DE1232663B

DE1232663B - Hohlkathode mit einer Elektronenaustrittsoeffnung

Info

Publication number: DE1232663B
Application number: DEC27903A
Authority: DE
Inventors: Harry Huber
Original assignee: CSF Compagnie Generale de Telegraphie sans Fil SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 1961-09-27
Filing date: 1962-09-08
Publication date: 1967-01-19
Also published as: US3253180A; GB1020233A; FR1308692A; NL283468A

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND DEUTSCHES ^jjj^i^ PATENTAMT

PATENTSCHRIFT

Cl.:

HOSh

Deutsche KL: 21 g - 21/01

Nummer

Aktenzeichen: Anmeldetag: Auslegetag:

Ausgabetag:

C 27903 VIII c/21 g
8. September 1962
19. Januar 1967
27. Juli 1967

Patentschrift stimmt mit der Auslegeschrift überein

Die Erfindung Betrifft eine Hohlkathode mit einer Elektronenaustrittsöffnung, welche kleiner als die Querabmessung des Kathodeninnenraumes ist, mit einer bei Erhitzung Elektronen emittierenden Schicht, die mindestens einen Teil der inneren Oberfläche der Kathode überzieht, sowie mit Mitteln zum Beheizen der Kathode.

Derartige bekannte Hohlkathoden liefern einen Elektronenstrom großer Dichte, weil die Elektronen von einer relativ großen Oberfläche im Innern des aufgeheizten Hohlraumes emittiert werden und durch eine öffnung mit relativ kleiner Fläche ausströmen.

Es hat sich jedoch gezeigt, daß die von bekannten Hohlkathoden gelieferte Stromdichte nicht so hoch ist, wie theoretisch anzunehmen wäre, wenn man das Verhältnis der emittierenden Fläche und der Austrittsöffnung bildet.

Die Erfindung hat das Ziel, eine Hohlkathode der eingangs genannten Gattung zu schaffen, welche eine größere Stromdichte aufweist als eine bekannte Hohlkathode gleicher Abmessungen.

Hierzu sieht die Erfindung vor, daß ein beheizter Behälter vorgesehen ist, welcher durch eine Leitung mit dem Kathodeninnenraum verbunden ist und eine verdampfende Substanz enthält, welche in den Kathodeninnenraum strömt und dort ionisiert wird. Durch diese Maßnahme wird offenbar eine gleichförmigere Verteilung der im Innern des Hohlraumes emittierenden Elektronen gewährleistet, woraus sich eine größere Stromdichte an der Austrittsöffnung ergibt.

Es ist auch bereits eine Plasmakathode bekannt, deren Oberfläche in dem Anoden-Kathoden-Raum einer Röhre, die mit ionisierbarem Gas gefüllt ist, mündet, um das Plasma in dem Anoden-Kathoden-Raum zu erzeugen. Bei dieser bekannten Röhre liegt jedoch keine Hohlkathode vor, und auch die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe der Vergrößerung der Dichte des Elektronenstromes ist nicht gestellt. Insbesondere ist bei der bekannten Röhre nicht der das wesentliche Merkmal der Erfindung bildende beheizte Behälter vorgesehen, der durch eine Leitung mit dem Kathodeninnenraum verbunden ist und eine verdampfende Substanz enthält.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, daß die verdampfende Substanz durch Berührung mit einer heißen Fläche ionisiert wird. Als ionisierbare Substanz kann Zäsium verwendet werden.

Die elektronenemittierende Schicht besteht vorzugsweise aus Wolfram, Tantal, Rhemum oder Niob.

Wird eine Kathode verwendet, bei der die Aus-

Hohlkathode mit einer Elektronenaustrittsöffnung Patentiert für:

CSFCompagnie Generale de Telegraphic
Sans Fil₁ Paris.

Vertreter:

Dr. W. Miiller-Bore

und Dipl.-Ing. H. Gralfs, Patentanwälte,
Braunschweig, Am Bürgerpark 8

Als Erfinder benannt:
Harry Huber, Paris

Beanspruchte Priorität:

Frankreich vom 27. September 1961 (874 284) - -

trittsarbeit der elektronenemittierenden Schicht höher ist als die Ionisierungsarbeit der verdampfenden Substanz, so ist nach einer bevorzugten Ausführungsform ein Reflektor im Kathodeninnenraum zur Auf-

s5 richtung des Dampfstromes gegen die heiße, elektronenemittierende Oberfläche vorgesehen.

