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Elektronenstrahlerzeugungssystem Die Erfindung betrifft ein Elektronenstrahlerzeugungssystem
mit einer direkt geheizten Flächenkathode, die in einenf schachtförmigen, zentralen
Teil der die Kathode umgebenden Wehnelt-Elektrode angeordnet ist, und mit einer
Anode.
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Elektronenstrahlerzeugungssysteme bestehen aus einer direkt oder indirekt
geheizten Kathode zum Zwecke der Elektronenemission und einem Wehnelt-Zylinder zur
Bündelung der emittierten Elektronen. Von der Ausführung dieser beiden Teile hängt
im wesentlichen die Größe des Anteiles der auf einen Elektronenauffänger treffenden
Elektronenzahl ab. Sie beeinflussen also in hohem Maße den Durchgriff einer solchen
Anordnung.
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Die zur Erzeugung eines strich- oder punktförmigen Elektronenbündels
bekannten Elektronenstrahlerzeugungssysteme verwenden zur Elektronenemission: a)
eine Spiralwendel, b) ein direkt geheiztes Band, c) eine indirekt geheizte
Bolzen- oder L-Kathode, d) eine Oxydkathode oder e) eine Flachspirale.
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a) Der in technischen elektrostatischen Fokussierungssystemen bisher
gebräuchlichste Elektronenemitter ist die Spiralwendel. Sie hat jedoch folgende
Nachteile: Da die Potentiallinien 1 des elektrostatischen Feldes vor der
zylindrischen Wendel gewellt sind (F i g. 1), laufen die Elektronen auf divergierenden
Bahnen 2, so daß die Bündelung der von den Wendelseiten 3 kommenden Elektronen
Schwierigkeiten bereitet. Die mit solchen Kathoden erhaltenen Brennflecke zeigen
darum oft Mehr-Strich-Struktur. Mit Hilfe eines Wehnelt-Zylinders 4 kann man in
Dioden, z. B. Röntgendioden, die aus Kathodensystein und Anode bestehen, die Schwierigkeiten
herabsetzen und eine elektronenoptische Abbildung der Wendel auf der Anode etwa
im Verhältnis 1 : 1 erhalten.
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Bei gittergesteuerten Röhren, z. B. bei Röntgentrioden, Sende-, Oszillographen-
oder Fernsehröhren, hat diese Anordnung Nachteile, weil hier Gitterströme in der
Größenordnung von 10 ... 2011/o der Anodenströme auftreten oder der Durchgriff
bei kleinen Anodenspannungen stark herabgesetzt wird.
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b) Bei einem direkt geheizten Band 5, also bei einer
ebenen Kathode (F i g. 2) tritt die obenerwähnte Welligkeit des elektrischen
Feldes nicht mehr auf. In Verbindung mit einem Steuergitter 12 mit schmaler Schlitzblende
und geraden oder abgeschrägten Stirnflächen kann man ein nahezu paralleles Elektronenbündel
6 erzielen, das sogar schwach konvergieren kann (F i g. 3).
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Ein wesentlicher Nachteil dieser Bandkathode 5
ist eine Emissionsstromausbeute
von nur etwa 20 ...
50#t A und eine sehr geringe Lebensdauer der Kathode
von nur etwa 200 Brennstunden. Solche Bandkathoden erfordern entweder eine sehr
hohe Heizleistung, wenn das Band nicht zu dünn gewählt und somit mechanisch stabil
sein soll, oder aber das Band erliegt bei dünnerem Bandmaterial mit norinaler Heizleistung
bald einer Durchbiegung. Außerdem ist die Wärmeableitung an den Heizstromzuleitungen,
d. h. an den Enden des Bandes, besonders hoch, so daß aus dieser Tatsache
infolge einer Abkühlung an den Bandenden eine ungleichmäßige Erhitzung des Bandes
auftritt. Diese Nachteile haften auch einer aus der deutschen Auslegeschrift
1036 419 bekannten Kathode an, die dort aber eine geringere Rolle spielen,
weil diese Elektronenquelle für ein an der Pumpe arbeitendes Elektronenstrahlgerät
bestimmt ist.
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c) Kathodensysteme mit indirekt geheizten Bolzen- oder L-Kathoden
liefern Emissionsströme von schon etwa 2 ... 5 mA, doch ist der Heizmechanismus,
insbesondere wegen einer Stabilisation des Heizstromes, für eine praktisch-technische
Ausführung noch zu kompliziert und die Lebensdauer der Kathoden, speziell der Bolzenkathode,
zu gering.
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d) Oxydkathoden sind insbesondere für Hochspannungsröhren ungeeignet,
da die Oxydschicht beim Anlegen einer Hochspannung leicht abblättert und die aus
der Oxydkathode kommenden Gase das Vakuum einer mit Hochspannung betriebenen Röhre
empfindlich stören.
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e) Flachspiralen haben zwar gegenüber Bandkathoden eine ausreichendeLebensdauerundbrauchbare
Potentialflächen, doch ist auch bei ihnen die
Elektronenemission
infolge der starken Wärmeabfuhr an den Drahtenden unbefriedigend.
