DE1162003B - Einrichtung zur Erzeugung einer gebuendelten Stroemung von geladenen Teilchen - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Internat. Kl.: HOIj

Nummer:
Aktenzeichen:
Anmeldetag:
Auslegetag:

Deutsche Kl.: 21g-21/01

H 41705 VIII c/21] 11. Februar 1961 30. Januar 1964

Bei Elektronenröhren für Mikrowellen, vor allem bei Wanderwellenröhren, aber auch für andere Zwecke werden Elektronenkanonen benötigt, die eine dichte und gebündelte Elektronenströmung längs einer geradlinigen Bahn erzeugen, wobei das Bündel längs dieser Bahn von praktisch konstantem Durchmesser sein soll. Zu diesem Zweck sind Elektronenkanonen mit einer Kathode entwickelt worden, deren konkave Emissionsfläche eine Rotationsfläche ist, deren Rotationsachse in der Bahn der Strömung liegt und bei der die die Rotationsfläche erzeugende Kurve symmetrisch zu einer Symmetrieachse ist. Von einer Elektronenkanone dieser Art geht die Erfindung aus. Sie ist jedoch nicht auf elektronische Geräte im engeren Sinne beschränkt, erstreckt sich vielmehr auch auf Einrichtungen zur Erzeugung von Strömungen aus anderen geladenen Teilchen, bezieht sich also ganz allgemein auf eine Einrichtung zur Erzeugung einer dichten, gebündelten, längs einer geraden Bahn verlaufenden Strö- ao mung von geladenen Teilchen, wobei allerdings an Elektronen als den Hauptanwendungsfall gedacht ist.

Bekannte Elektronenkanonen der bezeichneten Bauart haben den Anforderungen bisher vor allem dann nicht genügt, wenn es sich um die Erzeugung einer Strömung von hoher Perveanz handelt. Unter Perveanz wird dabei das Verhältnis //C//³² verstanden, wo / der Gesamtstrom in der Strömung und U die Strömungsspannung oder Anodenspannung ist. Die Perveanz ist ein Maß für die Tendenz des Bündels, sich unter der Gegenwirkung der Raumladung der Elektronen auszubreiten. Sie ist vor allem bei Wanderwellenröhren größerer Leistung beträchtlich und hat dort Werte zwischen 1 ■ 10-^fi bis 10 · 10~⁶ Ampere/Volt^{3 2}. Die daraus folgende Tatsache, daß gerade bei Wanderwellenröhren das Strahlenbündel eine ausgeprägte Tendenz zur Ausbreitung zeigt, steht im Gegensatz zu der gleichfalls für Wanderwellenröhren zu fordernden sauberen Fokussierung des Bündels, ohne die Teile der Verzögerungsleitung in das Bündel hineinragen und in Kürze unter Wirkung der auftreffenden Strahlung Schaden nehmen würden.

Das bekannteste Mittel zur Erzeugung einer straff gebündelten Strömung besteht darin, das aus einer Lochanode austretende Strahlenbündel durch ein fokussierend wirkendes Magnetfeld laufen zu lassen. Bei der theoretischen Behandlung einer derartigen Anordnung wird das Anodenloch häufig als elektrostatische Linse mit einer bestimmten Brennweite betrachtet. Dies entspricht der »dünnlinsigen« Betrachtungsweise der geometrischen Optik mit den Einrichtung zur Erzeugung einer gebündelten Strömung von geladenen Teilchen

Anmelder:

Hughes Aircraft Company, Culver City, Calif.

(V. St. A.)

Vertreter:

Dr.-Ing. G. Eichenberg

und Dipl.-Ing. H. Sauerland, Patentanwälte, Düsseldorf, Cecilienallee 76

Als Erfinder benannt:

George R. Brewer, Malibu, Calif. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:

V. St. v. Amerika vom 7. März 1960 (Nr. 13 333)

gleichen Einschränkungen, die auch dort gelten. Bei höheren Beträgen der Perveanz werden die Fehler, die einer derartigen Näherungsbetrachtung anhaften, bedenklich groß. Das System verhält sich dann nicht mehr annähernd wie eine Linse mit bestimmter Brennweite, hat vielmehr für die verschiedenen Strahlen verschieden große Brennweiten. Es tritt also ein Effekt ein, der der sphärischen Aberration einer optischen Linse analog ist.

