DE1491425A1

DE1491425A1 - Elektronenkanone zur Erzeugung eines hohlen Elektronenstrahles

Info

Publication number: DE1491425A1
Application number: DE19641491425
Authority: DE
Inventors: Wang Chao Chen
Original assignee: Sperry Rand Corp
Current assignee: Sperry Corp
Priority date: 1963-08-12
Filing date: 1964-08-11
Publication date: 1969-02-20
Also published as: FR1451976A; US3315110A; GB1070529A; NL6409101A

Description

PATENTANWALT

DIPK-ING. CWALLACH 1 4 9 1 A 2 5

. Aug. »Ν

MÜNCHEN. DEN HEINS AKT.-NR.: 7449

SPERRY RAND CORPORATION

Wilmington 99» New Castle,
Delaware, U.S.A.

Elektronenkanone zur Erzeugung eines hohlen Elektronenstrahles

Die Erfindung betrifft eine Elektronenkanone zur Erzeugung eines hohlen Elektronenstrahles mit hoher Perveanz, hohem Konvergenzverhältnis und geringem Rauschen.

Bei den meisten Klystrons und Wanderfeldröhren, wie sie gegenwärtig verwendet werden, findet ein massiver, strangartiger Elektronenstrahl Verwendung, welcher mit elektromagnetischen Y/ellen gekuppelt ist, die in einer geeigneten Anordnung mit stehenden Wellen oder Wanderwellen vorliegen. Es hat sich gezeigt, daß massive Elektronenstrahlen ernsthaften Beschränkungen unterliegen, wenn sie in Röhren verwendet werden, die zum Betrieb bei hoher Energie und/oder hohen Frequenzen bestimmt sind. Diese Beschränkungen rühren von der Tatsache 909808/0678 _ ₂ -

H31425

her_f daß die Raumladungskräfte in einem massiven Strahl zu erhaltenden Strom bei einer gegebenen Betriebsspannung begrenzen, wodurch der Leistungsausgang begrenzt wird, der mit einem derartigen massiven Strahl zu erhalten ist. Zusätzlich tritt eine Wechselwirkung zwischen den elektromagnetischen Wellen und den Elektronen nur in den äußeren Bereichen des Strahles auf, so daß die Elektronen im Mittelbereich des Strahles in beträchtlichem Maß vergeudet sind und nur zur Erzeugung der schädlichen Raumladungswirkungen beitragen. Aus diesen Gründen wurde der Erzeugung hohler Elektronenstrahlen beträchtliche Aufmerksamkeit zugewandt, welche die Vorteile besitzen, daß sie geringere Betriebsspannungen bei einer gegebenen Ausgangsleistung und hoher Strahlperveanz erfordern und somit eine große Wandbreite und einen verbesserten Betriebswirkungsgrad aufweisen.

Wegen der elektrischen Strombegrenzungen gegenwärtig verfügbarer Kathoden müssen Elektronenstrahl en mit hohen Stromdichten hohe Konvergenzverhältnisse haben. Unter Konvergenzverhältnis ist das Verhältnis der Kathoden-Emissionsfläche zu der Fläche des fokussierten Elektronenstrahls zu verstehen. Im allgemeinen ist bei gegebenen Beschränkungen der Stromemission der Kathode und der Größe der Wechselwirkungskreise die Grenze des Leistungsausganges einer Elektronenstrahlröhre proportional dem Verhältnis

(Konvergenzverhältnis)^5/^

₉₀9808/0678 _ .

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Strahlen mit hoher Perveanz sind für Röhren mit hoher Energie erwünscht; wenn jedoch das Konvergenzverhältnis nicht entsprechend erhöht werden kann, wird kein tatsächliches Anwachsen der Ausgangsleistung erreicht.

Ein Typ einer Hohlstrahlkanone von beträchtlichem Interesse ist die sog. Magnetron-Injektionskanone gemäß der USA-Patentschrift 2 632 130 und gemäß dem Artikel "The Design and Performance of a Magnetron-Injection Gun¹¹ von Kino und Taylor, Seiten 1 bis 11 im "IRE Transactions on Electron Devices" Januar 1962. In dem letztgenannten Artikel ist eine Hohlstrahlkanone mit einer Emissionskathode beschrieben, welche die Form eines geradlinigen kreisförmigen Kegelstumpfes hat, bei dem der geradlinige kreisförmige Kegel einen Halbwinkel von angenähert 4 hat· Dieser Kathode ist eine Anode zugeordnet, welche ein elektrostatisches Feld mit einer Axialkomponente erzeugt, die die Elektronen, welche als Folge des axial gerichteten ^okussierungsfeldes um die Kathode kreisen, in axialer Richtung herausziehen. Während die Magnetron-Injektionskanone der bekannten Art bei Röhren geringerer Leistung im niedrigeren Mikrowellenbereich Anwendung gefunden hat, sind Versuche, sie bei Röhren mit hoher Energie und in hohen Frequenzbereichen anzuwenden, weniger erfolgreich gewesen, weil die erreichbaren Konvergenzverhältnisse begrenzt sind, die Strahlen ein Rauschen aufweisen und die Elektronenemission über die Emissionsfläche der Kathode unerträg-

lieh nicht einheitlich ist.

Die Beschränkungen des Konvergenzverhältnisses der bekannten Magnetron-Injektionskanone rühren daher, daß die bei diesen Kanonen verwendete Kathode die Form eines geradlinigen kreisförmigen Kegelstumpfes hat, wobei das Konvergenzverhältnis einer solchen Kathode geringer als der Wert 1/sin 0 sein muß, worin 0 der Halbwinkel des Kegelstumpfes ist. Diese Beziehung deutet an, daß der Halbwinkel der Kathode gering sein muß, um höhere Konvergenzverhältnisse zu erhalten. Eine Begrenzung des Halbwinkels der konischen Kathode erlegt der Größe der axialen Komponente des elektrischen Feldes an der Emissionsfläche eine Beschränkung auf. Das hat die Wirkung, daß die kreisenden Elektronen für längere Zeit im Kathodenbereich bleiben können und somit die Möglichkeiten von Elektronenzusammenstößen und Wechselwirkungen erhöht sind, was zumRauschen des Strahles beiträgt· Hach der oben genannten Patentschrift wurde beobachtet, daß der Durchmesser der Basis der kegelstumpfförmigen Kathode den Durchmesser der Öffnung der Anode nicht überschreiten darf. Der Grund dafür ist, daß , falls dies geschehen sollte, die Elektronen gegen die Anode schlagen würden und das Rauschen des Strahls erhöhen würden. Das bringt wieder eine Begrenzung des Konvergenzverhältnisses, welches mit der Magnetron-Injektionskanone erhalten werden kann.

