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Kathode zur startfreien Erzeugung von Feldelektronen nach dem Malterprinzip
und Verfahren zur Herstellung einer Kathode Die Erfindung betrifft eine Kathode
zur startfreien Erzeugung von Feldelektronen nach dem Malterprinzip, bei dem die
auf eine Metallunterlage aufgebrachte dünne Isolierschicht ganz oder teilweise mit
einer dünnen elektrisch leitenden Schicht bedeckt ist; die durch Anlagen einer definierten
Spannung auf ein gegenüber dem Metallkern positives Potential gebracht ist.
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Bei dem Maltereffekt werden Feldelektronen dadurch erzeugt, daß auf
einer Unterlage aus Aluminium auf elektrochemischem Wege eine dünne Isolierschicht
aus Aluminiumoxyd erzeugt wird. Durch vorsichtiges Aufdampfen und Oxydieren von
Caesium wird auf der Oberfläche des Aluminiumoxyds eine Schicht mit hoher Sekundäremission
erzeugt. Diese Schicht bewirkt, daß bei dem Auftreffen von Primärelektronen eine
größere Anzahl von Sekundärelektronen frei gemacht wird, " wodurch die Oberfläche
des Aluminiumoxydes gegenüber der Metallunterlage ein positives Potential annimmt.
Bei genügend geringer Dicke und genügend hoher Durchschlagsfestigkeit der Isolierschicht
kann das positive Potential an der Oberfläche so hohe Werte annehmen, daß aus der
Aluminiumunterlage Feldelektronen frei gemacht werden, deren Geschwindigkeit so
groß ist, daß sie das Kristallgitter des Aluminiumoxydes in der Form eines Tunnelstromes
durchdringen und als freie Elektronen in den Vakuumraum austreten.
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Eine solche kalte Kathode hat den Vorteil, daß der Energieaufwand
für die Heizung der Kathode entfällt, und sie darüber hinaus nicht mit der Trägheit
einer Glühkathode behaftet ist.
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Es ist bereits :eine Kathode bekannt, die aus einer muhen metallischen
Oberfläche mit einem darüber befindlichen Dielektrikum und einer dünnen Schicht
aus Elektronen oder Sekundärelektronen abgebendem Material besteht. Durch Anlegen
einer Spannung an die rauhe metallische Schicht und die Elektronen oder Sekundärelektronen
abgebende Schicht kann der Elektronenstrom gesteuert und zusätzlich durch ein Gitter
beeinfiußt werden.
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Diese Kathode ist auch mit einer Vielzahl nadelförmiger Spitzen an
Stelle der rauhen metallischen Oberfläche bekannt. Außerdem ist es auch bekannt,
startfreie Kathoden dadurch zu erzeugen, daß die Isolierschicht mit einer perforierten
oder netzartigen Elektrode bedeckt wird.
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Bei diesen bekannten Kathoden tritt aber infolge der mechanischen
Unstetigkeit der Schichten, insbesondere durch die geforderte Rauhigkeit der Kernschicht
und durch die Ungleichmäßigkeit der Oberschicht eine geringere Ausbeute an freien.
Elektronen und ein derart hohes Schrotrauschen auf, daß eine technische Verwendbarkeit
in Elektronenröhren nicht gegeben ist.
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Eine praktische Anwendung hat der Maltereffekt für die Herstellung
von Kaltkathoden wegen des außerordentlich hohen Schrotrauschens bisher nicht gefunden.
Dieser Störeffekt beruht vermutlich auf der gegebenen statistischen Verteilung der
Anfangsgeschwindigkeit der Elektronen, die auch zu Anodenstromschwankungen führt.
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Zweck der Erfindung ist deshalb eine Erhöhung der Stromausbeute und
eine wesentliche Verminderung des Schrotrauschens und auch eine entsprechende Verminderung
der Schwankungen des Anodenstromes.
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Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Kathode zur
startfreien Erzeugung von Feldelektronen nach dem Malterprinzip durch .eine geeignete
Dimensionierung der Schichten der Kathode zu schaffen.
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Erfindungsgemäß ist diese Aufgabe dadurch gelöst worden, daß die Isolierschicht
eine große Gleichmäßigkeit in der Struktur, Zusammensetzung und Dicke aufweist und
daß die darauf aufgebrachte leitende Schicht so dünn gewählt ist, daß sie in optimaler
Dicke unter Berücksichtigung des Zuleitungsstromes eine möglichst gleichmäßige Spannungsverteilung
über die ganze Oberfläche gewährleistet und dabei nur einen Bruchteil der aus der
Metallunterlage gezogenen Feldelektronen absorbiert.