Ordnet man über dem Anodenloch ein Gitter an, um dadurch eine Gleichpotentialfläche zu schaffen, oder macht man den Durchmesser des Anodenloches gegenüber dem Anoden-Kathodenabstand klein, wie dies bei Elektronenkanonen niedriger Perveanz geschieht, dann kann der elektronenoptische Einfluß des Loches ignoriert werden. Die im Gitter / infolge des Elektronenbeschusses zu vernichtende / Energie würde jedoch bei Hochspannungs-Elektro- / nenkanonen dazu führen, daß das Gitter oberhalb/ jeder noch tragbaren Temperatur arbeiten müßte./ Man ist daher in diesem Falle auf eine gitterlosef Elektronenkanone angewiesen und muß bei hohe/ Perveanz das Anodenloch gegenüber dem Kathoder/-Anoden-Abstand so vergrößern, daß auch die Verzerrung des elektrischen Feldes, die die eigentliche Ursache der erwähnten Aberration darstellt, vermehrt wird.

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Um die Aberration zu kompensieren, hat man versucht, die Stärke des Magnetfeldes über den Betrag hinaus zu erhöhen, der für eine theoretische Brilloum-Strömung nötig ist. Dabei wird unter einer Brillouin-Strömung eine solche verstanden, bei der die zentrifugalen Kräfte und die Raumladungskräfte, die auf die spiralig fliegenden Elektronen wirken, durch die radial gerichteten magnetischen Kräfte ausgeglichen sind. In dieser Weise zu verfahren, ist i di i Li d d

kompensiert, daß die mehr im Randgebiet emittierten Elektronen in der Linse weniger stark nach außen abgelenkt werden, wie dies als Folge der sphärischen Aberration bei bekannten Bauarten der Fall ist.

Eine erfindungsgemäß gestaltete Kanone kann zur Erzeugung einer im Querschnitt vollzylindrischen Strömung oder auch einer im Querschnitt hohlzylin-

gg drischen Strömung dienen, also Typen von Strömun-

jedoch in Hinblick auf die nötige Leistung und das io gen, die beide in Elektronenstrahlröhren bekannt zusätzliche Gewicht vielfach nicht möglich, bei- sind. Im ersten Falle läßt man die Symmetrieachse spielsweise bei Bordgeräten für Flugzeuge oder flie- mit der Rotationsachse zusammenfallen, so daß die gende Körper. Man wird dem Problem auf diese Emissionsfläche der Kathode zu einer einfach kon-Weise aber auch schon deswegen nicht gerecht, weil kaven Fläche wird. Im zweiten Falle wird dagegen die Erhöhung der magnetischen Feldstärke der 15 die Symmetrieachse gegen die Rotationsachse versphärischen Aberration oder muschelförmigen Ver- setzt angeordnet, so daß die Emissionsfläche der zerrung des Strahlenbündels nicht entgegenwirkt, Kathode zu einem Kreisring mit konkaver Fläche vielmehr in der Hauptsache nur dessen Periode und wird.

äußeren Durchmesser beeinflußt. In der bevorzugten Ausführung der Erfindung ist

Weiterhin ist versucht worden, in Strömungsrich- 20 symmetrisch zur Strömung und, gesehen in Richtung gesehen, hinter der Anode eine zweite Anode an- tung der Strömung, hinter der Kathode eine fokuszuordnen und diese auf einem relativ hohen Gleich- sierende Elektrode zur Herstellung geeigneter Randpotential zu halten und so zu gestalten, daß sie einen bedingungen und hinter der fokussierenden Elekelektrostatischen Feldeffekt in das Kathoden-Anoden- trode symmetrisch zur Strömung eine Beschleuni-Gebiet projiziert, der die erwähnte Feldverzerrung 25 gungselektrode angeordnet, die auf die Strömung bis kompensiert. Andere Vorschläge bestehen darin, die über die fokussierende Elektrode hinweg beschleuni-Feldverzerrung durch Verwendung zusätzlicher Elek- gend wirkt. Dadurch werden einwandfreie Randtroden zu korrigieren, die sich im Kathoden-Anoden- bedingungen an der Grenze des Bündels geschaffen, Gebiet selbst befinden, oder der Anode eine Form so daß die Ladungsträgerteilchen sich innerhalb des zu geben, die der Feldverzerrung entgegenwirkt. 30 Bündels so verhalten, als wenn das Bündel und Diese Versuche sind jedoch unzureichend und in seine Raumladung sich über eine wesentlich größere ihrer Wirkung vor allem dann begrenzt, wenn es Strecke fortsetzen würde.