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Es wurde gefunden, daß die erwähnten Beschränkungen dadurch vermieden werden können, daß ein besonders geformtes magnetisches Pokussierungsfeld verwendet wirde» , welches magnetische Kraftlinien aufweist, die im wesentlichen geradlinig, parallel und eng gebündelt im Mittelbereich des Feldes sind, die jedoch in einer Erweiterung im Endbereich des Feldes divergieren und an ihren äußeren Radien wieder enger gebündelt sind,

Die Kathode-ii©^; in ihrem Endbereich so angeordnet, daß die Elektron&n#missionsfläehe mit den sich erweiternden magnetischen-Kraftlinien übereinstimmt oder gegenüber diesen geringfügig nach hinten geneigt ist. Bei dieser

auf

Anordnung ist das Konvergenzverhältnis nicht mehr e den Wert 1/sin 0 beschränkt. Die Emissionsfläche kann eine beträchtliche radiale Ausdehnung entlang der sich erweiternden Kraftlinie haben, wodurch der Emissionsflächenbereich und somit das Konvergenzverhältnis vergrößert werden. Dadurch wird außerdem eine größere Axialkomponente des elektrischen Anoden-Kathodenfeldes hervorgerufen, welches die kreisenden Elektronen aus dem Kathodenbereich herauszieht. Auf diese Weise wird das Rauschen des Strahles auf ein Minimum vermindert und die gleichförmige EaI₈Si_0n der Elektronenemissionsfläche gefördert.

Das hohe Konvergenzverhältnis beruht auf der Tatsache, daß die Elektronen den magnetischen Kraftlinien von der 909808/067 8" _ ₆ _

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Kathode zum Hochspannungs-Strahlbereich folgen. Bei dieser stark divergenten Form des magnetischen Feldes trägt dieses zur ^MZusammendrückung" des Strahles bei, welcher an der Emissionsfläche mit großen Radien über seine Länge bis zu einem viel kleineren Radius im fokussierten Hochspannungs-Strahlbereich entsteht.

Demgemäß ist es ein Ziel der Erfindung, eine Elektronenstrahlkanone zu schaffen, welche einen hohlen Elektronenstrahl mit hohem Konvergenzverhältnis und hoher Perveanz erzeugt.

Die Erfindung wird im folgenden beispielsweise anhand der Zeichnungen beschrieben! in dieser zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische teilweise aufgebrochene Ansicht der Kathode, Anode und der Fokussierungselektroden der Hohlstrahl-Kanone gemäß der Erfindung,

Fig. 2 einen Schnitt der Elektronenkanone nach Fig. 1, welcher die Lagen und Formen der verschiedenen Komponenten relativ zum Umriß der Kraftlinien des magnetischen Fokussierungsfeldes darstellt,

Fig. 3 einen Schnitt ähnlich Fig. 2, welcher in repräsentativer Weise die Bildung des hohlen Elektronenstrahles an der Emissionsfläche einer Kathode

gemäß der Erfindung darstellt, die 909808/0678

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Pig. 4, 5 und 6 graphische Darstellungen, welche die Konstruktion und den Betrieb der Hohlstrahl-Elektronenkanone gemäß der Erfindung erläutern,

Fig. 7 eine vereinfachte Schnittdarstellung einer alternativen Ausführungsform einer Hohlstrahl-Elektronenkanone gemäß der Erfindung,

Fig. 8 eine graphische Darstellung, welche die Konstruktion und den Betrieb der in Fig. 7 dargestellten Elektronenstrahlkanone erläutert, die

Fig. 9 und 10 Darstellungen alternativer Ausführungsformen der Erfindung und die

Fig. 11 und 12 Diagramme, welche bei verschiedenen magnetischen Feldmustern die auf die Elektronen wirkenden Kräfte aufgrund des Magnetfeldes erläutern.

Nach den Fig. 1 und 2 weist eine Hohl-Elektronenstrahl-Kanone gemäß der Erfindung eine Fokussierungsspule 11 und eine Kompensationsspule 12 auf, deren gleichnamige Pole einander benachbart sind,und ein magnetisches Feld erzeugen, dessen Form durch die die magnetischen Kraftlinien darstellenden gestrichelten Linien 14 veranschaulicht ist. Die Kraftlinien 14 erstrecken sich parallel und axial durch den Wechselwirkungsbereich der Röhre und divergieren nach außen in eine nichtlineare Erweiterung im Endbereich des Feldes. In dieser Beschreibung

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-β- H9H25

"bedeutet der Ausdruck "nichtlinear", daß über dem gesamten' erweiterten Bereich keine geradlinige Beziehung besteht.

Andere Anordnungen können zur Erzeugung eines magnetischen Feldes der gewünschten Form verwendet werden. Zum Beispiel können ein oder mehrere Permanentmagnete oder Kombinationen von Permanentmagneten und Elektromagneten Verwendung finden. All diese Anordnungen können Polschuhe umfassen, wenn das erwünscht ist.

Die Kathode 17, welche die Form eines Umdrehungskörpers hat, ist im ^dbereich des magnetischen Fokussierungsfeldes angeordnet, wo die Kraftlinien 14 nach außen divergieren. Die elektronenemittierende Oberfläche 18 der Kathode 17 ist entlang der nichtlinear verlaufenden Seiten der Kathode angeordnet. Diese Oberfläche ist so geformt, daß sie mit der Krümmung der magnetischen Kraftlinien oder der Flußröhre, auf welcher sie liegt, übereinstimmt. Eine ringförmige Anodenelektrode 20 ist koaxial mit Abstand um die elektronenemittierende Fläche 18 herum angeordnet und erstreckt sich axial über das schmalere Ende der Kathode 17. Somit wird ein elektrisches Feld mit einer großen axial gerichteten Komponente geschaffen, welches die sich auf Spiralbahnen bewegenden Elektronen von der Emissionsfläche 18 in axialer Richtung zieht. Das elektrische Feld zwischen der Anode 20 und dem hinteren Teil der Kathode 17_f welche den

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größten Durchmesser hat, ist im wesentlichen vollständig axial. Es zieht somit die Elektronen aus dem Rückteil heraus, so daß die Möglichkeit einer Elektronenwechselwirkung in diesem Bereich herabgesetzt wird· Dadurch wird das Rauschen des Strahles herabgesetzt und eine gute Elektronenemission von der Rückseite der Fläche 18 gewährleistet.

Elektrostatische Fokussierungselektroden 23 und 24 sind an den Vorder- bzw. Hinterkanten der elektronenemittierenden Fläche 18 angeordnet, um die Fokussierung des hohlen Elektronenstrahls zu begünstigen. Eine Laufzeitröhre 25 erstreckt sich zusammen mit dem gewünschten Wechselwirkungskreis (nicht dargestellt) rechts von der Kanone.

Die nach außen divergierende Fläche 18 der Kathode 17 bildet eine beträchtlich größere elektronenemittierende Fläche als Bie bei der kreisförmigen und kegelstumpfförmigen Kathode nach dem Stande der Technik verfügbar ist. Für Vergleichszwecke sei angegeben, daß bei einem gegebenen Längenzuwachs am hinterenEnde einer Kathode die Emissionsfläche der Hohlstranl-Kanone mit geformtem Feld gemäß der Erfindung um einen größeren Prozentsatz anwächst als die der bekannten Kathode mit der Form eines geradlinigen kreisförmigen Kegelstumpfes. Das kommt daher, daß die hintere Fläche der Kathode gemäß der Erfindung mehr angenähert wie die anwachsende Fläche 909808/067 8 _ 10 -

eines Kreises zunimmt, während der anwachsende Flächeninhalt der bekannten Fläche gemäß der Gleichung für ^; die gekrümmte Oberfläche des geradlinigen keilförmigen Kegelstumpfes zunimmt.

