DE1276217B

DE1276217B - Electron beam tubes with speed modulation, especially running field tubes

Info

Publication number: DE1276217B
Application number: DES58713A
Authority: DE
Inventors: Paul Meyerer; Dr Werner Veith
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1958-06-25
Filing date: 1958-06-25
Publication date: 1968-08-29
Also published as: US3092745A

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLANDFEDERAL REPUBLIC OF GERMANY

DEUTSCHESGERMAN

PATENTAMTPATENT OFFICE

AUSLEGESCHRIFTEDITORIAL

Int. CL:Int. CL:

HOIjHOIj

Deutsche Kl.: 21g-13/17 German class: 21g-13/17

Nummer: 1276217Number: 1276217

Aktenzeichen: P 12 76 217.3-35 (S 58713)File number: P 12 76 217.3-35 (S 58713)

Anmeldetag: 25. Juni 1958 Filing date: June 25, 1958

Auslegetag: 29. August 1968Opening day: August 29, 1968

Die Erfindung betrifft eine Elektronenstrahlröhre mit Geschwindigkeitsmodulation, insbesondere Lauffeldröhre, mit einem einen Elektronenvollstrahl erzeugenden und diesen stark konvergierend verdichtenden, rotationssymmetrischen Elektronenstrahlerzeugungssystem, welches aus einer Kathode mit ebener oder konkaver Stirnfläche als Emissionsfläche, einer Wehneltelektrode und mindestens einer Anode besteht, bei der zur gebündelten Führung des so erzeugten und verdichteten Elektronenstrahls ein homogenes oder ein in der Richtung alternierendes Magnetfeld dient (Führungsfeld) und bei der das Elektronenstrahlerzeugungssystem in einem dem Führungsfeld vorausgehenden Magnetfeldabschnitt angeordnet ist, welcher eine zwar ausgeprägte, gegenüber dem homogenen Führungfeld bzw. gegenüber dem periodisch sich wiederholenden Höchstwert des alternierenden Führungsfeldes jedoch geringere magnetische Induktion aufweist, die im Bereich zwischen der Emissionsfläche der Kathode und der ao Stelle, an welcher das homogene Führungsfeld bzw. der erste, peridodisch sich wiederholende Höchstwert des alternierenden Führungsfeldes einsetzt (Übergangsbereich) einen inhomogenen Verlauf hat.The invention relates to a cathode ray tube with speed modulation, in particular a running field tube, with a full electron beam generating and strongly converging condensing, rotationally symmetrical electron gun, which consists of a cathode with flat or concave face as an emission surface, a Wehnelt electrode and at least one The anode is used for the bundled guidance of the electron beam generated and compressed in this way A homogeneous magnetic field or a magnetic field alternating in direction is used (guide field) and in which the Electron gun in a magnetic field section preceding the guide field is arranged, which is a pronounced, compared to the homogeneous guide field or opposite the periodically repeating maximum value of the alternating lead field, however, is lower has magnetic induction that occurs in the area between the emission surface of the cathode and the ao Place at which the homogeneous leading field or the first, periodically repeating maximum value of the alternating guide field begins (transition area) has an inhomogeneous course.

Derartige Röhren sind vielfältig bekannt. Dabei bewirken magnetische Mittel, die zwischen dem das homogene bzw. alternierende Führungsfeld erzeugenden Magnetsystem und der Kathode angeordnet sind, ein Ansteigen der magnetischen Induktion zwischen der Kathode und dem Bereich des Führungsfeldes. Es soll dadurch die verdichtende Wirkung eines elektrostatisch fokussierenden Elektronenstrahlerzeugungssystems magnetisch unterstützt werden. Insbesondere sollen die genannten magnetischen Mittel mit dazu beitragen, einen minimalen Strahlradius am Beginn des magnetischen Führungsfeldes zu erzielen.Such tubes are widely known. Magnetic means between the the arranged homogeneous or alternating guide field generating magnet system and the cathode are an increase in the magnetic induction between the cathode and the area of the guiding field. It should thereby have the condensing effect of an electrostatically focusing electron gun be supported magnetically. In particular, the said magnetic means are intended to contribute to a minimal beam radius to achieve at the beginning of the magnetic guide field.