sich um Elektronenkanonen von höherer Perveanz Die Zeichnung veranschaulicht einige Ausfüh-

handelt. rungsbeispiele der Erfindung für den Fall einer Strö-

Auf Grund gewisser theoretischer Überlegungen hat 35 mung von Elektronen. Es zeigt

man geglaubt, einen parallelen und klar definierten F i g. 1 einen schematisch gehaltenen Längsschnitt

Elektronenstrahl großer Stromdichte bei gleichförmi- durch eine Wanderwellenröhre bekannter Art, ger Dichte über den Querschnitt erzeugen und so- Fig. 2 eine graphische Darstellung, in der die

mit das in Rede stehende Problem lösen zu können, Elektronendichte an mehreren Stellen des muschelindem man der als konkave Rotationsfläche gestal- 40 förmig verzerrten Strahlenbündels nach Fig. 1 aufteten Emissionsfläche der Kathode eine nach außen getragen ist, wobei jede der einzelnen gezeichneten zunehmende Krümmung gibt. Eine experimentelle
Nachprüfung hat dies Vermutung jedoch nicht bestätigt.

Es wurde nun gefunden, daß man vom Einfluß der erwähnten Aberration weitgehend freikommt und auch bei hoher Perveanz eine gute Bündelung erzielt und einen Strahl erzeugen kann, der über eine

beträchtliche Länge einer geradlinigen Bahn fokus- g p

siert ist, wenn man — gerade entgegengesetzt zu der 50 Optik von Elektronenkanonen, soeben erwähnten Vermutung — die Krümmung der Fig. 5 eine schematische Darstellung einer Ka-

Eiifläh i hd dil thode mit von der Kreisform abweichender Krüm-

mung gemäß der Erfindung.

Fig. 6 eine graphische Darstellung, in der die Krümmung der Kathode nach F i g. 5 als Funktion des radialen Abstandes von der Achse aufgetragen ist,

Fig. 7 einen Schnitt durch eine Wanderwelleng g röhre mit einer Elektronenkanone nach der Erfinoptischen Achse fokussiert wie Elektronen, die aus 60 dung,
Kathodenbereichen nahe der Kathodenachse emit- Fig. 8 eine graphische Darstellung der Elektrotiert werden. Die erhöhte Krümmung nahe dieser nendichte im Strahlenbündel der Röhre nach F i g. 7, Achse bewirkt, daß die letzteren Elektronen mit wobei wie in Fig. 2 die einzelnen Kurven direkt einer größeren nach innen gerichteten Geschwindig- unterhalb der Punkte auf der Strahlenachse aufgekeit emittiert werden, als wenn man sich der ge- 65 tragen sind, an denen die Dichte bestimmt worden ohlih häih Khdflh i

gg , j g

Kurven unterhalb des Punktes des Strahlenbündels angeordnet ist, an dem die zugehörige Elektronendichte gemessen ist,

Fig. 3 ein Diagramm der Elektronenbahnen, die sich bei Verwendung der Elektronenkanone der Röhre nach F i g. 1 ergeben,

F i g. 4 eine graphische Darstellung zur Veranschaulichung der sphärischen Aberration in der

g g

Emissionsfläche mit wachsendem radialem Abstand von der Symmetrieachse abnehmen läßt. In der Maßnähme, die Emissionsfläche der Kathode in dieser Weise zu gestalten, besteht die Erfindung.

