DE1039653B - Entladungsroehre mit einer Feldemissionskathode - Google Patents

Description

DEUTSCHES

Die Erfindung betrifft eine Entladungsröhre mit einer Feldemissionskathode, die einem pulsierenden elektrischen Feld ausgesetzt ist.

Es sind bereits Feldemissionskathoden allein und auch Feldemissionskathoden, die einem pulsierenden elektrischen Feld ausgesetzt sind, bekannt. Die elektrische Stabilität und die Lebensdauer dieser Einrichtungen sind jedoch sehr begrenzt.

Diese Nachteile werden vermieden, wenn bei einer Feldemissionskathode, die einem pulsierenden elektrischen Feld ausgesetzt ist, erfindungsgemäß die Kathode zusätzlich auf eine Temperatur erhitzt ist, die unterhalb der Temperatur, bei der eine nennenswerte thermische Elektronenemission eintritt, liegt

Diese Feldemissionskathode weist sehr kleine Abmessungen und dementsprechend eine geringe elektrische Kapazität gegenüber anderen Elektroden auf. Die sehr große Elektronenstromdichte wird einfach und unmittelbar elektrisch in Abhängigkeit von der Größe des elektrischen Feldes an der Kathodenoberfläche gesteuert. Weitere Vorteile dieser punktförmig emittierenden Kathode sind eine geringe oder vernachlässigbare, zu ihrem Betrieb erforderliche Energiezufuhr, eine Stromspannungsabhängigkeit, die über annehmbare Zeitspannen bei kontinuierlicher oder intermittierender Betriebsweise stabil und reproduzierbar ist, und die Erhaltung einer Leistungsfähigkeit bei wirtschaftlich verfügbarem Vakuum, beispielsweise bei Drücken von weniger als 10—³ mm Quecksilbersäule.

Eine solche Kathode ist daher auch in Röntgenröhren, Hochfrequenzröhren, Oszillographenröhren, Elektronenmikroskopen!, Spannungsgi eichrichterröbren und elektromechanischen Umformern anwendbar.

In den Zeichnungen sind Ausführungsformen und Schaltschemen, die das Prinzip der Erfindung veranschaulichen, dargestellt, und zwar zeigt

Fig. 1 einen Schnitt durch eine schematisch dargestellte typische Ausführungsform einer Elektronenquelle gemäß der Erfindung mit den zugeordneten Stromkreisen,

Fig. 2, 3 und. 4 Teilansichten von schematisch dargestellten Elektronenquellen gemäß der Erfindung mit verschiedenen Ausführungsformen der Elektroden und Fig. 5 eine schematische Darstellung einer Elektronenquelle mit einer Abwandlung im Heizkreis der Kathode.

In sämtlichen Figuren ist der Elektrodenaufbau der Deutlichkeit wegen in stark vergrößertem Maßstabe w iedergegeben.

In Fig. 1 ist eine typische Ausführungsform der beschriebenen Anordnung dargestellt. In einem evakuierten Gefäß 10 ist eine metallische Kathode 11 mit glatter Oberfläche und kleinem Krümmungsradius auf Entladungsröhre
mit einer Feldemissionskathode

Anmelder:

Research Corporation,
New York, N. Y. (V. St. A.)

Vertreter: Dr.-Ing. H. Dabringhaus, Patentanwalt,
Düsseldorf 1, Charlottenstr. 58

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 1. Juli 1955

Walter Payne Dyke und John Percy Barbour,

McMinnville, Oreg. (V. St. A.),
sind als Erfinder genannt worden

einem Trägerdraht 12 angebracht. Der Draht 12 wird durch einen ihn durchfließenden, elektrischen Strom aus einer äußeren Stromquelle, beispielsweise einem Transformator 13, beispielsweise bei der Verwendung von Wolfram, auf eine mittlere Temperatur von 2000° K erhitzt. An der Kathodenoberfläche wird durch Zuführen geeigneter elektrischer Spannungen auf in der Nähe angeordnete Elektroden, die beispielsweise die Form eines Ringes 14 haben, der das Durchtreten der Elektronen zur weiteren Steuerung oder Verwendung in den jenseits liegenden Raum gestattet, ein starkes elektrisches Feld erzeugt. Die Kathode wird durch Wärmeüberleitung vom Träger 12 aus auf einer geeigneten Temperatur gehalten, deren Bereich, Zweck und Ursprung nachstehend erläutert werden,·. Elektronen werden unter dem Einfluß des starken elektrischen Feldes nur an, der stark gekrümmten Kathodenfläche emittiert, wo das Feld stark ist. Die Elektronenemission von den Haltevorrichtungen und dem Draht ist vernachlässigbar.