Liegt dagegen eine Kathode vor, bei der die Austrittsarbeit der elektronenemittierenden Schicht niedriger ist als die Ionisierungsarbeit der verdampfenden Substanz, so wird nach einer anderen bevorzugten Ausführungsform ein beheizter Ionisierungskörper innerhalb des Kathodeninnenraumes angeordnet, der aus einem Material mit höherer Austrittsarbeit als die Ionisierungsarbeit besteht.

Als zu ionisierende Substanz kann hier Zäsium verwendet werden, und die elektronenemittierende Schicht kann aus einem Erdalkalioxyd bestehen.

Der Ionisierungskörper ist bevorzugt ein Heizfaden, welcher aus Wolfram bestehen kann.

Der Ionisierungskörper kann jedoch auch die Form einer Platte haben.

Der Kathodeninnenraum ist nach einer bevorzugten Ausführungsform kugelförmig ausgebildet. Er kann jedoch auch eine zylindrische Form oder die Form eines Parallelpipeds haben.

Schließlich ist es möglich, daß der Kathodeninnenraum aus mehreren aneinandergrenzenden Hohlräumen besteht.

Die Erfindung wird im folgenden beispielsweise an Hand der Zeichnung beschrieben. In dieser zeigt Fig. 1 einen Axialschnitt einer ersten Ausführungsform einer Hohlkathode,