Bei einer erfindungsgemäß gestalteten Kanone werden die vom Randbereich der Kathode emittierten Elektronen bei Abwesenheit eines magnetischen Feldes in Richtung auf den gleichen Punkt der ih h

wohnlichen, sphärischen Kathodenfläche bedienen würde. Vermutlich wird durch diese zusätzliche Anfangsgeschwindigkeit in radialer Richtung der Effekt

F i g. 9 eine zweite Ausführungsform einer nichtsphärischen Kathode nach der Erfindung,

Fig. 10 eine graphische Darstellung zur Veranschaulichung der Krümmung der Kathode nach F i g. 9 und

Fig. 11 eine dritte Ausführungsform einer Kathode nach der Erfindung, bei der es sich um die Erzeugung eines hohlen, zylindrischen Strahlenbündels geladener Teilchen handelt.

Die Elektronenkanone 10 nach Fig. 1 enthält eine thermisch emittierende Kathode 12, die durch einen Heizfaden 14 geheizt wird. Die dazu nötige Stromquelle ist nicht gezeichnet. Die Kathode 12 hat eine kugelsegmentförmige und sphärisch gekrümmte Emissionsfläche 16, die ein anfangs konvergierendes Elektronenbündel 18 erzeugt. Eine fokussierende

tung auf die Mitte zu zwingen. Kurve 42 veranschaulicht das nächstfolgende Minimum in der Muschelamplitude der Gebiete hoher Dichte des Bündels, während die Kurve 44 das darauffolgende Maximum darstellt. In dem darauf wiederum folgenden Maximum ist die Dichte gemäß Kurve 46 verteilt. Diese Kurve zeigt außerdem, in welchem Maße einerseits das Bündel selbst und andererseits die darin befindlichen Gebiete hoher Dichte sich ausgedehnt haben. Darin liegt natürlich eine Defokussierung der Strömung, und es zeigt sich damit die Notwendigkeit, die Einrichtung, die für die Wechselwirkung mit der elektromagnetischen Welle vorgesehen und rein schematisch durch die gestrichelten Linien 47 angedeutet ist, in

Elektrode 20 unterstützt die anfängliche Ausbildung 15 einem für den Wirkungsgrad ungünstigen großen Abstand von der muschelförmig verzerrten Elektronenströmung anzuordnen. Denn es muß verhindert werden, daß Teile dieser Einrichtung durch auftreffende Elektronen zum Schmelzen gebracht oder anderweitig zerstört werden. Die gestrichelten Linien 49 veranschaulichen die Gebiete niedriger Dichte der Elektronenströmung, die sich hauptsächlich aus Elektronen zusammensetzen, die von den vom Umfang mehr entfernten Teilen der Kathode emittiert werden. Die 35 Zeichnung zeigt, daß dieser Teil des Bündels gleichfalls muschelförmig verzerrt und die relative Phase der muschelförmigen Verzerrungen derart ist, daß die dichteren Teile manchmal über die weniger dichten Teile nach außen hinweggehen. Aus dieser Tatsache die Anode 22 aus ferromagneti- 30 kann auch aus der Kurve 38 geschlossen werden.

Fig. 3 veranschaulicht eine Anzahl einzelner Elektronenbahnen, die von der Kathode der Kanone nach Fig. 1 ausgehen und sich bis zu einem Punkt auf der Achse ausstrecken, in welchem die Elektronen »fokussiert« wären, wenn keine Raumladungswirkungen und kein zusammenziehend wirkendes Magnetfeld vorhanden wäre. Die einzelnen Elektronenbahnen sind mit i, H, in, iv, v, vi, vii und viii bezeichnet. Dabei repräsentiert i ein Elektron, das nahe dem rung, die vielfach als muschelförmig bezeichnet wird. ₄₀ Rand der sphärisch gekrümmten Emissionsfläche 16 Die Kurven 30 bis 46 der Fig. 2 stellen die Ver- emittiert worden ist, viii dagegen ein Elektron, dessen teilung der Elektronendichte quer zum Strahlenbündel Emission nahe der Achse stattgefunden hat. Die sphädar, und zwar jeweils an der Stelle des Bündels, unter rische Aberration der Linse zwischen der Kathode 12 der sie gespeichert sind. Die erste Kurve 30 in F i g. 2
stellt die Änderung der Elektronendichte quer zum
Strahlenbündel an der Stelle dar, wo es aus der
Anodenöffnung 24 austritt. Die Spitzen hoher Dichte
befinden sich dort nahe dem Randgebiet des Bündels.
Die in dem Gebiet hoher Dichte befindlichen Elektronen haben überdies eine nach innen gerichtete Geschwindigkeitskomponente, so daß ein wenig weiter
nach rechts, also dort, wo die Dichteverteilung durch
die Kurve 32 veranschaulicht wird, die Gebiete hoher
Dichte des Bündels näher an dessen Achse liegen.
Noch näher der Achse befinden sich die Gebiete