Die Bildung des dünnen Hohlstrahles aus der Emissionsfläche nach den Pig. 1 und 2 ist in Pig. 3 veranschaulicht, wo dargestellt ist, daß die von der Vorderkante der Emissionsfläche 18 emittierten Elektronen an der Innenkante des fokussierten Strahles eine Gleichgewichtslage finden und daß von der hinteren Kante der Emissionsfläche emittierte Elektronen an der Außenkante des fokussierten Strahles eine Gleichgewichtslage finden· Von den Zwischenflächen der Emissionsfläche 18 ausgesandte Elektronen finden zwischen den Innen- und Außenkanten des fokussierten Strahles Gleichgewichtslagen. Somit ergibt sich aus Fig. 3 die "Zusammendrüekung¹¹ der Elektronen von der Kathodenfläche mit größeren Radien zu einem Hohlstrahl mit kleinerem Durchmesser. Das ist eine Polge des besonders geformten magnetischen Feldes, welches konvergierende Kraftlinien hat, die

/enger
am vorderen Ende der Kanone⁷gebündelt sind.

Um die Konstruktionsgegebenheiten einer gemäß der Erfindung aufgebauten Elektronenkanone aufzufinden und ihre

den Grenzen zu bestimmen, werden die folgen/theoretischen

Erörterungen gebracht. Bevor jedoch die Einzelheiten

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H91425

der folgenden Theorie erörtert werden, ist es nötig zu "behalten, daß die allgemeine Näherung darin besteht, ein geformtes magnetisches Fokussierungsfeld zu bilden, in dem das Feld in einer nichtlinearen Erweiterung nach außen divergiert, und dann in den divergierenden Bereich des Feldes eine elefctronenemxttierende Fläche anzuordnen, welche eine definierte Beziehung zu dem Umriß der magnetischen' Kraftlinien des geformten Feldes hat. Aus diesem Grunde ist es notwendig, daß ein anfänglicher Schritt bei der Konstruktion darin besteht, daß die Form und die Größe des magnetischen Fokussierungsfeldes so genau wie möglich bestimmt werden.

Es wird angenommen, daß das magnetische Fokussierungefeld axial symmetrisch um eine Längsachse herum ist, welche die Mittelachse der Elektronenstrahlröhre bildet, in der die Kanone verwendet werden soll. Daher stellen die durch die gestrichelten Linien in der Zeichnung veranschaulichten Kraftlinien die axialsymmetrisehen Flußweiter
röhren dar. Es wird + angenommen, daß die Elektronen in dem Hohlstrahl mit einer gemeinsamen Axialgeschwindigkeit laufen. Da die Elektronen in dem Strahl einander abstoßen, ist aufgrund der Baumladung in dem Strahl immer eine Streukraft vorhanden. Um die Hohlförm des Strahles aufrechtzuerhalten, müssen andere Kräfte verwendet werden, um die Wirkungen dieser Baumladungskraft zu neutralisieren. Diese anderen Kräfte sind die Lorentz-

' 9Ö9808/Ö678 . - 12 -

HS 1425

Kraft, welche daher rührt, daß die magnetischen Feldlinien schneiden, die Zentrifugalkraft als Folge der Kreisbewegung der Elektronen und die elektrischen Feldkräfte aufgrund der elektrischen Potentiale der Anoden- und Fokussierungs-Elektroden. -''■ '

In Fig· 3 sei ein an der axialen Stelle Zg Radius r von der Achse des axials;pnmetriöchefci angeordnetes Elektron betrachtet, wobei die Größe des magnetischen Feldes eine Funktion von r und¹ Z iet. Dieses gleiche Elektron stammt von einer axialen Stelle Z-auf der Kathoden-Emissionsfläche. An der axialen ■ Stelle Z₂ umschließt der Kreis mit dem Radius r_"d"ea. gleichen magnetischen Fluß wie er ursprünglich-durch das gleiche Elektron an der Stelle Z- auf der Eat&odenfläche umschlossen würde. Für ein im wesentlichen gleiehförmiges magnetisches Feld stellt das Produkt Br^ das anfängliche magnetische Vektorpotential dee KLektrone dar. Aus dem Theorem von Bush über die Erhaltung des magnetischen Moments ist bekannt, daß die Winkelfrequena eines Elektrons gleich . -

- JZi )

ist, worin O/_T = η m, B die Larmor-Frequemz und - das

ac. jj

Ladunge-Masseverhältnis eines Elektrons:is$*lDSr Sinn der Winkeldrehung.wird als:das; me^hanisc|ftüf4nkf%-·

moment in der gleichen Richtung wi* daa JBfSPftische 909808/0678

-¹'- U9U25

Tektorpotential definiert. Sin negativ·· 9 ergibt eine radiale Lorentz-Kraft, welche die sieh von der Achse wegbewegenden Elektronen verzögert oder sie auf die Achse zu beschleunigt· Sine Folg· der Verwendung des Theorems von Bush ist, daß die Winkelgeschwindigkeit eines Elektrons in einem axialsymmetrischen Magnetfeld, wenn einmal die Bedingungen an der Kathode eingestellt und bekannt sind, allein eine Funktion seiner Lage ist. Eine wichtigere Konsequenz, was die Konstruktion der Hohlstrahl-Kattone alt geformtem Feld gemäß der Erfindung betrifft, ist die, daß es nur auf die Beziehungen zwischen dem Fluß an der Kathode und dem in dem fokuseierten Hohlstrahl ankommt, ohne daß betrachtet werden müßt·, den Elektronen zwischen diesen Stellen passiert· Bas heißt, daß eine beträchtliche Anpassungsfähigkeit bei der Anordnung der Kathode vorliegt, wenn einmal die Form des magnetischen Feldes bekannt ist.

Als eine Folge des Theorems von Bush können die in dem fokussieren Hohlstrahl zur leutraliaierung der Baumladungskraft verfugbaren Kräfte durch den folgenden Ausdruck wiedergegeben werden, welcher die Dimension eines elektrischen Felde· hats

wobei y ^m ~ &·*· 3»r erst· fern auf der rechten Sei.« von Gleichung (2) let die Zentrifugalkraft während der

900001/0678 _₁₄_

sweite Tem Axe Lorents-Kraft darstellt. Bei dieser Entwicklung ist die Lorentz-Kraft gleich Γ-e (T χ B)J , wobei e ad B bereits oben definiert wurden und τ die Geschwindigkeit des Elektrons ist· Diese Definition der Lorentz-Kraft läßt den elektrischen Feldterm S weg, welcher wnnchwal eingeschlossen ist. Bas Torseichen mm F ist positir, wenn die Kraft τοη der Achse mack außen gerichtet 1st.

Weil die pwaii«dung S^ sich in radialer Richtung ändert, d. h. «eil rEgTeränderlich ist, kann das durch äußere Elektroden, gebildete Produkt τοη Badius und dem konstanten elektrischen Feld rSr die BaumLadungskraft nicht neutralisieren· Aus dieses Grunde ist die wichtigste Gegebenheit bei der Magnetischen Fokussierung eines sehr dichten Hohlstrahles die Ableitung einer maximalen Änderung τοη rF unter den Elektronen innerhalb des engsten Bereiches des radialen Abstandes.

Vm diese Kraft rF zn untersuchen, kann die Gleichung (1) in gleichung (2) eingesetzt werden, was den folgenden ergibt t

(3)

- 15 -909808/0678

Die Ausdrücke für θ und rF sind in den Fig· 4 bzw.
5 aufgetragen.

