DE1005199B - Beam generation system for generating an electron beam with high current density by means of magnetic focusing - Google Patents
Beam generation system for generating an electron beam with high current density by means of magnetic focusingInfo
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Description
DEUTSCHESGERMAN
Die Erfindung befaßt sich mit einem Strahlerzeugungssystem zur Erzeugung von Elektronenstrahlen hoher Stromdichte mit Hilfe magnetischer Fokussierung. The invention is concerned with a beam generating system for the generation of electron beams of high current density with the help of magnetic focusing.
Bei der Konstruktion von Strahlerzeugungssystemen für Strahlen hoher Stromdichte, welche magnetisch fokussiert werden, ist es wünschenswert und bei einigen Typen, der Strahlfortpflanzung sogar nötig, daß die Kathode von dem gleichbleibenden axialen magnetischen Fokussierungsfeld abgeschirmt wird, welches mit dem Entladungsgefäß zusammen, von welchem das Strahlerzeugungssystem einen Teil bildet, verwendet wird. Es ist wünschenswert und manchmal nötig, daß der von einem Strahlerzeugungssystem erzeugte Elektronenstrahl im wesentlichen parallel zur Strahlachse ist. Es sind bereits magnetische Sammellinsen kurzer Feldlänge, vorzugsweise Vergrößerungslinsen für Elektronenoptik, bestehend aus einer Sammelspule in einem sie vollständig umgebenden, aus hochpermeablem Stoff bestehenden Mantel, der einen ringförmigen Spalt in seinem Innenteil aufweist und bei dem die Ränder des im Verhältnis zur Längsausdehnung der Spule schmalen Spaltes bildende Mantelteil nach der Achse zu polschuhartig verjüngt sind und die lichte Weite des Polschuhringes in der Größenordnung der Spalthöhe liegt, bekannt. Der Spalt zwischen den Polschuhen dieser magnetischen Sammellinse ist mit unmagnetischem Material vakuumdicht ausgefüllt, und der innerhalb der Spule liegende Teil des die Spule umhüllenden Mantels dient als Röhrenwandung einer elektronenoptischen Einrichtung. Die Anordnungen werden als Sammellinsen kurzer Brennweite in Elektronenmikroskopen verwendet. Zur Herstellung eines Elektronenstrahls von großer Stromdichte und homogenem Verlauf sind sie jedoch nicht geeignet. Es ist auch bereits ein Strahlerzeugungssystem bekannt, bei welchem die Beschleunigungsanode einen Polschuh für die magnetische Fokussierungsanordnung bildet. Bei diesen Anordnungen sind die Kathode und die Fokussierungselektrode vollständig in der Polschuhanode eingeschlossen, und der Kontakt mit dem übrigen Teil des magnetischen Kreises wird durch, eine durch die Umhüllung der Röhre geschmolzene Scheibe aus ferromagnetischem Material hergestellt.In the construction of beam generating systems for beams of high current density, which are magnetic be focused, it is desirable and in some types, beam propagation even necessary, that the cathode is shielded from the constant axial magnetic focusing field, which together with the discharge vessel, of which the beam generation system forms a part, is used. It is desirable and sometimes necessary that the generated by a beam generating system Electron beam is essentially parallel to the beam axis. They are already magnetic collecting lenses short field length, preferably magnifying lenses for electron optics, consisting of a Collector coil in a completely surrounding, made of highly permeable material jacket, the has an annular gap in its inner part and in which the edges of the in relation to the longitudinal extent the coil forming a narrow gap sheath part tapers to pole shoe-like after the axis and the clear width of the pole shoe ring is in the order of magnitude of the gap height. The gap between the pole pieces of this magnetic converging lens is vacuum-tight with non-magnetic material filled in, and the part of the jacket surrounding the coil which is located inside the coil serves as the tube wall an electron optical device. The arrangements are called short focal length converging lenses used in electron microscopes. For producing an electron beam with a high current density and homogeneous flow, however, they are not suitable. It is also already a beam generation system known, in which the acceleration anode has a pole piece for the magnetic focusing arrangement forms. In these arrangements, the cathode and the focusing electrode are complete enclosed in the pole piece anode, and contact with the rest of the magnetic circuit is made by a disk of ferromagnetic material melted through the casing of the tube manufactured.