Bei den Elektronenstrahlerzeugungssystemen der geschilderten bekannten Art ist stets zusätzlich zur magnetischen Fokussierung eine Verdichtung des Elektronenstrahls mit elektrostatischen Feldern erforderlich, wenn man einen Elektronenstrahl mit verhältnismäßig geringer Welligkeit des Strahlrandes erhalten möchte. Es muß deshalb die Achse des elektrostatischen Fokussierungssystems zur Achse des das Führungsfeld erzeugenden Magnetsystem justiert werden.In the electron gun of the known type described is always in addition to magnetic focusing requires a compression of the electron beam with electrostatic fields, if you have an electron beam with a relatively low waviness of the beam edge want to receive. The axis of the electrostatic focusing system must therefore be the axis of the magnet system generating the guide field can be adjusted.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Elektronenstrahlröhre der eingangs beschriebenen Art ein System zur Erzeugung eines Elektronen-Strahls mit sehr geringer Welligkeit des Strahlrandes zu schaffen, bei dem die Achse des Elektronenstrahl-Elektronenstrahlröhre mit
Geschwindigkeitsmodulation, insbesondere
LauffeldröhreThe invention is based on the object of creating a system for generating an electron beam with a very low waviness of the beam edge in a cathode ray tube of the type described at the outset, in which the axis of the cathode ray tube with
Speed modulation, in particular
Lauffeldtube

Anmelder:Applicant:

Siemens Aktiengesellschaft, Berlin und München, 8000 München 2, Wittelsbacherplatz 2Siemens Aktiengesellschaft, Berlin and Munich, 8000 Munich 2, Wittelsbacherplatz 2

Als Erfinder benannt:Named as inventor:

Dr. Werner Veith, 8000 München;Dr. Werner Veith, 8000 Munich;

Paul Meyerer, 8012 OttobrunnPaul Meyerer, 8012 Ottobrunn

erzeugungssystems nicht zur Achse des Magnetsystems, welches das homogene oder alternierende Führungsfeld erzeugt, justiert werden muß.generation system not to the axis of the magnet system, which is the homogeneous or alternating Leading field generated, must be adjusted.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird nach der Erfindung vorgeschlagen, daß ein den Elektronenstrahl umschließender, rotationssymmetrischer Körper aus weichmagnetischem Material vorgesehen ist, welcher koaxial zur Achse des das homogene bzw. das alternierende Führungsfeld erzeugenden Magnetsystems angeordnet und so ausgebildet ist, daß — in Strahlrichtung gesehen — die magnetische Induktion im Übergangsbereich zunächst ein ausgeprägtes Maximum und dann ein ausgeprägtes Minimum durchläuft, und daß die Anode(n) insbesondere hinsichtlich ihrer Elektronendurchtrittsöffnungen so ausgebildet und mit einem solchen Gleichpotential (solchen Gleichpotentialen) beaufschlagt ist (sind), daß im Übergangsbereich der Elektronenstrahl zunächst divergiert, oder weniger konvergiert als dem Kegel zwischen dem Emissionsflächenrand der Kathode und dem der Kathode nächstliegenden endgültigen Strahlrand des verdichteten Elektronenstrahls entspricht, und erst dann stark konvergierend verdichtet wird.To solve this problem it is proposed according to the invention that an electron beam enclosing, rotationally symmetrical body made of soft magnetic material is provided, which coaxial to the axis of the magnet system generating the homogeneous or alternating guide field is arranged and designed so that - seen in the beam direction - the magnetic induction in Transition area first passes through a pronounced maximum and then a pronounced minimum, and that the anode (s) are designed in this way, in particular with regard to their electron passage openings and such a direct potential (such direct potentials) is (are) applied that in the transition area the electron beam initially diverges, or converges less than the cone between the emitting surface edge of the cathode and the final one closest to the cathode Beam edge of the condensed electron beam corresponds, and only then condensed strongly converging will.

