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.
Device for generating an electron beam. The invention relates to a device for generating an electron beam (electron gun), which is characterized in that the emitting hollow surface of a cathode, whose curvature increases from the center to the edge, is arranged opposite an additional electrode which has a converging passage owns, where the additional electrode is kept on a positive DC bias voltage compared to the Ka method,
so that electrons released by the emitting hollow surface of the cathode pass through the passage and form a beam with a cross-sectional area which is considerably smaller than the area content of the emitting hollow area.
The electron gun can be used anywhere where a well-defined high-intensity electron beam is desired. Some examples of this will be given later, including the use of the electron gun in a power amplifier tube.
Embodiments of the electron gun according to the invention are explained in more detail below with reference to the accompanying drawings. They show: FIG. 1 a cross section of the electron gun, FIGS. 2 and 3 structural methods for holding the cathode, and FIG. 4 a triode with such an electron gun. The electron gun consists of two specially shaped electrodes, namely a cathode with emitting and non-emitting parts and an additional electrode.
The shape and relative position of the cathode and additional electrode are responsible for the desired properties of the cannon and this information is therefore given in detail in FIG. 1. The dimensions in this figure are only relative. The absolute size of the whole arrangement can be changed without changing the values for the beam current, which <B> 3 </B> follows the V 2 law. Likewise, the current distortion does not change, that is the ratio of the emitting cathode surface to the narrowest beam cross-section.
Their amount is in the order of magnitude of <B> 230. </B> For a fixed anode voltage, however, the beam current density changes to the same extent as the system is enlarged. A practical size of the electron gun is obtained if the dimension numbers in Fig. 1 are assumed to be millimeters.
In FIG. 1, the emitting surface of the cathode is denoted by <B> 1 </B> and represents a hollow surface whose curvature is smallest in the middle and increases towards the edge. To put it more precisely, the surface shown is part of an elliptic of revolution in which the aspect ratio is 1.3-1. As shown, this hollow surface has a depth of 6.13 and a diameter of > 18.6, </B> where the large ellipsoidal axis is <B> 18.85 </B> and the small ellipsoidal axis is 14.5.
These numbers are only of relative importance, as mentioned earlier. The non-emitting part of the cathode consists of the non-emitting surfaces 2 and <B> 3. </B> Surface 2 is that of a cone with an opening angle <B> 22.50. </B> Surface <B> 3 </B> is flat, perpendicular to the symmetry and rotation axis <B> 5 </B> and extends inwardly towards the positive electrode 4. The cathode parts <B> 1 </B> and <B> 2-3 < / B> always have the same electrical potential, but it may be necessary to thermally isolate them, as will be shown later.
The electrode 4 has a gate Lis surface, the radius of which is <B> 3 </B> units, around which a conical surface with the opening angle 4011 is tangentially connected. This electrode essentially fills the opening in the non-emitting cathode part 3. Electrode 4 has a positive potential with respect to the cathode.
With the shape and relative position of the electrodes described above, the electron current limitation is shown by the dotted lines in FIG. 1. The beam leaves the cannon as a parallel bundle and is "on" with great intensity. Its cross-section is approximately <B> 1/230 </B> of the emitting cathode surface. With a voltage of <B> 1000 </B> volts Electrode 4, the beam current is 140 milliamperes.
The electron gun described here has a number of uses, for example in klystrons, traveling wave tubes and other tubes for generating and amplifying short waves. The advantage compared to known arrangements lies in the high current density and the high beam quality with parallel electron paths and uniform intensity distribution over the beam cross-section.
Another application for the electron cannon is in television tubes, especially projection tubes. Advantages of this are: <B> (1) </B> high current density, (2) no disturbance of the emitting surface by ion occupation, since ions entering the system pass through the electrode 4 to a small spot in the center of the cathode are focused, while the electrons come from the entire emitting area, and <B> (3) </B> the focus of the electrons is fixed in space and therefore the focus on the screen does not change when the electron flow its intensity is modulated by applying a modulation voltage to electrode 4.
In known systems, controlling the current affects the focal spot. This difficulty is avoided by using the electron gun be described in television tubes.
Other examples of the use of the electron gun are in X-ray tubes for extremely short-term -L # lomentphotographie, where high currents are needed for a very short time, and in incandescent lamps with large surface brightness, especially for projection purposes in cinemas. In the latter case, the beam is focused on an incandescent material with a high melting point and low vapor pressure, for example tantalum carbide.
Another application of the electron gun is in the high temperature treatment of surfaces of solid bodies. A solid body that is brought into the focus of the electron gun can be heated to temperatures of several thousand degrees in a very short time <B> (10-6 </B> seconds). A very thin layer of about <B> 0.01 </B> min is heated and then cools down very quickly because of the small heat capacity and the high heat conduction inside the solid body.