An Stelle einer Scheibe, welche den Kontakt mit dem magnetischen Stromkreis herstellt, sind gemäß der Erfindung die Kathode und die Fokussierungselektrode vollständig von dem — einen Teil der Röhrenumhüllung bildenden — Polschuh eingeschlossen. Ein solches Strahlerzeugungssystem ist einfach anzufertigen und kann leicht zusammengesetzt werden, so- daß die nötige Genauigkeit in der Lage der Strahlerzeugungselektroden erhalten wird. Die zylin-Instead of a disc that makes contact with Establishes the magnetic circuit, according to the invention, the cathode and the focusing electrode completely enclosed by the pole piece which forms part of the tube casing. Such a beam generation system is easy to manufacture and can be easily assembled, so that the necessary accuracy in the position of the beam generating electrodes is obtained. The cylindrical
StrahlerzeugungssystemBeam generation system
zur Erzeugung eines Elektronenstrahlsfor generating an electron beam
großer Stromdichte mittels magnetischerhigh current density by means of magnetic
FokussierungFocus
Anmelder:Applicant:
International Standard Electric
Corporation, New York, N. Y. (V. St. A.)International Standard Electric
Corporation, New York, NY (V. St. A.)
Vertreter: Dipl.-Ing. H. Ciaessen, Patentanwalt,
Stuttgart-Zuffenhausen, Hellmuth-Hirth-Str. 42Representative: Dipl.-Ing. H. Ciaessen, patent attorney,
Stuttgart-Zuffenhausen, Hellmuth-Hirth-Str. 42
Beanspruchte Priorität:
Großbritannien vom 20. März 1953Claimed priority:
Great Britain March 20, 1953
Arnold H. W. Beck, London,
ist als Erfinder genannt wordenArnold HW Beck, London,
has been named as the inventor
drische Fokussierungselektrode hat über der Emissionsoberflächei der Kathode eine mit einer öffnung versehene Endkappe und zwischen deren Enden einen äußeren kreisförmigen Flansch. Die mit einer zentralen Öffnung versehene Anodenscheibe aus magnetischem Material legt sich gegen einen Endring der im allgemeinen zylindrischen äußeren Hülle aus ferromagnetischem Material und paßt genau in diese äußere Hülle. Eine innere zylindrische mit der Anodenscheibe verbundene Anodenhülle umgibt die Fokussierungselektrode und ist mit einem Vorsprung versehen, um Kathode und Fokussierungselektrode in bezug auf diese Anodenscheibe festzulegen. Eine ringförmige Scheibe aus Isolationsmaterial ist zwischen diesem Vorsprung und den äußeren kreisförmigen Flansch der zylindrischen Fokussierungselektrode angeordnet, um die axiale Lage der Kathode festzuhalten und um die Anodenscheibe gegen das Ende der äußeren Hülle zu drücken.The drical focusing electrode has egg over the emission surface the cathode has an end cap provided with an opening and one between its ends outer circular flange. The magnetic anode disc with a central opening Material lies against an end ring of the generally cylindrical outer ferromagnetic shell Material and fits exactly into this outer shell. An inner cylindrical one with the anode disk connected anode envelope surrounds the focusing electrode and is provided with a protrusion to To fix the cathode and focusing electrode in relation to this anode disk. An annular one Washer of insulation material is between this protrusion and the outer circular flange of the cylindrical focusing electrode to fix the axial position of the cathode and around pressing the anode disk against the end of the outer shell.
Die äußere ferromagnetische Hülle besteht vorzugsweise aus einer Verbindung, welche sich leicht mit Glas verschmelzen läßt, so daß die Röhre durch Glas, beispielsweise einen Preßglasteller, verschlossen werden und das andere Ende mit einer Glasumhüllung des Entladungsrohres verschmolzen werden kann. Es sei bemerkt, daß dieses Strahlerzeugungssystem gut zur Verwendung bei allen Röhren mit metallischer Umhüllung geeignet ist.The outer ferromagnetic shell is preferably made of a compound that is easy to use Glass can be fused so that the tube can be closed by glass, for example a pressed glass plate and the other end can be fused to a glass envelope of the discharge tube. Be it notes that this beam generating system works well for use with all metallic clad tubes suitable is.
An Hand der Zeichnung wird ein Ausführungsbeispiel näher erläutert. An exemplary embodiment is explained in more detail with reference to the drawing.
609 866/344609 866/344
Fig. 1 zeigt einen Längsschnitt eines Ausführungsbeispieles, undFig. 1 shows a longitudinal section of an embodiment, and
Fig. 2 gibt einen Querschnitt längs der Ebene H-II der Fig. 1 wieder.FIG. 2 shows a cross section along the plane H-II of FIG.