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Claims

Fig. 2 einen Axialschnitt einer zweiten Ausfuhrungsform einer Hohlkathode, Fig. 3 einen Axialschnitt einer dritten Ausführungsform einer Hohlkathode und F i g. 4 eine perspektivische Ansicht einer viertenAusführungsform einer Hohlkathode. F i g. 1 zeigt einen Hohlkörper 1 von beispielsweise kugelförmiger Form, dessen Innenseite bei 2 mit einer elektronenemittierenden Schicht belegt ist und der bei 3 eine Austrittsöffnung aufweist. Der Hohlraum wird indirekt durch eine Heizvorrichtung 4 geheizt, die sich thermisch isoliert innerhalb der Hülle 5 befindet. Zwischen Zuleitung 6, die mit dem Hohlraum 1 verbunden ist, und einer Anode (nicht dargestellt) wird eine geeignete Anodenspannung angelegt. Der Hohlraum l*ist mit Hilfe einer Rohrleitung 7 mit einem Behälter 8 verbunden, der mit einer ionisierbaren Substanz wie Zäsium gefüllt ist. Beispielsweise kann ein poröser Körper 9 in die flüssige Zäsiumfüllung 10 eingetaucht werden. Der Behälter 8 wird durch einen kleinen Heizer 11, der sich thermisch isoliert innerhalb der Hülle 12 befindet, geheizt, so daß das Zäsium verdampfen kann. Es wird angenommen, daß das emittierende Mate- »5 rial 2 in diesem Beispiel eine höhere Austrittsarbeit hat als die Ionisierungsarbeit von Zäsium, das es also z. B. aus Wolfram, Rhenium, Tantal, Niobium od. dgl. besteht. Weiterhin ist es notwendig, Mittel vorzusehen, damit die Zäsiumatome auf die emittierende Oberfläche auftreffen, statt durch die Austrittsöffnung 3 hindurchzutreten. Zu diesem Zweck ist im Beispiel ein Schirm 13 im Hohlraum 1, wie in F i g. 1 dargestellt, angeordnet. Dieser Schirm besteht aus einem geeigneten Metall und befindet sich zwisehen der Rohrleitung 7 und der Austrittsöffnung 3. Ebenso ist es möglich, die Austrittsöffnung einfach rechtwinklig zur Zäsiumeinspritzrichtung anzuordnen. Wirkungsweise Die vorstehend beschriebene Hohlkathode arbeitet wie folgt. Die emittierende Schicht 2, die durch den Heizer 4 indirekt geheizt wird, emittiert eine Elektronenwolke, die den Hohlraum 1 anfüllt. Gleichzeitig dringt der durch Beheizen des Behälters 8 erzeugte Zäsiumdampf durch die Poren des Körpers 9 und die Rohrleitung 7 in den Hohlraum 1 ein. Die Zäsiumatome werden durch den Schirm 13 daran gehindert, direkt zur Austrittsöffnung 3 zu gelangen und statt dessen gegen die Oberfläche der Schicht 2 hin reflektiert. Es ist bekannt, daß, wenn ein Gas- oder Dampfatom auf eine genügend heiße Oberfläche auftrifft und wenn das Ionisationspotential eines derartigen Atoms niedriger ist als die Austrittsarbeit des Materials dieser Fläche, dieses Atom ionisiert wird und die von der Ionisierung herrührenden Elektronen von der Fläche absorbiert werden und durch die Außenschaltung abfließen, während die positiven Ionen aus der Oberfläche austreten. Diese Erscheinung ist unter dem Namen Oberflächen- oder Kontaktionisierung bekannt. Die auf diese Art erhaltenen Zäsiumionen mischen sich mit den von der Oberfläche 2 emittierten Elektronen. Die Beheizung des Zäsiumbehälters und/oder des Hohlraums wird so eingeregelt, daß die elektronische Raumladung gerade etwa durch die Menge der durch die Oberflächenionisierung erzeugten Ionen kompensiert wird. In dieser Art wird ein Plasma innerhalb des Hohlraums erzeugt, das dem elektrischen Feld von der Anodenspannung zwischen Anode (nicht dargestellt) und Leitung 6 (bestimmte Feldlinien dieses Feldes dringen durch die öffnung 3 in den Hohlraum 1 ein) ausgesetzt ist. Dieses Feld wirkt so, daß der austretende Strom der im Plasma enthaltenen Elektronen von der Anode angezogen wird und aus der öffnung 3 austritt, während die Ionen vom gleichen Feld zurückgeworfen werden und im Inneren des Hohlraums verbleiben. Die Plasma-Hohlkathode bietet im Vergleich mit bekannten Hohlkathoden den Vorteil, daß sie im Inneren kein Potentialminimum hat, sondern eine gleichförmige Verteilung der Teilchen aufweist, die einen Austrittsstrom, der Elektronen aus der Gesamtheit des Hohlraums aufnimmt, ermöglicht. Daraus ergibt sich die Möglichkeit, eine große Austrittsstromdichte zu erzielen, die in der Größenordnung von 100 A/cm2 bei Dauerbetrieb liegen kann. Bei der Ausführung nach Fig. 2, in der zur Bezeichnung gleicher Teile die gleichen Bezugsziffern wie in F i g. 1 verwendet wurden, wurde von einer emittierenden Schicht 2 aus einer Substanz, deren Austrittsarbeit niedriger als die Ionisationsarbeit der ionisierbaren Materie ist, ausgegangen, beispielsweise einem Erdalkalioxyd, wenn das ionisierbare Material Zäsium ist. In diesem Fall ist keine Oberflächenionisierung durch den Aufprall von Atomen auf die Oberfläche des Hohlraums erzielbar, und es ist daher nötig, einen besonderen Leiter aus einem Material mit hoher Austrittsarbeit vorzusehen, auf dessen Oberfläche die Atome zwecks Ionisierung aufprallen. In diesem Sinne besteht der Unterschied zwischen den Fig. 1 und 2 notwendigerweise darin, daß der Schirm 13 in F i g. 2 entfällt, dafür jedoch eine Ionisieranordnung in die Bahn der Zäsiumatome gebracht wird, die beispielsweise durch einen Wolframheizfaden 14, dem der Heizstrom durch die isolierten Durchführungen 15 zugeführt wird, gebildet wird. Der Zäsiumdampf wird dann beim Aufprall auf die Ionisiereinrichtung 14 ionisiert. In anderer Hinsicht arbeitet die Kathode genau so wie die in F i g. 1 dargestellte. Die F i g. 3 und 4 zeigen Abwandlungen von möglichen geometrischen Formen. In F i g. 3 wurde der sphärische Hohlraum durch einen Zylinder 16 ersetzt, dessen Innenwände mit emittierendem Material 2 wie zuvor belegt sind. Die Ionisiereinrichtung 14 ist spiralförmig gewickelt. Das Heizsystem wurde in F i g. 4 weggelassen, um die Zeichnung zu vereinfachen. Die Arbeitsweise ist die gleiche wie zuvor. In F i g. 4 hat der Hohlraum die Form eines Parallelepipeds 17 und die Ionisiereinrichtung ist eine Platte 18. Außerdem sind mehrere Systeme derart verbunden dargestellt, daß eine lamellenartige Struktur erzielt wird, die nicht nur eine hohe Stromdichte, sondern auch eine große Gesamtstromstärke liefern kann. Andere Einzelheiten bezüglich des Aufbaus und der Arbeitsweise sind die gleichen wie bei den vorhergehenden Figuren. Beispielsweise kann die Heizung des Hohlraums auch durch Elektronenbeschuß oder andere gleichwertige Mittel erzielt werden. Es ist auch möglich, dies in einfacher Weise durch Wärmestrahlung von der Ionisiereinrichtung durchzuführen. Patentansprüche:

1. Hohlkathode mit einer Elektronenaustrittsöffnung, welche kleiner als die Querabmessung