Im Ausdruck für die magnetische Fokussierungskraft, die gleich der Lorenzkraft vermindert um die Zentrifugalkraft ist,In the expression for the magnetic focusing force, which is equal to the Lorenz force less the Centrifugal force is

geht die magnetische Induktion B quadratisch und der Radius b des Strahlrandes linear ein. K stellt die Abschirmkonstante dar. Bei größerem Strahldurchmesser ist auch die fokussierende Wirkung des Magnetfeldes größer. Bei Vorhandensein eines Magnetfeldes ist daher bei divergentem Austrit der Elektronen aus der Emissionsfläche der Kathode diethe magnetic induction B is quadratically and the radius b of the beam edge is linear. K represents the shielding constant. The larger the beam diameter, the greater the focusing effect of the magnetic field. In the presence of a magnetic field, the divergent exit of the electrons from the emission surface of the cathode is the

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fokussierende Wirkung größer als bei konvergentem Austritt. Da beim Erfindungsgegenstand die Kathode im inhomogenen Bereich des Magnetfeldes liegt und die Elektronen divergent bzw. nicht so stark konvergent wie bei den bekannten Systemen aus der Kathodenemissionsfläche austreten, ist die fokussierende Wirkung bzw. die durch das Magnetfeld erzeugte Fokussierungskraft auf die einzelnen Elektronen im Verhältnis zu den bekannten Systemen sehr viel größer. Durch diese Maßnahme, bei der es darauf ankommt, daß die aus der Kathode austretenden Elektronen sofort möglichst viele magnetische Feldlinien schneiden, zwingt das magnetische Feld den Elektronenstrahl in die magnetische Systemachse. Die Lage der Systemachse des Elektronenstrahlerzeugungssystems wirkt sich daher auf den weiteren Verlauf des Elektronenstrahls praktisch nicht mehr aus.focusing effect greater than with convergent Exit. Since in the subject matter of the invention the cathode is in the inhomogeneous area of the magnetic field and the electrons divergent or not as strongly convergent as in the known systems from the cathode emission surface emerge is the focusing effect or the focusing force generated by the magnetic field on the individual electrons in the Relationship to the known systems is much larger. By this measure, it is on it What matters is that the electrons emerging from the cathode immediately have as many magnetic field lines as possible cut, the magnetic field forces the electron beam into the magnetic system axis. The position of the system axis of the electron gun therefore affects the other The course of the electron beam is practically impossible.

Die Anforderungen, die an den weiteren Strahlverlauf gestellt werden, sind sehr hoch. Im Strahlquerschnitt soll die Elektronendichte konstant sein. Der Strahlrand soll außerdem eine Zylindermantelfläche ohne Ausbuchtungen beschreiben. Diese Forderungen werden bei einer erfindungsgemäßen Elektronenstrahlröhre weitgehend erfüllt, da der die Kathode weniger stark konvergierend oder gar divergierend verlassende Elektronenstrahl durch den vom weichmagnetischen Körper erzwungenen Verlauf der magnetischen Induktion im Übergangsbereich zweimal verschieden beeinflußt wird, und zwar wird die Bahn der Elektronen zunächst nach innen und dann nach außen gekrümmt.The demands placed on the further beam path are very high. In the beam cross-section the electron density should be constant. The edge of the jet should also have a cylindrical surface describe without bulges. These requirements are met in a cathode ray tube according to the invention largely fulfilled, since the cathode converges less strongly or even diverges leaving electron beam through the course of the magnetically enforced body magnetic induction is influenced twice differently in the transition area, namely the The path of the electrons is curved first inwards and then outwards.

Zur besseren Justierung der Wirkung des inhomogenen Magnetfeldabschnittes auf den Elektronenstrahl und gleichzeitig zur Justierung im Hinblick auf die Verzögerungsleitungsachse kann der magnetisch weiche Körper einen Teil der Gefäßwandung (Vakuumhülle) bilden. Zur Einregulierung der Wirkungsintensität des inhomogenen Magnetfeldes kann auf dem weichmagnetischen Körper ein diesen koaxial umschließender, in axialer Richtung verschiebbarer, rotationssymmetrischer Teil aus weichmagnetischem Material vorgesehen sein, welcher so bemessen ist, daß im Übergangsbereich das Maximum und Minimum der magnetischen Induktion axial verschiebbar ist.For better adjustment of the effect of the inhomogeneous magnetic field section on the electron beam and at the same time for adjustment with regard to the delay line axis, the can be magnetically soft bodies form part of the vessel wall (vacuum envelope). To regulate the intensity of the action of the inhomogeneous magnetic field can be coaxial with the soft magnetic body enclosing, axially displaceable, rotationally symmetrical part made of magnetically soft Material be provided which is dimensioned so that the maximum and in the transition area Minimum of the magnetic induction is axially displaceable.