Das Strahlerzeugungssystem 1 besteht aus einer indirekt geheizten Kathode 2 mit konkaver Emissionsoberfläche. Die Kathode 2 wird von einer umgebenden Fokussierungselektrode 3 gehaltert. Das obere Ende, nämlich die Endkappe 4 dieser zylindrischen Fokussierungselektrode ist mit einer zentralen Öffnung versehen, um die Emissionsoberfläche der Kathode freizugeben. Zwischen den Enden der Fokussierungseiektrode sind ein äußerer kreisförmiger Flansch 5 und am unteren. Ende ein weiter kreisförmiger Flansch 6 angeordnet. Während des Betriebes ist die Fokussierungselektrode 3 auf Kathodenpotential und kann daher mit dieser verbunden sein. Die Anode des Strahlerzeugungssystems besteht aus der mit einer zentralen Öffnung versehenen Anodenscheibe 7 aus ferromagnetischem Material, mit welcher eine zylindrische innere Anodenhülle 8 verschweißt ist. Diese umgibt die Fokussierungselektrode 3 und ist außerdem mit dem Vorsprung 9 versehen. Eine ringförmige Scheibe 10 aus Isolationsmaterial, beispielsweise Glimmer, paßt dicht über das obere Ende der Fokussierungselektrode 3 und legt sich gegen dein Vorsprung 9. Der äußere kreisförmige Flansch 5 der Fokussierungselektrode legt sich gegen die untere Seite der Scheibe 10. Auf diese Art und Weise ist die Emissionsoberfläche der Kathode 2 zentral innerhalb der inneren Anodenhülle und im passenden axialen Abstand von der Anodenscheibe 7 festgelegt. Die Scheibe 7 ist mit einer zentralen öffnung 11 versehen, deren Seiten vorzugsweise abgeschrägt sind, wie aus Fig. 1 hervorgeht. Die Dicke der Anodenscheibe 7 und die Stellung der Fokussierungselektrode zur Anode ist vorzugsweise derart, daß bei den Betriebsbedingungen ein vollständig raumladungsbegrenzter Strom von der Kathode abgezogen wird und der Strahl durch die Anodenöffnung 11 so> fokussiert wird, daß er im wesentlichen parallel zur Längsachse des Strahlerzeugungssystems sofort nach seinem Austritt aus dieser Öffnung wird. In den meisten Fällen ist die Kathodenoberfläche, wie in der Fig. 1 gezeigt, konkav. Das S trahlerzeugungs system kann so dimensioniert werden, daß es besonders geeignet ist, um einen Elektronenstrahl auszusenden, dessen Elektronenbewegung gleich dem Brillouinfluß ist. Bezogen auf einen zylindrischen festen Strahl (zum Unterschied zu einem ringförmigen Strahl) ist der Brillouinfluß dadurch charakterisiert, daß alle Elektronen die gleiche axiale Geschwindigkeit haben und sich jedes Elektron auf Grund eines konstanten axialen magnetischen Feldes in Spiralen von konstantem Radius um die Strahlachse mit der gleichen Winkelgeschwindigkeit bewegen, so· daß die Bewegung des Strahles gleich der eines festen Stabes ist, welcher sich um und längs seiner Achse bewegt. Bei einer Kathode mit konkaver Emissionsoberfläche verlangt ein solcher Fluß, daß die Kathode von dem Einfluß des axialen Magnetfeldes abgeschirmt ist. Bei der vorliegenden Anordnung wird dies durch die Anodenscheibe 7 und die äußere Hülle 12 aus ferroinagnetischem Material erreicht. Es ist bekannt, daß, um die magnetische Abschirmung zu verbessern, es vorteilhafter ist, mehrere voneinander getrennte Schirme aus magnetischem Material zu verwenden, als einen einzigen Schirm, dessen Dicke die Summe der Dicken der einzelnen Schirme ist. Deshalb ist es vorteilhaft, die innere Anodenhülse 8 ebenfalls aus ferromagnetischem Material zu machen. Wenn die Anodenscheibe 7 einen Polschuh der magnetischen Fokussierungsanocdnung bildet, können Verbindungsglieder (Joche) in der üblichen Art mit der äußeren Hülse 12 verbunden werden. Diese Joche oder Verbindungsglieder verbessern die magnetische Abschirmung der Kathode weiterhin.The beam generation system 1 consists of an indirect heated cathode 2 with concave emission surface. The cathode 2 is surrounded by a Focusing electrode 3 supported. The upper end, namely the end cap 4 of this cylindrical focusing electrode is provided with a central opening to expose the emission surface of the cathode. Between the ends of the focusing electrode are an outer circular flange 5 and am lower. A further circular flange 6 is arranged at the end. The focusing electrode is in operation during operation 3 at cathode potential and can therefore be connected to this. The anode of the beam generation system consists of the anode disk 7 provided with a central opening made of ferromagnetic Material with which a cylindrical inner anode shell 8 is welded. This surrounds the focusing electrode 3 and is also connected to the Projection 9 provided. An annular disc 10 of insulating material, such as mica, fits just above the top of the focusing electrode 3 and rests against your projection 9. The outer circular flange 5 of the focusing electrode rests against the lower side of the disc 10. In this way is the emission surface the cathode 2 centrally within the inner anode shell and at the appropriate axial distance from the anode disk 7 set. The disk 7 is provided with a central