By continuously operating the electron guns with short, intense impulses and by slowly moving the workpiece, even large surfaces can be treated with temperature. This temperature treatment can be used to produce extremely fine crystalline structure by melting a thin layer of the material on the surface. This process can also be used to coat one material with another with a higher melting point, for example aluminum with steel or copper with tungsten.
The coating material can be applied to the surface by electroplating, by vapor deposition, by cathode sputtering or by spraying and is then melted by the electron stream, whereby alloy formation or chemical reaction with the base material is avoided due to the speed of the process.
The fast Ileiztin, Ysvor - an-- with the electron beam <B> C </B> kn <B> C, </B> can also be used for the production of alloys of materials that cannot otherwise be alloyed because of too high volatility of a component.
The electron gun is also used in a new type of power amplifier triode, which has all the advantages of a pentode, which is also free from grid current, even with a strongly positive grid, which therefore needs little energy to control, which is free from secondary or thermal emission at the critter and anode, and which is characterized by low electrode capacitance.
The details of such a tube he knows from Fig.4. Electrode 4 serves as a control electrode. The cathode is grounded. The control electrode is connected to earth via the secondary winding of the transformer 20 and via the bias voltage source 21 and the potentiometer 22. The signal to be strengthened is fed to the primary winding of the transformer 20 '. The anode <B> 23 </B> is a closed hollow body with a conical extension, at the end of which there is an opening 24.
This opening is opposite the opening of the electrode 4 and the electron stream passes through it into the interior of the anode cavity. 27 is the vacuum envelope, the tube. It can be fused to the anode <B> 23 </B>, or it can be large enough to completely enclose the anode. The electrons enter the anode approximately in parallel and then scatter as a result of the tree load repulsion. The anode is brought to a positive potential by means of the voltage source <B> 25 </B>.
The connection is made via the primary winding of the output transformer <B> 26. </B> The amplified output signal is taken from the secondary winding of this transformer.
In an amplifier of this type, no primary electrons hit the control electrode 4, unless in an over-controlled state, when the anode becomes more negative than the cathode. There is therefore no grid current. Since no primary electrons hit the control electrode, no secondary or thermal electrons are released either. A relatively high grid leakage resistance can be used, which protects the control electrode and ensures that the tube works as an oscillator in a stable manner.
Interfering secondary emissions cannot take place at the anode either, since the primary electrons hit the anode from the inside and the triggered secondary electrons cannot find their way through the small opening. Since secondary emissions are not possible either at the grid or at the anode, an oxide cathode with high emissions and low heating power can be used in the tube without any disadvantages. Oxide cathodes are not used in known triodes of high power, since the over-evaporation of the oxide on the grid and anode causes strong secondary and thermal emissions.
Although the amplifier tube described is a triode, it still has the characteristic properties of a pentode. The gain factor and the internal resistance are both very large. This is due to the fact that the anode field only penetrates very little through the small opening of the control electrode and that it therefore has practically no influence on the electron flow.
The capacitances between the electrodes are approximately 20 to 50 times smaller than in known triodes of the same power. Because of the high electron current density, the electrodes can be kept small. The anode, the only electrode that has to destroy power, on the other hand, can be made any size and can be cooled with water or air.
Finally, the tube is easier to manufacture than ordinary triodes, since it mainly consists of simple, rotationally symmetrical parts.
With reference to the construction in Fig. 1, it has been shown that part <B> 1 </B> of the cathode is emitting while parts <B> 2-3 </B> do not emit. In practice, there are two possible ways of preventing the emission. Either the cathode parts <B> 2-3 </B> are kept cold by thermal insulation from the emitting part <B> 1 </B> of the cathode, or a material with a high work function is used for the cathode parts <B> 2-3 . </B> The first method is preferable for large cathodes because it saves heating energy and is more reliable, while the second method is more suitable for small cathodes in television tubes.
A simple way of achieving thermal insulation and, at the same time, a very small distance between the hot and cold part of the cathode is shown in FIG. Use is made of the thermal expansion of the emitting part to create a distance between the two parts that touch in the cold state. The emitting part <B> 1 </B> of the cathode has a suitable electrical heating element on the back and forms a unit with it. This unit rests on the arms <B> 10 </B> and <B> 11 </B> which are attached to the cathode parts <B> 2-3 </B>.
In the cold state, see part <B> 1 </B> and part 2. If part <B> 1 </B> is heated, however, the distance between the points at which the arms on part <B> 1 increases </B> are attached, due to the thermal expansion of part <B> 1, </B> and the hot part of the cathode <B> 1 </B> stands out from the cold part <B> 2-3 </ B> and creates the small space required for thermal insulation.
FIG. 0 'shows another variant of the principle used in FIG. 2. In this case, the hot part of the cathode is carried by arms 14, <B> 15, 16 </B> and <B> 17 </B> crossing each other, which are attached to a conical continuation <B> 18 </B> of the cold part 2-21 are attached. The working principle is the same as in Fig. 2.