Der Verstärkungsfaktor und der Innenwiderstand sind beide sehr gross. Dies kommt daher, dass das Anodenfeld nur sehr wenig durchgreift durch die kleine Offnung der Steuerelektrode und dass es daher praktisch keinen Einfluss hat auf den Elektronenstrom. Die Kapazitäten zwischen den Elektroden sind ungefähr 20- bis 50mal kleiner als in bekannten Trioden gleicher Leistung. Wegen der hohen Elektronenstromdichte können die Elektroden klein gehalten werden. Die Anode, die einzige Elektrode, die Leistung vernichten muss, kann hingegen beliebig gross gemacht werden und kann mit Wasser oder Luft ge kühlt werden. Schliesslich lässt sich die Röhre leichter fabrizieren als gewöhnliche Trioden, da sie in der Hauptsache aus rotationssymmetr ischen, einfachen Teilen besteht. In Bezugnahme auf die Konstruktion in Fig. <B>1</B> wurde gezeigt, dass Teil<B>1</B> der Kathode emittiert, während die Teile<B>2-3</B> nicht emittieren. In der praktischen Ausführung sind zwei Wege möglich, die Emission zu ver hindern. Entweder hält man die Kathoden teile<B>2-3</B> kalt durch thermisehe Isolierung vom emittierenden Teil<B>1</B> der Kathode oder man verwendet ein Material hoher Austritts arbeit für die Kathodenteile<B>2-3.</B> Die erste Methode ist vorzuziehen bei grossen Kathoden, da sie Heizenergie spart und zuverlässiger ist, während die zweite Methode sich mehr für kleine Kathoden in Fernsehröhren eignet. Ein einfacher Weg zur Erzielung thermi scher Isolierung und gleichzeitig eines sehr kleinen Abstandes zwischen heissem und kal- tein Teil der Kathode ist in Fig. 2 gezeigt. Es wird Gebrauch gemacht von der thermi- sehen Ausdehnung des emittierenden Teils zur Erzeugung eines Abstandes zwischen den zwei Teilen, die sich im kalten Zustand be rühren. Der emittierende Teil<B>1</B> der Kathode hat auf der Rückseite ein geeignetes elektri- sehes Heizelement und bildet mit ihm eine Einheit. Diese Einheit ruht auf den Armen <B>10</B> und<B>11,</B> die an den Kathodenteilen<B>2-3</B> be festigt sind. Im kalten Zustand berühren sieh Teil<B>1</B> und Teil 2. Wenn Teil<B>1</B> jedoch geheizt wird, vergrössert sich der Abstand zwischen den Punkten, an denen die Arme am Teil<B>1</B> befestigt sind, infolge der thermischen Aus dehnung des Teils<B>1,</B> und der heisse Teil der Kathode<B>1</B> hebt sich vom kalten Teil<B>2-3</B> ab und erzeugt den zur Wärmeisolation nötigen kleinen Abstand. Fig. <B>0'</B> zeigt eine andere Variante des in Fig. 2 verwendeten Prinzips. Der heisse Teil der Kathode wird in diesem Fall von sich kreuzenden Armen 14,<B>15, 16</B> und<B>17</B> ge tragen, die an einer konisehen Fortsetzung<B>18</B> des kalten Teils 2-21 befestigt sind. DaN Arbeitsprinzip ist das gleiche wie in Fig. 2.
Claims (1)
- <B>PATENTANSPRUCH:</B> Einrichtung zur Erzeugung eines Blek- Ironenstrahls, dadurch gekennzeichnet, dass die emittierende Hohlfläehe einer Kathode, Jeren Krümmung vom Zentrum zum Rande zunimmt, gegenüber einer Zusatzelektrode angeordnet ist, die einen konvergierenden Durchlaä besitzt, wobei die Zusatzelektrode gegenüber der Kathode aus einer positiven Gleichvorspannung gehalten ist,so dass dureh die emittierende I-Iohlfläehe der Kathode frei gesetzte Elektronen durch den Durchlass hin durchgehen und einen Strahl mit einer Quer- schnitt,sfläehe bilden, die erheblich kleiner als der Flächeninhalt der emittierenden Hohl- fläehe ist.UNTERANSPRÜCHE: <B>1.</B> Einrichtung nach Patentanspraeh, da durch gekennzeiehnet, dass die Kathode mit einem nicht emittierenden Teil versehen ist, der eine dem Rand der emittierenden Hohl fläche geometriseh entsprechende Kante be sitzt und dicht derselben angeordnet ist, wo bei der nicht emittierende Teil einen Ab- schluss für die emittierende Hohlflüche bildet. 2.Einrichtung nach Unteranspruch<B>1,</B> da durch gekennzeichnet, dass die Zusatzelek trode in einer Öffnung des nicht, emittieren den Kathodenteils angeordnet ist und der Durchlass durch die Zusatzelektrode mit seiner Längssymmetrieaehse, senkrecht zu der emittierenden Hohlfläche stellt und in der von der emittierenden Hohlfläche abgewand ten Richtung konvergiert. <B>3.