opening 11, the sides of which are preferably are beveled, as can be seen from FIG. The thickness of the anode disk 7 and the position the focusing electrode to the anode is preferably such that a fully space-charge-limited current is drawn from the cathode and the beam through the Anode opening 11 is so> focused that it is essentially parallel to the longitudinal axis of the beam generating system immediately after it emerges from this opening. In most cases the cathode surface is as shown in Fig. 1, concave. The jet generation system can be dimensioned so that it is particularly suited to an electron beam to send out whose electron movement is equal to the Brillouin flux. Based on a cylindrical solid beam (as opposed to an annular beam) is the Brillouin flow through it characterizes that all electrons have the same axial velocity and each electron is on Reason of a constant axial magnetic field in spirals of constant radius around the beam axis move at the same angular velocity so · that the movement of the beam is equal to that of a solid rod that moves around and along its axis. For a cathode with a concave Emission surface requires such a flux that the cathode from the influence of the axial magnetic field is shielded. In the present arrangement this is achieved by the anode disk 7 and the outer shell 12 achieved from ferroinagnetic material. It is known that in order to improve the magnetic shielding, it is more advantageous to use several separate screens made of magnetic material, as a single screen, the thickness of which is the sum of the thicknesses of the individual screens. That's why it is advantageous to make the inner anode sleeve 8 also from ferromagnetic material. If the Anode disk 7 forms a pole piece of the magnetic focusing arrangement, connecting links can be used (Yokes) are connected to the outer sleeve 12 in the usual way. These yokes or links further improve the magnetic shielding of the cathode.
Das beschriebene Strahlerzeugungssystem ist gut geeignet, einen Teil einer Ganzmetallröhre zu bilden. Es können einige bekannte Mittel angewendet werden, um den Druck zwischen der Anodenscheibe 7 und dem Endring 13 der äußeren Hülle 12 und ebenso zwischen dem kreisförmigen Flansch 5 der Fokussierungselektrode der Scheibe 10 und dem Vorsprung 9 der inneren Anodenhülse 8 aufrechtzuerhalten. In dem in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiel ist der äußere Teil 12 aus einer Verbindung hergestellt, welche sich leicht mit Glas verschmelzen läßt, beispielsweise einer Nickel-Eisen-Legierung im Verhältnis 50:50. Mit dem einen Ende der äußeren Hülle 12 ist ein Glasteil 15 verschmolzen, welcher einen gebräuchlichen. Preßglasteller 16 mit den Durchführungsstiften 17 trägt. Das eine Ende einer Anzahl von Stiften 18 ist mit der Isolierscheibe 14 und das andere mit den entsprechenden Durchführungsstiften 17 fest verbunden, um"den erforderlichen axialen Druck zwischen den verschiedenen Strahlerzeugungselektroden aufrechtzuerhalten. In dem Ausführungsbeispiel ist eine Glasumhüllung 19 des Entladungsgefäßes, von welchem das Strahlerzeugungssystem einen Teil bildet, mit dem Endring des äußeren Zylinders 12 stumpf verschmolzen.The beam generating system described is well suited to form part of an all-metal tube. Some known means can be used to reduce the pressure between the anode disk 7 and the End ring 13 of the outer shell 12 and also between the circular flange 5 of the focusing electrode the disc 10 and the projection 9 of the inner anode sleeve 8 to maintain. In the one in the figures illustrated embodiment, the outer part 12 is made of a compound which can easily be fused with glass, for example a nickel-iron alloy in a ratio of 50:50. With one end of the outer shell 12 is a glass part 15 fused, which a common. Pressed glass plate 16 with the guide pins 17 carries. One end of a number of pins 18 is with the Insulating washer 14 and the other with the corresponding lead-through pins 17 firmly connected to "the necessary axial pressure to be maintained between the various beam generating electrodes. In The exemplary embodiment is a glass envelope 19 of the discharge vessel from which the beam generating system forms a part, with the end ring of the outer cylinder 12 butt fused.
Da die Teile des Strahlerzeugungssystems gut ineinanderpassen, ist dieses Strahlerzeugungssystem leicht herzustellen, und die nötigen kritischen Abstände zwischen den. einzelnen Elektroden können leicht mit großer Genauigkeit erreicht werden.Since the parts of the beam generation system fit together well, this beam generation system is easy to manufacture, and the necessary critical distances between the. individual electrodes can can easily be achieved with great accuracy.
Claims (17)
Deutsche Patentschrift Nr. 680 284.Considered publications:
German patent specification No. 680 284.
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