An Hand der Zeichnung soll die Erfindung näher erläutert werden. Die F i g. 1 und 2 stellen ein Ausführungsbeispiel und den dazugehörigen Verlauf der magnetischen Induktion B in der Elektronenstrahlachse (z-Achse) dar. Alle Teile, die nicht unbedingt zur Erläuterung der Erfindung beitragen, wie z. B. das Magnetsystem, die Ein- und Auskoppelvorrichtungen für die elektromagnetischen Wellen, die Auffangelektrode usw., sind weggelassen worden.The invention is to be explained in more detail with reference to the drawing. The F i g. 1 and 2 show an embodiment and the associated course of the magnetic induction B in the electron beam axis (z-axis). B. the magnet system, the coupling and decoupling devices for the electromagnetic waves, the collecting electrode, etc., have been omitted.

In der F i g. 1 ist der das Elektronenstrahlerzeugungssystem enthaltende Röhrenteil gezeigt. Die Kathode 8 mit der Emissionsfläche 1 und dem Wehneltzylinder 4 ist in dem aus Glas oder Keramik bestehenden Gefäßteil 10 und die die Elektronenstrahlbahn vorgebende Wendel 5 in dem Gefäßteil 9 angeordnet. Zwischen dem Teil 10 und dem Teil 9 des Entladungsgefäßes befindet sich ein rotationssymmetrischer topfförmiger Teil 11 aus einem magnetisch weichen Material, z. B. Kovar. Durch die Anbringung des Teiles 11 wird die in der Fig. 2 gezeichnete Einsattelung im Verlauf der magnetischen Induktion B erzielt. Auf dem Teil 11 ist weiterhin ein kreiszylindrischer Ring 12 aus weichmagnetischem Material vorgesehen, der in z-Richtung verschiebbar ist, so daß das im Übergangsbereich wirksame Maximum der magnetischen Induktion (bei M) in seiner Lage zwischen den Stellen K und V verschoben werden kann. Außerdem wird, wie durch die gestrichelten Kurven in der F i g. 2 gezeigt ist, die Höhe dieses Maximums verändert. Durch das Verschieben des Ringes 12 kann somit die Wirkung des magnetischen Feldes im Übergangsbereich reguliert werden.In FIG. 1 shows the tube part containing the electron gun. The cathode 8 with the emission surface 1 and the Wehnelt cylinder 4 is arranged in the vessel part 10, which is made of glass or ceramic, and the helix 5 which defines the electron beam path is arranged in the vessel part 9. Between part 10 and part 9 of the discharge vessel there is a rotationally symmetrical cup-shaped part 11 made of a magnetically soft material, e.g. B. Kovar. By attaching the part 11, the saddle shown in Fig. 2 in the course of the magnetic induction B is achieved. On the part 11 a circular cylindrical ring 12 made of soft magnetic material is also provided, which is displaceable in the z-direction so that the maximum of the magnetic induction (at M) effective in the transition area can be displaced in its position between the points K and V. In addition, as shown by the dashed curves in FIG. 2, the height of this maximum is changed. By moving the ring 12, the effect of the magnetic field in the transition area can thus be regulated.

Der Teil 11 kann zusätzlich die Funktion der Zuganode des Elektronenstrahlerzeugungssystems übernehmen oder die Zuganode tragen und als deren Zuleitung dienen.The part 11 can also take over the function of the pulling anode of the electron gun or wear the pull anode and serve as its feed line.

Die Erfindung ist nicht auf eine Anordnung mit einer Kathode mit ebener Stirnfläche als Emissionsfläche beschränkt, sondern kann auch bei einer Anordnung mit einer Kathode mit konkaver Stirnfläche als Emissionsfläche angewendet werden. Wesentlich ist nur, daß das verhältnismäßig schwache Magnetfeld in Kathodennähe den Strahl erfaßt und im Übergangsbereich durch den vom weichmagnetischen Körper analog F i g. 2 erzwungenen Verlauf der magnetischen Induktion zweimal verschieden beeinflußt wird.The invention is not directed to an arrangement with a cathode with a flat end face as the emission surface limited, but can also in an arrangement with a cathode with a concave end face can be used as emission surface. It is only essential that the relatively weak magnetic field in the vicinity of the cathode the beam is detected and in the transition area by the soft magnetic one Body analogous to FIG. 2 forced course of the magnetic induction influenced twice differently will.