Es ist weiter hiitzlich, Gleichung (3) in die folgende Form zu bxtlngenr

Gleichung (1) kann in die folgende Form umgeschrieben

Wird die Crlßichung <5) in die Gleichung (4) eingesetzt, so ergibt eicht

(■

Dieser Ausdruck ist in Fig. 6 aufgetragen. Diese Darsteilung zeigt die Kräfte, bei einem gegebenen Radiusr als Funktion der Winkelgeschwindigkeit relativ zur
Larmor-Frequenz ( <jp )l die Darstellung zeigt außer-

Il

dem die maximale negative Kraft, welche verfügbar ist, wenn die Winkelgeschwindigkeit der Larmor-Frequenz gleich wird, d. h. wenn θ =- -Vj₁ 1? f ·

Um die Fokussierung des Hohlstrahles mit der der bekannten Brillouin-iOkussierungstechnik für einen massiven "^! 909808/0678 9 ; ν

— 16 —

- ie - U9K25

Strahl zu vergleichen, wird auf den Artikel "Electron Beams in Axially Symmetrical Electric and Magnetic Fields*, Seiten 135 - 147 vom Februar 1950 in "Proceedings of the I.R.E." Bezug genommen. Aus diesem Artikel geht hervor, daß die minimale magnetische Feldstärke, die bei der Brillöuin-Fokussierung eines massiven Strahls erforderlich ist, beim Punkt A in Fig· 6 liegt, und die Größe dieses Feldes durch den folgenden Ausdruck gegeben ist:

: worin K die Mikroperveanz des Strahls, V die Strahlbetriebxspannung und r der Strahlradius ist.

Wenn ein Elektron von einer Kathode emittiert wird, welche einen magnetischen Fluß umschließt, verschiebt sich der Betriebsbereich auf der Kurve in Fig. 6 nach rechte, von dem Punkt A, d. h. in dem ABOC-feil der Kurve, wenn der Fluß durch die Kathode in der gleichen Richtung wie das magnetische Hauptfokussieruögsfeld liegt. Der Betriebsbereich versfiiiebt sich nach links

A, dea
von dem Punkt^AKL-Bereich der Kurve, wenn die Richtung des magnetischen Flusse» , der von der Kathode umgeben wird, die Richtung des magnetischen Haupt-Fokussiercinge-

setsst
feldes entgegengewirkt ist. Der feil AEL der Kurve ist

jedoch von geringem Interesse, weil es schwierig iBt^—;^: 909808/0678 : - ₁₇_

-¹⁷- 1431425

einen Strahl zu erzeugen, welcher in dem Übergangsbereich ▼on einer Richtung des magnetischen Feldes zur anderen gut arbeitet. Vfeil Spiegelsymmetrie der Kurve um den Punkt A vorliegt, umfassen die den Punkten auf dem Teil ABOC der Kurve entsprechenden Kräfte eine geringere Winkelgeschwindigkeit als Punkte auf dem Teil AEL der Kurve, welche den gleichen Betrag der Kraft darstellen. Durch Verwendung des Teiles ABOC der Kurve ist also mehr axial gerichtete kinetische Energie in dem Strahl zur Wechselwirkung mit den elektromagnetischen Wellen verfügbar.

Der Teil ABOC der Kurve in Pig. 6 ist durch gleiche Buchstabenbezeichnungen auf der Kurve 5 angedeutet. In den Figuren 4 und 5 entsprechen die Bedingungen der Hull-Winkelgeschwindigkeit und der Null-Kraft den Punkten r = r. Wie aus Fig. 4 hervorgeht, wird die

et

Larmor-Prequenz -Wt, welche durch den Punkt A in Fig. bezeichnet ist, nur dann erreicht, wenn der Betriebsradius im Vergleich zu r groß ist. Die dem Punkt A

el

in Tig. 6 entsprechende Grenze ist in Fig. 5 durch die gestrichelte Kurve -^Oi,²r²/f angedeutet. Für die Fokussierung des hohlen Elektronenstrahles gemäß der Erfindung, worin r einen endlichen Wert hat, zeigen die Fig. 4 und 5, daß der Betriebebereich B von Fig. 6 eine. Winkel-Drehfrequenz hat, welche geringer als die Larmor-Frequenz ist. Die für die Fokussierung des Strahles verfügbare Kraft ist geringer als die maximal zu erhaltende 909808/0678

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Kraft für eine gegebene magnetische Feldstärke. Wenn r geringer als r ist, zeigen die Kurven der Fig. 5 und 6, daß die Kraft F positiv wird. ^wie aus Fig. 4 hervorgeht, wenn r sehr viel geringer als r_Q und θ

el

sehr groß ist, und wie Gleichung (2) andeutet, ist die Zentrifugalkraft vorherrschend , wenn diese Be dingung vorliegt. Anderenfalls ist die Zentrifugalkraft relativ gering im Vergleich zur lorentz-Kraft.

Für die meisten praktischen Anwendungen eines hohlen Elektronenstrahles z. B. bei Wanderfeldröhren und Klüstrons ist der Strahl von einem Metallkreis umgeben, und alle elektrischen Feldlinien aus» der Raumladung enden auf diesem Leiter. Wenn diese Bedingung vorliegt, existiert keine elektrische Kraft auf der inneren Kante des Strahles, so daß die Ausgleichskraft ebenfalls Null sein muß. Aus diesem Grunde sind die Arbeitspunkte auf den Fig. 4 und für die Elektronen an der Innenkante des Hohlstrahles auf den 0- und rF-Achsen.wo r = r_ ist. Der Arbeitspunkt für

' et

Elektronen auf dem Außenrand des hohlen Gebildes liegt in dem Bereich B in Fig. 5 bei einem Radius r = r_Q. Die Elektronen zwischen den Rändern fallen auf den Teil der ausgezogenen Kurve, welcher mit OB bezeichnet ist.

Ss kann gezeigt werden, daß zur Erzielung eines vollständigen Gleichgewichtsstrahles mit an allen Punkten innerhalb des Strahles im Gleichgewicht befindlichen Kräften die

909608/0678

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RaunLLaduBgs-Dichte Verteilung die folgende Form haben sollte:

(8)

worin P_Q_ die Raumladungsdiehte am inneren Hand des Strahls ist. Das elektrostatische Feld E_Q, welches sich aus der Raund-aduiigs-Dichteverteilung gemäß Gleichung (8) ergibt hat die folgende Forms

ψ L ~v* J

(9)

worin cj_ea ⁼ ffyia/E ^das Q¹¹⁰^¹⁸·* ^der Plaseafrequenz beim Radius r ist.£ ist die Dielektrizitätskonstante des Vacuums.

Aus dem Vergleich der Gleichungen (4) und (9) geht hervor, daß die Raumladungskraft durch die Summe der Lorentz-Kraft und der Zentrifugalkraft ausgeglichen wird, wenn

Um das zur Fokussierung eines Hohlstrahle erforderliche magnetische Feld mit dem zu vergleichen, welches zur Fokussierung eines massiven Strahls mit dem gleichen 0 erforderlich ist, werden die Plasmafrequenzcj und die

309808/0678 . - 20 -

Larmor-Frequenz für den Fall des Massivstrahles durch den folgenden Ausdruck in Beziehung gesetzt:

(11)

Der Index m deutet den Fall des minimalen magnetischen Feldes an. Um die gleiche Gresamtperveanz und den gleichen äußeren Radius für die beiden Fälle zu erhalten, muß gelten:

Aus dem Obigen läßt sich das Verhältnis der Lanaor-Frequenz zu der minimalen erforderlichen Larmor-Frequenz wie folgt errechnen: .