</B> Einrichtung nach Unteranspruch 2, da durch gekennzeichnet, dass die emittierenden und nicht emittierenden Teile der Kathode auf gleichem elektrischem Potential gehalten sind. 4.Einrichtung nach Unteranspruch<B>3,</B> da durch gekennzeichnet, dass die emittierende Hohlfläche der Kathode Teil eines Rotation,-- ellipsolds bildet, deren Rotationsachse auf der Hohlfläche in deren Zentrum senkrecht steht. <B>5.</B> Einrichtung nach Unteranspruch 4, da durch gekennzeichnet, dass der Durchlass der Zusatzelektrode rotationssymmetriseh zur Ro- tationsaehse der Hohlfläehe ist.<B>6.</B> Einrichtung nach Unteransprueh <B>5,</B> da durch -ekennzeiehnet, dass der Durehlass der Zusatzelektrode am Kathodenende eine tortis- artige Oberfläche und am entgegengesetzten Ende eine konische, Oberfläche hat, welche Oberflächen zwischen den Enden des Durch lasses ineinander übergehen.<B>7.</B> Einrichtung nach Unteranspruch<B>6,</B> da durch gekennzeichnet, dass der nicht emittie rende Teil der Kathode mit einer kegel- stumpfartigen, nicht emittierenden Ober- fläehe versehen ist, deren Achse mit der Rota- tionsaehse der emittierenden Hohlfläche zu sammenfällt und der grössere Umfang der kegelstumpfartigen Oberfläche dem Umfang des Randes der emittierenden Hohlfläche gleich ist.<B>8.</B> Einrichtung nach Unteranspriieh <B>7,</B> da durch gekennzeichnet, dass der nicht emittie rende Kathodenteil eine nicht emittierende ebene Fläche besitzt, die sich am kleineren Ende der kegelstumpfartigen Fläche quer zur Kegelaehse erstreckt, wobei eine Kreisöffnung in der nicht emittierenden ebenen Fläche in bezug auf die Rotationsaehse der Hohlkatho- (lenfläehe zentriert ist.<B>9.</B> Einrichtung nach Unteranspruch<B>8,</B> da durch gekennzeichnet, dass die Zusatzelek trode durch die ebene, nicht emittierende Fläche von einer Stelle innerhalb des Katho denraumes zu einer Stelle ausserhalb desselben reicht. <B>10.</B> Einrichtung nach Unteranspruch<B>9,</B> kennzeichnet durch die folgenden relativen Abmessungen der verschiedenen Elemente:Tiefe der emittierenden Hohlfläehe <B>= 6,15,</B> Maximaldurehmesser der emittierendenHohl- fläehe = <B>18,6,</B> Verhältnis zwischen grosser und kleiner Achse des Rotationsellipsoids <B><U>-</U></B> 1,3.-1, öffnungswinkel der kegelstumpf- artigen Fläche = <B>22,5</B> 11, Höhe der kegel- stumpfartigen Fläche<B>=</B> 4,0, Durchmesser der Kreisöffnung in der ebenen Fläche<B>=</B> 14,0,maximaler äusserer Durchmesser der Zusatz elektrode =12,0, Radius derTorusfläche <B>=3,0,</B> Offnungswinkel der konischen Fläche des Durchlasses=40,00, Abstand der den Rand der emittierenden Hohlfläehe enthaltenden Ebene von der Einlassmündung des Durch lasses = <B>3,15.</B> <B>11.</B> Einrichtung nach Unteranspruch<B>10,</B> dadurch gekennzeichnet,dass der emittierende Teil der Kathode aus einem Material mit ver hältnismässig geringer Austrittsarbeit und der nicht emittieren#de Teil der Kathode aus einem Material mit verhältnismässig hoher Austrittsarbeit besteht und beide Teile auf praktisch gleicher Temperatur sind. 12. Einrichtung nach Unteranspruch <B>10,</B> dadurch gekennzeichnet, dass der nicht emit tierende Kathodenteil thermisch von dem emittierenden Teil isoliert und Mittel zur Heizung des emittierenden Teils vorgesehen sind.<B>13.</B> Einrichtung nach Unteranspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der emittierende Kathodenteil an einem Ansatz des nicht emit tierenden Teils mittels mehrerer paarweise einander gegenüber angeordneter Arme be festigt ist, die symmetrisch und geneigt zur Achse angeordnet sind, wobei die Arme fest an den Enden des emittierenden Teils und des .Ansatzes angeordnet sind und eine solche Länge haben, dass der emittierende Teil in kaltem Zustand mit dem nicht emittierenden Teil in Berührung steht,während bei Hei- zang des emittierenden Teils die Abstände zwischen den Befestigungspunkten der Arme am emittierenden Teil sich ändern und auf diese Weise eine geringe Trennung des emit tierenden vom nicht emittierenden Teil her vorrufen und eine Wärmeleitung zwischen denselben verhindern.
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