des Bündels, indem sie längs der Grenzfläche des Bündels im Kathoden-Anoden-Bereich die Raumladungseffekte des Strahlenbündels kompensiert. In Richtung des Strahlenbündels gerechnet befindet sich hinter der fokussierenden Elektrode 20 eine Anode 22, die eine zentrische Öffnung 24 hat, durch welche hindurch das Elektronenstrahlenbündel 18 die Elektronenkanone verläßt. Die Elektroden der Kanone 10 sind an eine Spannungsquelle 26 angeschlossen, die ihnen die jeweils nötigen Potentiale erteilt. Nachdem die Elektronenströmung 18 die Anodenöffnung 24 verlassen hat, tritt sie in ein Gebiet über, in dem sie von einem axial gerichteten, fokussierenden Magnetfeld B umgeben ist. In diesem Zusammenhang sei erwähnt, daß

schem Stoff bestehen kann, um den Kathoden-Anoden-Bereich gegen das magnetische Feld magnetisch abzuschirmen. Das axial gerichtete magnetische Feld wird von einem Magneten 28 erzeugt, der ein Elektromagnet oder ein permanenter Magnet sein kann.

Die Schraffur des Bündels 18 in F i g. 1 veranschaulicht, wie die Bereiche hoher Dichte des Bündels in ihrer Verteilung verzerrt sind, eine Verzer-

45

hoher Dichte an der Stelle, die durch die Kurve 34 repräsentiert wird. Dies ist der Punkt der ersten sogenannten Muschel, wo die Gebiete hoher Dichte der Achse am nächsten liegen. An dieser Stelle beginnen die rückschleudernden Raumladungskräfte, die von den Elektronen herrühren, wirksam zu werden. Sie zwingen die Gebiete hoher Dichte des Bündels, radial nach außen zu expandieren, wie dies durch die Kurve veranschaulicht ist. An der Stelle des Bündels, die

und der Anode 22 wirkt sich darin aus, daß die äußeren Elektronen weniger stark nach außen abgelenkt werden, als es der Fall wäre, wenn es sich um eine Linse ohne sphärische Aberration handeln würde. Dies hat zur Folge, daß die Elektronenbahn i die Achse bei einer wesentlich kürzeren Brennweite schneidet als die Elektronenbahn viii. Ein Bündel mit derartigen Eigenschaften heißt nichthomozentrisch. Die Tatsache, daß den Elektronen keine Brennweite gemeinsam ist, macht es unmöglich, die magnetische Feldstärke B so zu wählen, daß eine ideale BriUouin-Strömung entsteht. Sie hat außerdem eine Elektronenhäufung nahe der Brennfläche des Bündels im Bereich 48 nahe der Anodenöffnung 24 zur Folge. Durch die einander kreuzenden Elektronenbahnen in diesem Gebiet entstehen scharf ausgeprägte Spitzen der Elektronendichte, wie sie in der Kurve 30 der Fig. 3 erscheinen. Die Betrachtung der Bahnen im Bereich 48 zeigt ferner, daß diese Bahnen eine wesentlich größere nach innen gerichtete Radialkomponente der Geschwindigkeit haben, als die Bahnen im

der Kurve 38 entspricht, haben die Elektronen hoher 65 Innern des Bündels. Dies ist, wie oben erläutert, einer

Dichte ihre größte Abweichung von der Achse der der Faktoren, die bei der unerwünschten muschel-

Strömung erreicht, und das Magnetfeld B beginnt er- förmigen Verzerrung eine Rolle spielen, wie sie in

neut, die Elektronen zusammenzuziehen und in Rieh- Fig. 1 und 2 veranschaulicht ist.