(13)

Durch Gleichung (7) ausgedrückt wird das für den Fall des Hohlstrahles erforderliche Magnetfeld:

-4

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Der obige Vergleich mit einem massiven Elektronenstrahl und die sich ergebende Gleichung (H) sind gültig, weil die äußeren Elektronen sowohl in dem massiven wie in dem hohlen Strahl die gleichen Raumladungskräfte haben. Die Fokussierungskräfte F auf die äußeren Elektronen beider Strahlen sind die gleichen, weil θ für beide Fälle als gleich angenommen wurde. Gleichung (14) gibt daher an, daß bei einer Anordnung gemäß Fig. 2, in der die elektronenemittierende Fläche so geformt und angeordnet ist, daß sie mit einer sich nach außen erweiternden magnetischen Kraftlinie übereinstimmt, ein hohler Elektronenstrahl mit einem Innenradius von r und einem Außenradius von r mit einem magnetischen Fokussierungs-

° hat

feld erzeugt werden kann, welches eine Größe von B Gaudi

Die sich aus der Verwendung der gemäß der Erfindung aufgebauten Kathode ergebenden Vorteile sind die, daß die Kathoden-Emissionsfläche für eine gegebene lineare Länge größer gemacht werden kann als mit der Kathode in Form eines kreisförmigen, geradlinigen Kegelstumpfes. Wegen der sich nach außen erstreckenden Erweiterungen der Emissionsfläche und der Anode hat das elektrische Feld normal zur Emissionsfläche weiter eine sehr große Komponente in axialer Sichtung. Es werden somit die Elektronen von der Kathodenfläche weggezogen, öo daß das Hauschen verringert und eine gleichförmigere Emission von der Emissionsfläche hervorgerufen wird. Die wesentlichste Verbesserung liegt in der Schaffung eines Strahles mit

909808/0678 _₂₂_

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höherer Perveanz und niedrigerem Bauschen, ohne daß dies auf Kosten des Konvergensverhältnisses oder des Anwachsens der Stärke des Magnetischen Fokussierungsfeldes liegt.

Für den Zweck der obigen Untersuchung wurde angenommen, daß die Elektronen aus den Vorder- und hinteren Bändern der Emissionsfläche 18 an den inneren bzw. äußeren Bändern des fokuseierten Strahles Gleichgewichtslagen erreicht haben. Es versteht sich, daß das eine theoretisch angenommene Bedingung ist, welche in der Präzis erreicht werden kann, obwohl das die obige Entwicklung nicht ungültig macht.

Eine alternative Ausführungsform der Erfindung ist in vereinfachter Form in Fig. 7 dargestellt. Biese Ausführungsform ermöglicht es, einen sogar dünneren Hohlstrahl bei einer gegebenen magnetischen Fokussierungsfeidstärke zu erhalten als mit der in Fig. 1 und 2 dargestellten Anordnung. Bei der Ausführungsf orm nach der Fig. 7 Ibt das hintere Ende der Kathode von der magnetischen Kraftlinie, mit der die vordere Kante der Kathode zusammenfällt, nach rückwärts geneigt, so daß die Elektronen, welche von dem hinteren Band der Kathode emittiert werden, ein geringeres magnetisches Vektorpotential als die vom vorderen Band emittierten Elektronen haben. Die Fokussierungskräfte der von den vorderen und hinteren Bändern der Emittierungefläche 38 nach Fig. 7 emittierten

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Elektronen sind im Diagramm nach Fig. 8 veranschaulicht, wo die Kurve 40 die Größe der Kräfte darstellt, welche auf Elektronen wirken, die mit dem gleichen

ρ magnetischen Vektorpotential Br_Q emittiert werden

el

wie ein Elektron, das von dem vorderen Rand der Emissionsfläche 38 ausgesandt wird. Die Kurve 41 stellt die Größe der Kräfte dar, welche auf Elektronen wirken, die mit dem gleichen magnetischen Vektorpoten-

2
tial B'r¹ emittiert werden wie ein Elektron, das von dem hinteren Hand der Emissionsfläche 38 auegesandt wird. Die durchgehende Linie 44 veranschaulicht die Kräfte, welche auf Elektronen wirken, die von dem Bereich sswischen den vorderen und hinteren Rändern der Emissionsfläche 38 nach Pig. 7 emittiert werden. Es ist zu erkennen, daß die Stärke (r* - r_) des fokussierten Strahles bei dieser Ausführungsform geringer ist als hei der Ausführungsform nach den Fig. 1 und 2, (r„ - r_ö)

O CL

Bei einem praktischen Fall bedeutet das, daß bei einer gegebenen Strahlstärke das magnetische Feld geringer als durch die Gleichung (13) angegeben sein kann· Oder es bedeutet, daß für die gleiche magnetische Feldstärke das Konvergenzverhältnis größer sein kann. Umgekehrt ist es richtig, daß ein dickerer Strahl entsteht und somit ein geringeres Konvergenzverhältnis, wenn die elektronenemittierende Oberfläche in dem anderen Sinne geneigt wird, so daß der hintere Rand der Fläche sich auf einem höheren magnetischen Vektorpotential als der vordere Rand befindet. Das ist bei der Verwendung der ■ 909808/067 8

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bekannten Magnetron-Injektionskanone ermittelt worden, welche ein im wesentlichen gleichförmiges axiales Magnetfeld verwendet.

Durch die Neigung der Emissionsfläche nach hinten hat das elektrostatische Kathoden-Anodenfeld eise an der Emissionsfläche eine geringere axial gerichtete Komponente. Dadurch, daß gewährleistet wird, daß die Kraftlinien des Magnetfeldes sich nach außen so radial wie möglich erstrecken, kann die Kathode bezüglich der Kraftlinie rückwärts geneigt werden und doch gestatten, dass das elektrostatische Kathoden-Anodenfeld eine beträchtliche axiale Komponente hat.

Ein Maximalvorteil kann von dem axialen elektrischen PeId zwischen Anode und Kathode durch eine Ausführungsform der Erfindung gewonnen werden, welches in vereinfachter Form in Fig. 9 dargestellt ist. Die elektronenemittierende Fläche 68 der Kathode 70 ist so angeordnet und geformt, daß sie mit dem äußersten sich nach außen erstreckenden Teil einer sich erweiternden Flußröhre übereinstimmt. Vorder- und Hinter-Fokussierungselektroden 71 und 72 dienen der gleichen Aufgabe wie das vorher für die entsprechenden Elektroden bei der Elektronenkanone nach den Fig. 1 und 2 beschrieben wurde. Bei dieser Ausführungeform der Erfindung ist die Projektion der Emissionsfläche 68 auf eine Ebene normal zur Mittelachse der

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Röhre sehr groß, während die Projektion der Fläche 68 auf eine Ebene parallel zu der Mittelachse sehr klein ist, wodurch der elektrische Feldgradient zwischen der Anode 74 und der Emissionsfläche 68 sehr angenähert axial ist und die Elektronen _Von der Fläche 68 mit einer sehr großen axialen Anfangsgeschwindigkeit emittiert werden. Auf diese Weise wird eine einheitliche Emission und ein geringes Bauschen gefördert. Der äußere Hadius am hinteren Ende der Emissionsfläche 68 ist recht groß, so daß das Konvergenzverhältnis bei dieser Ausführungsform der Erfindung beträchtlich grosser ale bei den vorher beschriebenen Ausführungsformen ist. Die grundsätzliche Arbeitsweise der Elektronenkanone nach Pig. 9 ist die gleiche wie die der vorher beschriebenen Aueführungsform der Erfindung.