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Es hat sich erwiesen, daß die Ausbildung der Isolierschicht wie auch
der aufgebrachten leitenden Schicht für die Brauchbarkeit der Kathode von entscheidender
Bedeutung ist. Nur bei einer großen Gleichmäßigkeit der Struktur, Zusammensetzung
und Dicke der Isolierschicht kann eine gleichmäßige Geschwindigkeit
der
erzeugten Feldelektronen erzielt werden. -Als hochisolierende Zwischenschicht kommen
hauptsächlich die Oxyde, Sulfide und Silikate der Erdalkalien, des Berylliums, Magnesiums
und Aluminiums zur Verwendung. Aber auch die Oxyde des Titans, Zirkons und-Tantals
sind wegen ihrer hochisolierenden Eigenschaften in Betracht zu ziehen.
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Die Aufbringung kann in, bekannter Weise durch Aufdampfen, Aufsprühen,
Aufpinseln, Elektrophorese und Tauchen .erfolgen. Als besonders vorteilhaft hat
sich die Methode erwiesen, bei der das Grundmetall beispielsweise aus Aluminium,
Magnesium oder Tantal auf elektrochemischem Wege oder durch eine thermische Behandlung
in Sauerstoff oder Schwefeldampf oberflächlich in die gewünschte isolierende Verbindung
übergeführt wird.
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Bei der auf die Isolierschicht aufgebrachten leitenden Schicht kommt
es entscheidend darauf an, daß weder eine zu hohe Absorption der frei gemachten
Feldelektronen noch- eine ungleichmäßige Feldverteilung auf der Kathodenoberfläche
eintritt.
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Es wurde gefunden, daß die Dicke der aufgebrachten leitenden Schicht
in Abhängigkeit von dem Zuleitungsstrom zu bestimmen ist. Bei einer zu dünnen leitenden
Schicht tritt infolge des Spannungsabfalles an dieser Schicht auf Grund ihres hohen
ohmschen Widerstandes eine ungleichmäßige Feldverteilung auf der Kathodenoberfläche
auf, während bei einer zu dicken Schicht eine zu hohe Absorption der frei gemachten
Feldelektronen erfolgt. Die Dicke der leitenden Schicht hat den größten Wirkungsgrad,
wenn bei möglichst gleichmäßiger Spannungsvertellung über die ganze Kathodenoberfläche
nur ein Bruchteil der aus der Metallunterlage gezogenen Feldelektronen absorbiert.
wird. Bei Hochstromkathoden muß also die Dicke der leitenden Schicht erhöht, dagegen
bei Kathoden mit geringer Emission vermindert werden.
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Die Erzeugung der wirksamsten Schichtdicke kann in bekannter Weise
durch Verdampfen oder Kathodenzerstäubung erfolgen.
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Ein anderer Weg zur Erzeugung der elektrisch leitenden Schicht kann
dadurch erreicht werden, daß die Isolierschicht aus einer chemischen Verbindung
besteht, die durch oberflächliche Reduktion elektrisch leitend gemacht werden kann.
So kann das gut isolierende weiße Titandioxyd TiO2 durch Erhitzen in Wasserstoff
in die dunkle, elektrisch leitende Verbindung T:02 _ x übergeführt werden. Die Reduktion
kann auch durch Elektronenbeschuß erfolgen.
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Um eine noch bessere Feldverteilung auf der Kathodenoberfläche zu.
erhalten, ist es vorteilhaft, wenn die dünne elektrisch leitende Schicht durch eine
zusätzliche leitende Schicht in Form eines Gitters oder einer zusammenhängenden
Spirale verstärkt wird, die dann die Stromleitung bevorzugt übernimmt. Die Aufbringung
dieser zusätzlichen Schicht kann beispielsweise mittels einer Schablone durchgeführt
werden.
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Durch Erniedrigung der Austrittsarbeit der leitenden Oberschicht kann
eine Emissionserhöhung erreicht werden. Die Herabsetzung der Austrittsarbeit kann
in bekannter Weise beispielsweise durch Aufdampfen oder Aufsprühen von Thorium,
Cer oder CaO erfolgen. Dieser. Effekt scheint darin seine Ursache zu haben, daß
die die Leitschicht durchdringenden Feldelektronen in dieser Schicht Sekundärelektronen
auslösen, deren Freimachung durch eine Herabsetzung der Austrittsarbeit erleichtert
wird.
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Der technische Fortschritt der beschriebenen Kathode liegt in der
wesentlichen Verminderung des Schrotrauschens und in der Erhöhung der Ausbeute an
freien Elektronen.