In der graphischen Darstellung nach Fig. 4 ist das Maß übermäßiger Neigung im Bereich 48 veranschaulicht. Aufgetragen ist die an einer Elektronenkanone bisheriger Art gemessene Bahnneigung der emittierten Elektronen an der Anodenöffnung 24. Hätte die Linse keinerleit Aberration, so würden die Neigungen der Elektronenbahnen linear mit dem radialen Abstand von der Achse bis zum Durchmesser der Anodenöffnung wachsen. Dieser Zustand

konstant ist. Linie 64 repräsentiert die Krümmung der Fläche 58 und zeigt, daß diese Krümmung nahe der Achse größer ist als am Rand. Am Rand ist die Krümmung der Fläche 58 gleich derjenigen der sphäri-5 sehen Kathodenfläche, und zwar wesentlich kleiner als an der Achse.

Fig. 7 zeigt einen Teil einer Wanderwellenröhre 66, die mit einer Elektronenkanone 54 gemäß F i g. 5 ausgerüstet ist. Die Kathode 56 hat eine gekrümmte

ist in F i g. 4 durch die gerade Linie 50 repräsentiert, io Emissionsfläche 58, die von einer sphärischen Fläche während die gekrümmte Linie 52 die tatsächlich ge- abweicht, wie der Vergleich mit dem gestrichelt gemessenen Werte wiedergibt. Dem in Fig. 3 mit 48 zeichneten Kreisbogen 60 zeigt. Eine fokussierende bezeichneten Bereich entspricht in F i g. 4 die Klam- Elektrode 68 dient zur Unterstützung der Formung mer 48 nahe dem oberen Ende der Kurve 52. Erkenn- des Anfangteiles des Strahlenbündels. Vorgesehen ist bar ist ferner, daß im Bereich von 0,01 bis 0,15 cm 15 ferner eine Anode 70 aus ferromagnetischem Stoff die Bahnneigung den Idealwert übersteigen, während mit einer Anodenöffnung 72, durch welche die Elekunterhalb von 0,075 cm die Neigung etwas geringer tronenströmung 74 austritt. Hat die Strömung die als ideal ist. Ein Zweck der Erfindung besteht darin, Öffnung 72 verlassen, so gelangt sie in das Gebiet eine Elektronenkanone zu schaffen, bei der die tat- eines axial gerichteten fokussierenden Magnetfeldes B, sächlich gemessenen Bahnneigungswerte, wenn sie ge- 20 das durch einen Elektromagneten 76 erzeugt wird, maß Fig. 4 aufgetragen werden, eine gerade Linie Wegen der guten Fokussierung und Bündelung, die wie die Linie 50 ergeben. mit der Elektronenkanone 54 erreicht wird, kann die

Die muschelförmige Verzerrung und die ungleich- Strömung wesentlich dichter an die für die Wechseiförmige Verteilung der Elektronen, gerechnet quer wirkung mit der elektromagnetischen Welle vorgedurch das Strahlenbündel hindurch, haben, wie schon 25 sehenen, durch gestrichelte Linien nur angedeuteten erwähnt, ihre Ursache darin, daß Elektronen, die von Einrichtung 78, etwa eine Wendel, herangebracht und den äußeren Bereichen der Kathode emittiert werden, damit in ihrer Wirksamkeit beträchtlich erhöht durch die zwischen der Kathode und der Anode be- werden.