Das magnetische Führungsfeld braucht auch keineswegs homogen zu sein, wie es in der F i g. 2 dargestellt ist, sondern kann auch durch ein in der Richtung alternierendes Magnetfeld ersetzt werden. Bei dem alternierenden Magnetfeld ist der Verlauf der magnetischen Induktion B in z-Richtung im wesentlichen sinusförmig, wobei die z-Achse die Nullachse für die Sinuslinie ist.The magnetic guide field also does not need to be homogeneous, as shown in FIG. 2, but can also be replaced by a magnetic field alternating in direction. In the case of the alternating magnetic field, the course of the magnetic induction B in the z-direction is essentially sinusoidal, the z-axis being the zero axis for the sinusoidal line.

Strahlerzeugungssysteme nach der Erfindung sind für alle Arten von Mikrowellenröhren mit Geschwindigkeitsmodulation geeignet. Insbesondere bei Systemen zur Erzeugung eines sehr stark verdichteten Strahls (z. B. mit Strahldurchmessern von unter einem Millimeter) wie sie bei Millimeterwellenröhren Anwendung finden, ist die beschriebene Anordnung nicht nur sehr vorteilhaft, sondern stellt in sehr vielen Fällen die einzig mögliche Lösung dar. Der Grund hierfür ist darin zu sehen, daß bei den für Millimeterwellenröhren verwendeten sehr hohen magnetischen Feldstärken von über 1000 Gauß der Anstieg des Feldes meist eine längere Strecke erfordert und keineswegs annähernd sprungartig verläuft, wie es Elektronenstrahlerzeugungssysteme zur Erzeugung der bekannten, stark konvergenten Elektronenströmungen an sich verlangen.Beam generating systems according to the invention are for all types of microwave tubes with speed modulation suitable. Particularly in systems for generating a very highly compressed jet (e.g. with jet diameters of less than one millimeter), as used in millimeter wave tubes, is the arrangement described not only very advantageous, but in many cases it is the only possible solution. The reason this can be seen in the fact that in the case of the very high magnetic ones used for millimeter wave tubes Field strengths of over 1000 Gauss the rise of the field usually requires a longer distance and in no way runs approximately abruptly, as electron guns generate of the well-known, strongly convergent electron flows.

Claims

Patent claims:

1. Cathode ray tube with speed modulation, especially running field tube, with one that generates a full electron beam and compresses it in a strongly converging manner, rotationally symmetrical electron gun, which consists of a cathode with flat or concave face as emission surface, a Wehnelt electrode and at least an anode is used for the bundled guidance of the electron beam generated and compressed in this way a homogeneous or alternating magnetic field is used (guide field) and in which the electron gun is in a position ahead of the guide field.

going magnetic field section is arranged, which is a pronounced, compared to the homogeneous lead field or compared to the periodically repeating maximum value of the alternating guide field, however, has lower magnetic induction in the area between the emission surface of the cathode and the point at which the homogeneous guide field or the first, periodically repeating field Maximum value of the alternating lead field sets in (transition area), an inhomogeneous one Has course, characterized in that an electron beam enclosing, rotationally symmetrical body made of soft magnetic material is provided, which is coaxial to the axis of the magnet system generating the homogeneous or alternating guide field is arranged and designed so that - seen in the beam direction - the magnetic induction in the transition area first a pronounced maximum and then a pronounced one Minimum passes, and that the anode (s) in particular with regard to their electron passage openings so designed and with such a constant potential (such a constant potential as len) is (are) acted upon so that the electron beam initially diverges in the transition region or converges less than the cone between the emitting face edge of the cathode and the final edge of the condensed electron beam closest to the cathode corresponds, and only then is compressed in a strongly converging manner.

2. Cathode ray tube according to claim 1, characterized in that the at the same time the only one Anode representing body made of soft magnetic material cup-shaped and in its bottom part facing away from the cathode is provided with an electron beam passage opening which has a smaller diameter than the emitting surface of the cathode.

3. Cathode ray tube according to claim 1 or 2, characterized in that the body from soft magnetic material forms part of the vacuum envelope.

4. Cathode ray tube according to claim 3, characterized in that on the body from soft magnetic material a coaxially enclosing this, displaceable in the axial direction, rotationally symmetrical part made of soft magnetic material is provided, which is dimensioned so that the maximum and minimum of the magnetic induction in the transition area is axially displaceable.

Considered publications:
German Auslegeschrift No. 1008 417;
French Patent No. 954,407;
British Patent No. 757,369;
U.S. Patent No. 2,812,467.

1 sheet of drawings