Eine weitere Hohlstrahl-Elektronenkanone mit geformtem Feld gemäß der Erfindung ist in Fig. 10 dargestellt. Sas magnetische Fokussierungsfeld ist so geformt, daß es im Mittelbereich des Feldes parallele Kraftlinien hat, dass jedoch im Endbereich des Feldes die Kraftlinien sich nach außen erweitern und ihre Steigungen an der entfernten radialen Erstreckung des Feldes umkehren. In diesem Beispiel ist die elektronenemittierende Fläche 80 so geformt und angeordnet, daß sie mit den Teilen der Kraftlinien 82 und 83 übereinstimmt, welche umgekehrte Steigungen aufweisen, so daß von der Fläche 80 emittierte

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Elektronen anfänglich nach Innen auf die Achse der Kanone zugerichtet werden. Sine Anoden-Elektrode 85 ist koaxial um die Achse der Kanone im vorderen Bereich angeordnet, um das richtige elektrische Feld herzustellen, welches die kreisenden Elektronen in den fokussierten Strahl aieht. Die fokussierende Elektrode 87 ist koaxial um den vorderen Band der Emissionsfläche 80 herum angeordnet. Die Fokussierungselektrode 88 ist um die Hittelachse der Kanone herum angeordnet, um zur Fokussierung des Hohlstrahles beizutragen. Bei dieser Ausführungsform der Erfindung finden die von dem hinteren Rand der elektronenemittierenden Fläche 80 emittierten Elektronen theoretisch Gleichgewichtslagen am inneren Band des fokusslerenden Hohlstrahles, während die vom hinteren Band der Elektronen-Saissionsfläche 80 emittierten Elektronen ihre Gleichgewichtslagen am Außenrand des Hohlstrahles finden.

Wie aus den verschiedenen Ausfuhrungsformen der Erfindung zu entnehmen ist, kann eine Hohlstrahl-Elektronenkanone gemäß der Erfindung in sehr anpassungsfähiger Weise konstruiert werden. Bei all diesen Ausführungsformen werden große Emissionsflächen und somit große Konvergenzverhältnisse für Strahlen mit hoher Perveanz leicht erhalten.

Eine weitere und wichtige Betrachtung muß den Kräften gewidmet werden, welche auf die die fimissionsfläche

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einer gemäß der Erfindung aufgebauten Elektronenkanone verlassenen Elektronen wirken. Diese Betrachtung zeigt ebenfalls die Wichtigkeit der Erzeugung des besonders geformten Magnetfeldes. Diese Betrachtung schließt die Richtung der Axialkraft auf die Elektronen als Folge des Magnetfeldes ein. Offensichtlich ist es für einen optimalen Wirkungsgrad des Betriebes erwünscht, daß die Axialkräfte als Folge der elektrischen und magnetischen Felder in der gleichen Richtung wirken, um die Elektronen auf das Vorderende der Kanone zu richten. Diese Bedingung folgt jedoch nicht notwendig für alle geometrischen Beziehungen zwischen der Form und der Lage der elektronenemittierenden Fläche und der magnetischen Kraftlinien. Fig. 11 ist ein Diagramm, welches die Lage veranschaulicht, bei der die Axialkraft auf ein Elektron e nach hinten gerichtet ist, entgegengesetzt der Richtung der Kraft aufgrund des elektrischen Feldes, welches zwischen Anode und Kathode herrscht. Bei dieser Erörterung werden die Ausdrücke vorwärts und rückwärts bzw. vorne und hinten in Bezug auf eine Linie normal zu der Elektronenemissionsfläche 91 gebraucht. Der Einfachheit halber ist nur eine Hälfte der Kathode in Fig. 11 veranschaulicht. Es ist klar, daß die Kathode ein Umdrehungskörper, welcher symmetrisch zur Mittelachse ist, wie das in Fig. 1 dargestellt.ist.

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In Pig. 11 ist die Elektronen-Emissionsfläche 91 so geformt, daß sie mit den sich nach außen erweiternden Kraftlinien 93 übereinstimmt. Die Kraftlinie 94, welche radial über der Emissionsfläche liegt, ist parallel zu der Kraftlinie 93 im Bereich der Emissionsfläche 91. Die auf das Elektron e wirkende Zentrifugalkraft ist radial,nach außen gerichtet. Die auf das Elektron e wirkende Lorentz-Kraft ist normal zu der Kraftlinie 94 und fällt mit der Hormalen der Emissionsfläche 91 zusammen, weil die Kraftlinien 93 und 94 als parallel angenommen wurden. Die Resultierende der Zentrifugalkraft und der Lorentz-Kraft ist bezüglich der normalen der Emissionsfläche nach hinten geneigt. Es liegt daher eine nach hinten gerichtete Kraftkomponente vor, welche das Elektron e nach hinten zur Elektronenemissionsfläche 91 richtet.

Ein zufriedenstellender Betrieb einer Elektronenkanone mit der Anordnung nach Fig. 11, bei der die Emissionsfläche parallel zu der Kraftlinie 94 liegt, ist noch möglich. Das einzige Ergebnis ist, daß diese Art einer Kanone nicht so wirkungsvoll wie. möglich arbeitet^ weil das elektrische Kathoden-Anodenfeld jetzt genügend, groß sein muß, um die nach hinten gerichtete Komponente der· . ■ resultierenden magnetischen Kraft zu überwinden u»ä: die Elektronen aus dem vorderen Ende der Kanone; Alle theoretischen Erwägungen in

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den Ableitungen der Gleichung (13) sind noch gültig, da diese nur die radialen Kräfte, welche auf das Elektron e wirken, betreffen.

Fig. 12 zeigt die Lage, bei der die Axialkraft auf ein Elektron e als Folge der Summierung der Zentrifugalkraft und der Lorentz-Kraft eine vorwärtsgerichtete Kraftkomponente hervorruft, um das Plektron aus dem vorderen Ende der Kanone herauszuziehen» Somit wird die Kraft auf Grund des elektrischen Kathoden-Anodenfeldes unterstützt. Bei der Anordnung nach Fig. ist die Elektronenemissionsfläche 91 wieder konform mit der Kraftlinie 93j die Kraftlinie 95, welche das Elektron e schneidet, ist jedoch nicht parallel zu der Kraftlinie 93 sondern nach hinten geneigt, so daß sie

eine geringere Steigung bezüglich der Achse im Mittelbereich der Emissionsfläche 91 hat. Die Zentrifugalkraft ist noch nadial nach außen gerichtet,und die Lorentz-Kraft, welche normal zur Kraftlinie 95 steht, liegt nun vor der Linie, die normal zur Emissionsfläche 91 gerichtet ist. Die Resultierende der Zentrifugalkraft und der Lorentz-Kraft liegt auf der Vorderseite der Normalen zur Emissionsfläche 91 und hat eine nach vorn gerichtete Kraftkomponente, welche das Elektron e aus dem Vorderende der Kanone herauszieht. Somit wird die Kraft des elektrischen Kathoden-Anodenfeldes unterstützt. Diese Beziehung zwischen den Neigungen der Kraft-

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linien ist mehr erwünscht als die in Fig. 11 veranschaulichte, weil eine kleine Anodenspannung erforderlich ist, um die Elektronen aus der Kanone herauszuziehen.