findlichen Linse nicht genügend stark nach außen ab- F i g. 8 veranschaulicht die verbesserte radiale Vergelenkt werden. Sie haben also eine zu große radial 30 teilung der Elektronendichte in der Strömung 74 nach innen gerichtete Geschwindigkeit. F i g. 5 zeigt, durch die Darstellung einzelner Kurven oder Profile wie diese übermäßig große nach innen gerichtete Ge- 80 bis 96. Ein Vergleich mit den Kurven oder Proschwindigkeit der äußeren Elektronen bei einer erfin- filen nach F i g. 2 zeigt die erreichte Verbesserung in dungsgemäß gestalteten Elektronenkanone korrigiert der Bündelung und Fokussierung der Elektronenströwird. Die Elektronenkanone 54 hat eine Kathode 56, 35 mung 74, verglichen mit der Elektronenströmung 18 deren gekrümmte Emissionsfläche 58 nicht sphärisch des früheren Gerätes. Insbesondere ist aus F i g. 8 er- oder kugelsegmentförmig gestaltet ist, vielmehr einen sichtlich, daß die steilen und hohen Spitzen, die sich Krümmungsradius hat, der mit Annäherung an die bei dem früheren Gerät gemäß F i g. 2 ergeben, nicht Achse oder Mittellinie der Kanone wächst. Die Ab- mehr auftreten und die Strömung im übrigen durch weichung der gekrümmten Fläche 58 von einer sphä- 40 die Beseitigung der muschelförmigen Verzerrung und rischen Fläche ist durch den eingezeichneten ge- den Fortfall der Ausbreitung bedeutend verbessert strichelten Kreisbogen 60 deutlich gemacht. Am Um- ist. Mittels der Elektronenkanone 54 können demfang oder Rand der beiden Flächen 58 und 60 sind gemäß Strömungen von größerer Stromstärke und ihre Krümmungen einander gleich. Nahe der Mittel- höherer Perveanz als bisher erreicht werden, ohne linie ist dagegen die Krümmung der Fläche 58 größer 45 daß das Bündel sich übermäßig stark ausbreitet und als diejenige der Fläche 60. Elektronen, die nahe dem muschelförmig verzerrt wird, so daß ein Bündel Umfang oder Rand der Kathode 56 emittiert werden, höherer Energie dichter an die Wechselwirkungsein-' haben annähernd dieselbe Radialgeschwindigkeit wie richtung, etwa eine Wendel, heranprojiziert werden Elektronen, die von einer sphärischen Kathode emit- kann, um dadurch beispielsweise die Wechselwirkung tiert werden. Sie wurden also an der gleichen Stelle 5° zwischen Wanderwellen und der Elektronenströmung fokussieren wie das Elektron, das durch die Bahn i wesentlich zu verstärken.

in F i g. 3 repräsentiert wird. Elektronen dagegen, die F i g. 9 zeigt eine von der Ausführung nach

nahe der Achse emittiert werden, haben eine größere F i g. 5 etwas abweichende Kathode mit gekrümmter, nach innen gerichtete Radialgeschwindigkeit als bei nichtsphärischer Fläche. Bei der Kathode 97 nach den bisher bekannten Elektronenkanonen. Dies hat 55 F i g. 9 ist die Emissionsfläche 98 im mittleren Teil ----- J₁₃J₁₆ J₆J. Achse j_m wesentlichen sphärisch gekrümmt,

wie der Vergleich mit dem gestrichelt gezeichneten Kreisbogen 100 zeigt. Nahe dem Rand der gekrümmten Fläche ist die Krümmung jedoch vermindert, und ⁶⁰ die Emissionsfläche tritt daher gegen den Kreisbogen 100 zurück, der gewissermaßen eine Kathode der bisherigen Art repräsentiert.

Die in Fig. 10 gegebene graphische Darstellung bezieht sich auf die Kathode nach Fig. 9. Auf-

tiert R die Außenkante der Kathodenfläche 58. Die ⁶5 getragen ist in Form der Linie 102 die Krümmung der Linie 62 ist gerade und parallel zur waagerechten Fläche 98 und zum Vergleich dazu in Form der Linie Achse. Sie bedeutet, daß bei einer sphärischen Emis- 104 die konstante Krümmung einer sphärischen sionsfläche die Krümmung über die sphärische Fläche Fläche, also diejenige des Kreisbogens 100. Nahe der

zur Folge, daß sie bei einer Brennweite fokussieren,
die kurzer ist, als wenn sie von einer sphärischen
Fläche emittiert würden. Auf diese Weise kann man
ein konvergierendes Bündel erzeugen, das homozentrisch ist.

In F i g. 6 ist die Krümmung der Emissionsfläche
58, also der Reziprokwert des Krümmungsradius r,
als Funktion des radialen Abstandes von der Achse
aufgetragen. Auf der waagerechten Achse repräsen-

Achse sind die Krümmungen einander gleich. Mit wachsendem radialen Abstand weichen sie bis zum Kathodenrand, der auf der waagerechten Achse 'durch den Punkt R repräsentiert wird, zunehmend voneinander ab. Das Ergebnis ist im wesentlichen das gleiche wie bei der nichtsphärischen Kathode nach Fig. 5. Denn den äußeren Elektronen wird eine geringere Radialgeschwindigkeit nach innen erteilt, so daß bessere Bündelung der Strömung möglich ist.