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Zur Vermeidung der den bekannten Elektronenstrahlerzeugungssystemen
anhaftenden Mängel wird bei einem System, bestehend aus einer direkt geheizten Flächenkathode,
die in einem schachtförinigen, zentralen Teil der die Kathode umgebenden Wehnelt-Elektrode
angeordnet ist, und einer Anode, gemäß der Erfindung vorgeschlagen, die Kathode
als Wendel auszubilden, die im Schnitt senkrecht zur Wendelachse die Form eines
liegenden D oder eines abgerundeten Rechtecks aufweist, die Wendel auf ihrem
ganzen Umfang durch den schachtförmigen Teil der Wehnelt-Elektrode eng zu umschließen,
die Wehnelt-Elektrode mit ihren die Wendel eng umschließenden Teilen etwas über
die der Anode zugewandte Fläche der Wendel hinausreichen zu lassen und die der Wendel
zugewandte Fläche der Anode trichterfönnig auszubilden, wobei der enge Teil des
Trichters der Wendel zugekehrt ist.
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Diese Kombination ergibt ein System, welches zugleich einen hohen
Richtstrahlwert, eine hohe Lebensdauer von mehreren tausend Betriebsstunden und
eine sehr gleichmäßige Elektronendichteverteilung aufweist.
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Diese Vorteile werden auch nicht erzielt mit einem weiteren- aus der
USA.-Patentschrift 2 019 600 bekannten Kathodensystem, bei dem die Kathode
ebenfalls als Wendel ausgebildet ist, die im Schnitt senkrecht zur Wendelachse die
Form eines Dreiecks aufweist. Durch den großen gegenseitigen Abstand der einzelnen
Drahtwindungen ist bei dieser bekannten Kathode das elektrische Feld in der Kathodenoberfläche
in Längsrichtung der Wendel zwischen den einzelnen Drahtwindungen stark gestört.
Weiterhin ist diese Wendel in einen Wehnelt-Zylinder derart eingebaut, daß mit diesem
bekannten System stets nur ein divergierendes Strahlenbündel zu erzeugen ist.
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Ausführungsbeispiele der beschriebenen Einrichtung sind in den F i
g. 3 bis 5 der Zeichnung erläutert. F i g. 3 zeigt perspektivisch
eine Wendel mit einer konkav ausgebildeten Stirnfläche 7, wobei jede Drahtwindung
die Form eines liegenden D hat.
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F i g. 4 zeigt eine andere Ausführungsform einer Wendel mit
ebener Austrittsfläche 8, wobei die einzelnen Drahtwindungen die Form von
abgerundeten Rechtecken haben. Ist in beiden Fällen die Länge der Wendel gleich
der Breite des ebenen bzw. konkaven Drahtabschnittes, so eignen sich derartige Wendeln
zur Erzeugung punktförmigür Brennflecke. Gegenüber der bekannten Flachspirale weist
ein derartiger Elektronenemitter eine weit höhere Strahldichte auf. Wählt man die
Länge der Wendel größer als ihren Querschnitt, so kann man strichförmige Brennflecke
bzw. fächerförmige Elektronenstrahlbündel erzrucen.
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Eine so ausgebildete Kathode 9 ist von einem engen Kanal
10 umgeben (F i g. 5), welcher den Elektronenstrahl unmittelbar nach
dem Austritt aus der Kathode bündelt. Dabei liegt die ebene oder konkave Oberfläche
der Wendel gegenüber der vorderen Abschlußfläche. des Kanals etwas zurück. Zur Verbesserung
derElektronenbündelung kann schließlich der äußere Teil der Stirnfläche des Wehnelt-Zylinders
in abgeschrägten Flächen 11 endigen. Es kann aber auch zusätzlich dazu noch
in bekannter Weise das Potential am Glühdraht gegenüber dem Wehnelt-Zylinder verändert
werden. Einige Millimeter vor der Kathode liegt die Anode 12. Diese Anode 12 weist
gleichfalls eine kathodenseitig abgeschrägte Stirnfläche auf, die etwa parallel
zu der topfförmigen Stimfläche des Wehnelt-Zylinders steht. Außerdem ist gegenüber
der Wendel in dieser Anode eine geeignet groß gewählte Öffnung angebracht, durch
die die Elektronen in den Entladungsraum.treten können.
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Durch diese Anordnung entsteht ein nahezu homogenes elektrisches Feld
vor der Kathode, dessen Potentiallinien, von der Anode aus gesehen, sogar etwas
konkav verlaufen, so daß das Elektronenstrahlbündel parallel bzw. konvergierend
durch die öffnung der Anodenblende 12 austritt. Diese ist gegenüber der Kathode
positiv vorgespannt.
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Das Gesamtsystem eignet sich für Fernseh- und Oszillographenröhren
alsElektronenstrahlerzeugungssystem hoher Strahldichte und Zeichenschärfe und gestattet,
Röntgenröhren mit kleinen Brennflecken herzustellen, wie sie insbesondere für diagnostische
Zwecke Bedeutung erlangen.
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Infolge der günstigen Feldverteilung vor der Kathode eignet sich das
beschriebene Strahlerzeu-"ungssystem or für alle Anwendungen, wo es auf hohe Strahldichte,
großen Durchgriff, geringe Gitterströme und starke Anodenströme ankommt, insbesondere
also auch für Sende- und Röntgenfeinfokusröhren in Triodenschaltung. Als praktisches
Beispiel sei erwähnt, -daß bei einer Heizleistung von 20 Watt unter normalen Betriebsbedingungen,
die eine Lebensdauer von mindestens 1000 Brennstunden garantieren, ein Emissionsstrom
von über 30 mA erzeugt werden kann, der in weitem Bereich praktisch unabhängig
von der Anodenspannung ist und nur auf die an das Gitter angelegte Gitterspannuno,
reagiert. Dabei lag im Arbeitsbereich der Gitterstrom etwa unter 2% des Anodenstromes.