Die Spannung wird als Impuls mit einer Dauer von vorzugsweise weniger als einer Sekunde bei Verwendung von stärkeren Feldern (z. B. 7 · ICF V/cm) oder weniger als ein paar Minuten bei den schwächeren Feldern (z. B. 3 · 10⁷ V/cm) zugeführt. Elektronenströme werden von der Kathode nur während der Spannungsimpulse entnommen, die von dem Impulsgeber 15 geliefert werden. Die Spannung wird dann für eine Zeitdauer von beispielsweise dem Vierfachen

809 639/379

der Dauer des Spannungsimpulses auf einen niedrigen Wert oder auf Null vermindert, worauf wieder der Spannungsstoß erfolgen und der Vorgang wiederholt werden kann. Unter diesen Verhältnissen zeigen beispielsweise Wolframkathoden ein stabiles und reproduzierbares elektrisches Verhalten bei annehmbaren Leistungen und über lange Betriebszeiten. Eine geheizte, ständig einem starken elektrischen Feld ausgesetzte Kathode jedoch ist aus den nachstehend erläuterten Gründen nicht stabil.

Der Feldemissionsstrom ist in hohem Grade abhängig von der Flächenaustrittsarbeit und vom elektrischen Feld an der Oberfläche, das sich zum Teil in Abhängigkeit von der Kathodenform ändert. Durch die Erwärmung wird die geometrische Gestalt der Oberfläche aufrechterhalten, da submikroskopische Unregelmäßigkeiten beseitigt werden. Die Erwärmung hält die Austrittsarbeit konstant, indem fortlaufend Oberflächenverunreinigungen verdampft werden, ohne daß eine merkliche Verdampfung des Grundmetalls stattfindet, da die meisten dieser Verunreinigungen eine wesentlich geringere Verdampfungsenergie benötigen als die üblichen Kathodenmetalle.

Der für diesen Zweck nutzbare Temperaturbereich ändert sich mit dem Kathodenmetall, das Wolfram, Tantal oder Rhenium sein kann. Die Temperatur muß hoch genug sein, um die für das verwendete Metall und die Umgebung kennzeichnenden Verunreinigungen zu verdampfen, jedoch niedrig genug, um eine wesentliche thermionische Emission zu vermeiden und eine übermäßige Abstumpfung der Kathode durch Oberflächenauswanderungen zu verhindern. Als brauchbar, jedoch nicht maßgeblich, hat sich für Wolfram ein Temperaturbereich von 1500 bis 2200^Q K erwiesen. Wenn auch eine hohe Kathodentemperatur in nützlicher Weise eine glatte, saubere und infolgedessen elektrisch stabile Kathodenoberfläche bei elektrischem Impulsbetrieb aufrechterhält, hat die Wärmeerregung doch zwei unerwünschte Begleiterscheinungen, die vermieden werden müssen: erstens kann die spitze Kathode allmählich durch Materialauswanderung an der Oberfläche abgestumpft werden, und zweitens können durch Diffusion Verunreinigungen der Emissionsfläche zugeführt werden. Insbesondere können Einlagerungen von Verunreinigungen in der Kathode während des Abstumpfvorganges an die Kathodenoberfläche gelangen.

Glücklicherweise nimmt der Abstumpfungsgrad umgekehrt zur dritten Potenz des größer werdenden Krümmungsradius einer Fläche ab, mit dem praktischen Ergebnis, daß die Abstumpfung bei Radien oberhalb einer gewissen Größe vernachlässigt werden kann. Bei Wolfram ist die Abstumpfung bei den oben angegebenen bevorzugten Temperaturen vernachlässigbar für Radien, die größer als r = 6,5 · 10—⁵ cm sind. Ferner werden bei den meisten Anwendungsmöglichkeiten Kathoden benutzt, deren Radien über diesem Wert liegen und die daher keine Abstumpfung erfahren.

Kathoden mit kleinem Krümmungsradius sind bei einigen Ausführungsformen günstig und werden schneller abgestumpft. Diese Abstumpfung wird jedoch durch eine Abwandlung der beschriebenen Anordnung verhindert, wobei trotzdem die oft wünschenswerten Betriebseigenschaften kleiner Emissionsquellen beibehalten werden. Die Kathodenoberfläche wird ständig einem elektrischen Feld von einem Bruchteil (z. B. der Hälfte) der für eine nennenswerte Feldemission erforderlichen Größe ausgesetzt, während ein übergelagertes Impulsfeld von größerer Stärke eine brauchbare Emission entstehen läßt. Das Dauerfeld stellt einen Gleichgewichtszustand zwischen den zugehörigen elektrostatischen Kräften und den zur Abstumpfung führenden, zur Krümmung in Beziehung stehenden Kräften her, wodurch die Abstumpfung wirksam verhindert wird.

In dem in Fig. 2 schematisch dargestellten Ausführungsbeispiel fängt eine platten form ige Metallanode 24 die Elektronen von der Kathode 11 auf, wodurch

ίο eine einfache, beispielsweise für Zwecke der Röntgenstrahl erzeugung brauchbare Diodenanordnung gebildet wird. Zur Spannungsversorgung der Vorrichtung und zur Heizung der Kathode können die Einrichtungen, die im Zusammenhang mit Fig. 1 beschrieben worden sind, oder irgendeine der nachstehend beschriebenen dienen.