Fig. 11 zeigt eine erfindungsgemäß gestaltete konvergierend wirkende Kanone 105 zur Erzeugung einer hohlzylindrischen Strömung von Ladungsträgerteilchen. Die Emissionsfläche 106 hat hier die gleichen allgemeinen Eigenschaften wie die Emissionsflächen der Kathoden der bereits beschriebenen Kanonen, etwa derjenigen nach Fig. 5. Die Emissionsfläche 106 oder, genauer gesagt, ein Querschnitt durch diese Fläche, stellt sich als eine Kurve dar, die symmetrisch zu einer Symmetrielinie 108 ist, welche im wesentlichen parallel zur Mittellinie der Kanone liegt. Die Krümmung der Kurve, die in der Zeichnung die Emissionsfläche 106 darstellt, nimmt auch hier mit zunehmendem Abstand von der Linie 108 ab. Die Emissionsfläche 106 ist ein Kreisring, also eine Rotationsfläche, deren Rotationsachse mit der Achse der Kanone zusammenfällt, nicht aber mit der Symmetrielinie 108. Neben der Kanone ist eine fokussierende Elektrode 110 angeordnet, die die Bildung eines konvergierenden, im Querschnitt ringförmigen Bündels geladener Teilchen unterstützt. Gerechnet in Richtung der Strömung befindet sich hinter der Fokussierungselektrode eine Beschleunigungselektrode 112.

Die Erfindung ist, wie erwähnt, nicht auf die Erzeugung von Elektronenströmungen beschränkt, erstreckt sich vielmehr auch auf Strömungen anderer geladener Teilchen, etwa Ionen, Protonen od. dgl. Ferner ist die Erfindung nicht auf Kanonen zur Erzeugung von Bündeln oder Strömungen zylindrischer Form beschränkt. Beispielsweise kann die Kanone nach Fig. 5 so umgestaltet werden, daß sie ein von ebenen Flächen begrenztes oder schichtförmig oder bandförmig gestaltetes Bündel erzeugt.

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Einrichtung zur Erzeugung einer dichten, gebündelten, längs einer geraden Bahn verlaufen- S. den Strömung von geladenen Teilchen, insbesondere Elektronen, die im Bereich dieser Bahn von im wesentlichen gleichbleibendem Durchmesser ist, mit einer die Teilchen emittierenden Elektrode, deren konkave Emissionsfläche eine Rotationsfläche ist, deren Rotationsachse in der Bahn der Strömung liegt, und bei der die die Rotationsfläche erzeugende Kurve symmetrisch zu einer Symmetrieachse ist, wobei die Krümmung dieser Kurve sich mit dem radialen Abstand von der Symmetrieachse ändert, dadurch gekennzeichnet, daß die Krümmung der Emissionsfläche mit wachsendem radialem Abstand von der Symmetrieachse abnimmt.

2. Einrichtung nach Anspruch 1 zur Erzeugung einer im Querschnitt vollzylindrischen Strömung, dadurch gekennzeichnet, daß die Symmetrieachse mit der Bahn der Strömung zusammenfällt, so daß die Emissionsfläche (58, 98) der die geladenen Teilchen emittierenden Elektrode (56, 97) zu einer einfachkonkaven Fläche wird.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 zur Erzeugung einer im Querschnitt hohlzylindrischen Strömung, dadurch gekennzeichnet, daß die Symmetrieachse gegen die Rotationsachse versetzt liegt, so daß die Emissionsfläche (106) der die Teilchen emittierenden Elektrode (105) zu einem Kreisring mit konkaver Hache wird.

4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß symmetrisch zur Strömung und, gesehen in Richtung der Strömung, hinter der die Teilchen emittierenden Elektrode (56, 105) eine fokussierende Elektrode (68, 110) zur Herstellung geeigneter Randbedingungen und hinter der fokussierenden Elektrode (68,110) symmetrisch zur Strömung eine Beschleunigungselektrode (12, 112) angeordnet ist, die auf die Strömung bis über die fokussierende Elektrode (68, 110) hinweg beschleunigend wirkt.

In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschrift Nr. 831856; USA.-Patentschrift Nr. 2 812 467; »Proceedings of the IRE«, Vol. 38, 1950, Nr. 6, bis 650.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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