Um ein Magnetfeld gemäß der Erfindung zu erzeugen ist es also notwendig, daß die in radialer Richtug entferntere Kraftlinie 95 die geringere Neigung gegenüber der Kraftlinie hat, welche mit der Emissionsfläche im Bereich der Emissionsfläche oder wenigstens im Mittelbereich derselben zusammenfällt, damit der lorentz-Kraftvektor vor der Normalen zur Emissionsfläche liegt. Um weiterhin eine gute "Zusammendrückung¹¹ oder ein gutes Konvergenzverhältnis zu gewährleisten, sollten die Kraftlinien im Bereich an der Vorderseite der Kanone und an den radial entferntesten Bereichen des Feldes enger zusammengefaßt sein.

Das magnetische Feldmuster mit Kraftlinien gemäß der in Fig. 12 veranschaulichten Beziehung ist relativ leicht mit üblichen Elektromagneten, Magneten und Polschuhen zu erhalten, welche gewöhnlich bei Elektronenröhren verwendet werden.

Bei der Konstruktion einer Hohlstrahlkanone gemäß der Erfindung besteht der erste Schritt darin, das magnetische Fokussierungsfeld zu erzeugen, welches die soeben beschriebene und in der Zeichnung dargestellte Form hat. 909808/0678

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Ein Weg zur Erzeugung eines derartigen Feldes besteht darinf entgegengesetzt magnetisierte Elektro- oder Permanentmagnete mit den Stirnseiten einander gegenüber anzuordnen, wobei zwischen ihnen Polschuhe vorgesehen sind oder nicht. Durch Verwendung von Elektromagneten kann die Erweiterung des magnetischen Fokussierungsfeldes in weiten Grenzen gesteuert werden. Die Form des Magnetfeldes wird entweder durch Verw^6dung von Eisenfeil&pänen oder einer magnetischen Feldsonde festgestellt.-

Der äußere Radius des Strahles muß mit der Größe des Weehselwirkungsaufbaus übereinstimmen, bei dem er verwendet werden soll. Da der innere Radius des Strahles im allgemeinen entlang der gleichen Kraftlinie wie der vordere Rand der Emissionsfläche verlauft, kann die gewünschte Kraftlinie, der die Emissionsfläche folgen soll, gewählt werden, um eine gegebene Strahlstärke zu gewährleisten. ■··.- ·-.· , . . > . :

Danach wird die J?orm und die. lage der Anode 20 gemäß Fig. 2 bestimmtj um ein beträchtliches axiales-elektrisches Feld zu schaffen und um zu verhindern, daß die Elektronen sich schneiden, da.das den Strahlstrom verringert und. -das,Rauschen im Strahl vergrößert. .Als erste Wahl der Anqdenform können die sog.

als Ausgangsmaß verwendet werden.

Diese ,Linien werden durch die folgende Gleichung bestimmt: 909808/0 67 a ^ .

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ds)

worin V die gewünschte Anodenspannung, B die gemeasene magnetische Feldstärke in Gauß und R und R_& die Radien der Kathode bzw. Anode in Zentimetern sind. Durch.·.Verwendung bekannter Verfahren wird die endgültige.,Ausbildungsform der Anodenfläche bestimmt.

Nachdem die Formen und Lagen der Elektronenemissionsfläche und der Anode bestimmt wurden, werden die Formen, Lagen und Potentiale der vorderen und hinteren Fokussierungs-Elektroden 23 und 24 nach Fig. 2 bestimmt. Diese Elektroden bilden ein Mittel zur Ausübung einer Endsteuerung der Elektronenbahnen, umu es dem Konstrukteuer zu ermöglichen, die gewünschten' Strahleigena^chaften -zu erhalten. Die Formen und Lagen der Fokussierungs-Elektroden 23 und 24 können mit Hilfe eines elektrolytischen Behälters und eines Analogrechners erhalten werden. Dieses Verfahren ist in der Technik bekannt.

Eine praktische Ausführungsform einer Elektronenkanone gemäß der Erfindung hat die folgenden physikalischen und elektrischen Eigenschaften:

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Emissionsfläche	24	cm	*
vorderer Radius der Emissionsfläche	1	,06 cm (0,419 Inch)	<
hinterer Radius der Emissionsfläche	2	,30 cm (0,905 Inch)
magnetische Feldstärke	580	Gauß
Anoden-Kathoden Spannung	380	Volt
Strahlstrom	227	mA
Mikroperveanz	30
Konvergenzverhältnis	50
Anodeneinfang	1
relative Strahldicke	9

worin die relative Strahldicke wie folgt definiert ist:

(äußerer Strahlradius) - (innerer Strahlradius) äußerer Strahlradius.

Patentansprüche:

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Claims

Pat entansprüche

(j/ Elektronenkanone zur Verwendung in einem Klystron - oder einer Y/and er feldröhre mit Mitteln zur Erzeugung eines geformten magnetischen Fokussierungsfeldes, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetischen Kraftlinien (H) des Feldes im mittleren Bereich des Feldes im wesentlichen geradlinig parallel und eng gebündelt sind und im ^ndbereich des Feldes radial in eine Erweiterung divergieren und an ihren äußeren Radien wieder enger gebündelt sind, wobei die Kathode (17) in diesem Endbereich derart angeordnet ist, daß die elektronenemittierende Fläche (18) mit den sich erweiternden magnetischen Kraftlinien übereinstimmt oder gegenüber diesen geringfügig nach hinten geneigt ist.

2. Elektronenkanone zur Erzeugung eines fokussierten hohlen Elektronenstrahls, welcher entlang einer Längs achse gerichtet ist, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel zur Erzeugung eines magnetischen Feldes mit Flußröhren vorgesehen sind, welche sich von der Achse im hinteren Bereich der Kanone radial nach außen erstrecken und im vorderen Bereich der Kanone nicht linear auf die Achse zu verjüngen, daß eine Elektronenemissionaflache radial um die Achse herum in dem

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Magnetfeld angeordnet ist, daß die Elektronenemissionsflache so geformt und in dem Magnetfeld angeordnet ist, daß von der Hinterseite der Emissionsfläche emittierte Elektronen diese mit einem magnetischen Vektorpotential verlassen, welches nicht größer als das der Elektronen ist, welche von der Torderseite der Emissionsfläche emittiert werden, und daß auch die von der Emissionsfläche emittierten Elektronen eine axialgerichtete Kraft ausgeübt Wird, um die Elektronen zum vorderen Ende der Kanone zu ziehen.

3. Elektronenkanone nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektronenemissionsfläche eine Umdrehungsfläche ist, welche sich in einer axialen Richtung entlang der Kanone erstreckt.

4. Elektronenkanone nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Plußröhren des Magnetfeldes, welche der Elektrohenemissionsflache am nächsten sind, im Bereich der !Fläche Neigungen haben, welche größer als die Neigungen der !Plußröhren sind, die von der Flächt= iti radialer Richtung einen größeren Abstand habe». ':■·■■·■' ^;'·■■■' ·■ · · ' '' ' · '■ ■ ^: ' ' ■ ■ ' ' ■■'-■■■

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5. Elektronenkanone' nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeiehneft, daß die-'El'eiEtronenemi&slonsflache im wesaMritlUtfcMoBL konform mit einer nieht-linearen Pluß·¹-röhre ist·

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6. Elektronenkanone zur Erzeugung eines axial gerichteten hohlen Elektronenstrahls, dadurch gekennzeichnet, daß eine sich axial erstreckende Elektronenemissionsfläche in Form einer Umdrehungsfläche mit einem ersten Durchmesser ari dem einen Ende vorgesehen ist, welche sich nach außen in einer nichtlinearen Erweiterung bis zu einem größeren zweiten Durchmesser an ihrem anderen Ende erstreckt, daß Mittel zur Anordnung der Emissionsfläche in einem fokussierenden Magnetfeld mit Kraftlinien vorgesehen sind, welche sich nach außen in einer nichtlinearen Erweiterung von dem einen Ende zum anderen Ende der Elektronenemissionsfläche erstrecken und daß auf die von der Fläche emittierten Elektronen eine axial gerichtete Kraft ausgeübt wird, welche die Elektronen aus der Fläche auf das eine Ende zu ziehen.