Es ist nicht durchführbar, eine geheizte Emissionsquelle der Einwirkung eines starken elektrischen Feldes auszusetzen, weil dies zur Deformation der gekrümmten Oberfläche in eine mehr oder weniger vielflächige Gestalt führt, die zu Unstabilitäten und elektrischen Störungen führt. Beim Impulsbetrieb jedoch wird jeder Neigung zu derartigen Störungen während der Einschaltperiode des Feldes entgegengewirkt und die glatte, gekrümmte Fläche in den zwischen den Impulsen liegenden Perioden wiederhergestellt.

Der Gesamtstrom, der von Feldemissionskathoden zu erwarten ist, ist gleich dem Produkt aus emittierender Fläche und Stromdichte. Wenn z. B. die letztere 10⁷ Amp./cm² beträgt, was als für die Praxis brauchbarer Wert angegeben wird, so hat der von einer nadelförmigen Kathode mit einem Spitzenradius r bei einer angelegten Spannung V abgegebene Gesamtstrom / annähernd die folgenden Werte:

Hierbei ist eine Nadel mit einem Kegelwinkel von 15° und ein Abstand zwischen Anode und Kathode von 1 cm angenommen. Bei einem geringeren Abstand wird bei einer gegebenen, Spannung das Feld und somit auch der Strom verstärkt. Gleichzeitig betriebene parallele Emissionsquellen, wie sie in Fig. 4 mit der Bezugsziffer 41 bezeichnet sind, sind mit Erfolg zur Steigerung des Gesamtstroms auf erheblich größere Werte verwandt worden, als sie in obiger Tabelle aufgeführt sind. Bei höheren Spannungen können Kathoden mit anderer geometrischen, wie z. B. der in Fig. 3 dargestellten, mit 31 bezeichneten schneidenförmigen Gestalt, mit einer größeren Fläche und somit einem höheren Gesamtstrom verwendet werden. Als Wärmequelle zur Stabilisierung kann der Trägerdraht verwendet werden, der, wie in Fig. 1 dargestellt, durch einen elektrischen Strom aus einer äußeren Stromquelle beheizt wird. Als Austauschheizverfahren kommen beispielsweise in Frage: der Partikelbeschuß von anderen Quellen aus, die Bestrahlung von in der Nähe angebrachten Hilfsflächen aus, die Induktionsheizung und die in der Kathode selbst durch den Durchfluß des Emissionsstroms erzeugte Widerstandserwärmung. Ein geeignetes Ausführungsbeispiel für die Anwendung der Beschüß- oder der Bestrahlungsheizung ist in Fig. 5 dargestellt.

Bei der Vorrichtung nach Fig. 5 wird die Kathode 11 durch Elektronenbeschuß von der Heizdrahtspule

r(cm)	V (kV)	/ (Amp.)
2·ΙΟ"3 5· 10-5 3· ΙΟ-4	5 15 100	0,05 0,2 6,5

56 aus beheizt, die ihrerseits durch einen Strom vom Transformator 53 beheizt wird. Durch eine von der Spannungsquelle 57 gelieferte Spannung wird zwischen der Spule 56 und dem Kathodenträger 12 eine geeignete Potentialdifferenz aufrechterhalten.

Die Gesamtabmessungen von Kathode 11 und Träger 12, wie sie beispielsweise in Fig. 1 und 2 dargestellt sind, liegen in der Größenordnung von 10—² cm. Der Vorteil einer derartigen Konstruktion liegt unter anderem in ihrem geringen Energiebedarf, ihrer vernachlässigbaren Wärmeausdefanung und in ihrer kurzen Anheiz- und Abkühlzeit (ICK³ Sekunden) als auch in ihrer mechanischen Festigkeit auf Grund der sehr geringen Trägheit.

Durch die gleichzeitige Anwendung eines starken Kathodenfeldes, einer mittleren Temperatur und des intermittierenden, stoßweisen Einsatzes des elektrischen Feldes ist die Kathode trotz des Beschüsses durch positive Ionen, und trotz der Verunreinigung durch auftreibende Fremdkörper elektrisch stabil.

Claims (7)

PATENTANSPRÜCHE:

1. Entladungsröhre mit einer Feldemissionskathode, die einem pulsierenden elektrischen Feld ausgesetzt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathode zusätzlich auf eine Temperatur erhitzt ist, die unterhalb der Temperatur, bei der eine nennenswerte thermische Elektronenemission eintritt, liegt.

2. Entladungsröhre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathode höchstens 0,25 der Periodendauer des pulsierenden Feldes ausgesetzt ist.

3. Entladungsröhre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathode außer den starken Feldimpulsen ständig einem elektrischen Feld ausgesetzt ist, dessen Stärke wesentlich geringer als die des Impulses ist.

4. Entladungsröhre nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung einer Wolframkathode diese auf eine Temperatur von etwa 1500 bis etwa 2200° K erhitzt ist.

5. Entladungsröhre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathode durch Wärmeleitung von einem beheizten metallischen Träger erwärmt ist.

6. Entladungsröhre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger durch Widerstandsheizung erwärmt ist.

7. Entladungsröhre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger durch Elektronenbeschuß erwärmt ist.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschrift Nr. 869 099.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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