7. Elektronenkanone zur Erzeugung eines axial gerichteten hohlen Elektronenstrahls, dadurch gekennzeichnet, daß eine sich axial erstreckende Elektronenemissionsfläche in Form eines Umdrehungskörpere mit einem ersten Durchmesser am einen Ende vorgesehen ist, welche sich radial nach außen in ein^r nichtlinearen Erweiterung ζμ einem zweiten größeren Durchmesser an ihrem anderen Ende erstreckt, daß Mittel zur Anordnung der. Emissionsfläche in einem . :■

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fokussierenden Magnetfeld mit Flußlinien vorgesehen sind, welche sich nach außen in einer nichtlinearen Erweiterung von dem einen Ende zu dem anderen Ende der Elektronenemissionsfläche erstrecken und daß eine Anodenelektrode koaxial und mit Abstand um die Emissionsfläche herum angeordnet ist und sich über das erste Ende der Fläche erstreckt sowie sich nach außen auf das andere Ende der Emissionsfläche zu erweitert, wodurch eine axial gerichtete Komponente des elektrischen Feldes zwischen der Emissionsfläche und der Anode erzeugt wird.

8. Gerät zur Erzeugung eines hohlen Elektronenstrahles, welcher entlang einer Längsachse gerichtet ist, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel zur Erzeugung eines magnetischen Fokussierungsfeldes für den Elektronenstrahl mit Kraftlinien vorgesehen sind, welche sich radial nach außen zu einem ersten Bereich erstrecken und mit einer nichtlinearen Verjüngung zu der Achse in einem zweiten Bereich konvergieren, daß eine Elektronenemissionsfläche um die Achse in dem Bereich des Magnetfeldes angeordnet ist und eine Form aufweist, welche im wesentlichen mit einer Flußröhre des magnetischen Feldes übereinstimmt und mit dieser koinzidiert und daß Mittel zur Ausübung einer axial gerichteten Kraft auf die Elektronen vorgesehen sind, welche von der Fläche emittiert werden, so daß die Elektroden

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von der Oberfläche weg zu dem zweiten Bereich gezogen werden.

9. Gerät zur Erzeugung eines hohlen Elektronenstrahles, welche entlang einer Längsachse gerichtet ist, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel zur Erzeugung eines magnetischen Feldes vorgesehen sind, welches symmetrisch um die Achse herum angeordnet ist und Kraftlinien aufweist, welche sich radial nach außen in einem ersten Bereich erstrecken und mit einer nichtlinearen Verjüngung auf die Achse zu in einem zweiten Bereich verjüngen, daß eine Elektronenemissionsfläche symmetrisch um die Achse in dem Bereich des Magnetfeldes angeordnet ist, daß die Fläche sich radial nach außen in dem ersten Bereich des Feldes erstreckt und mit einer nichtlinearen Verjüngung auf die Achse zu in dem zweiten Bereich des Feldes konvergiert und daß die Emissionsfläche mit dem Kraftlinienmuster des magnetischen Feldes an ihrem Ende in dem ersten Bereich nicht übereinstimmt, wobei das magnetische Vektorpotential geringer als an dem Ende der Fläche in der Sähe des zweiten Bereiches ist.

10. Gerät nach Anspruoh 8, dadurch gekennzeichnet, daß weiter eine Anodenelektrode symmetrisch um die Achse mit Abstand von der Emissionsfläche angeordnet ist

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und sich axial über die Fläche in dem zweiten Bereich des Magnetfeldes erstreckt sowie nach außen mit einer nichtlinearen Erweiterung in dem ersten Bereich divergiert.

11. Elektronenkanone zur Erzeugung eines hohlen Elektronenstrahls, welcher entlang einer Längsachse gerichtet ist, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel zur Bildung eines magnetischen Fokussierungsfeldes für den Elektronenstrahl vorgesehen sind, welches Kraftlinien aufweist, die in einem ersten Bereich des Feldes im wesentlichen axial gerichtet sind und in einem zweiten Bereich des Feldes mit einer nichtlinearen Erweiterung radial divergieren, daß eine Elektronenemissionsfläche symmetrisch um die Achse in dem zweiten Bereich des Fokussierungsfeldes angeordnet ist, wo die Kraftlinien radial divergieren und daß die Emissionsfläche nicht mit dem Umriß der magnetischen Kraftlinien an ihrem Ort übereinstimmen, derart daß das Ende der Fläche nächst dem ersten Bereich auf einem höheren magnetischen Vektorpotential als das entgegengesetzte Ende der Fläche liegt.

12. Elektronenkanone zur Erzeugung eines fokussierten hohlen Elektronenstrahls, der entlang einer Längsachse gerichtet ist, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel zur Erzeugung eines magnetischen Fokussierungs-

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feldes für des Elektronenstrahl mit einen Muster Ton Flußröhren vorgesehen sind, welche auf die Achse zu in einem ersten Bereich konvergieren und in einem zweiten Bereich in einer nichtlinearen Erweiterung radial divergieren, daß eine KLektronenemlssionsfläche um die Achse herum in dem zweiten Bereich de» Magnetfeldes angeordnet ist, wo die Flußröhren radial divergieren_r daß die Projektion der Emissionsfläche auf eine Ebene normal zu der Achse eine größere Fläche hat als die Projektion der Fläche auf eine Ebene parallel zu der Achse und daß Mittel zur Ausübung einer axial gerichteten Kraft auf die von der Fläche emittierten Elektronen vorgesehen sind, um die Elektronen auf dem ersten Bereich su richten.

13· ^ELektroneiikenone «or Erzeugung eines fokuaeierten hohlen Elektronenstrahles, «releher entlang einer Längsachse gerichtet ist» dadurch gekennzeichnet, da0 Mittel zur Erzeugung eines magnetischen ?okttssierungsfeldee für den Elektronenstrahl vorgesehen sind, welches ein Muster von Flußröhren aufweist« die in einem ersten Bereich auf die Achse su konvergieren und in einer nichtlinearen Erweiterung in eine» «weiten Bereich radial divergieren, daß die sieh erweiternden Abschnitt· der Flußröhren in dem «weiten

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Bereich Neigungen in dem einen Sinne entlang ihrer Bereiche nächst der Achse aufweisen und entlang ihrer Bereiche in der größten Entfernung von der Achse Neigungen von entgegengesetztem Sinne besitzen, daß eine Elektronenemissionsfläche um die Achse in dem zweiten Bereich des Magnet- feldes angeordnet ist, wo die Flußröhren die Neigungen mit entgegengesetztem Sinn haben, daß die Fläche nach innen zeigt, um Elektronen auf die Achse ZVLvZU emittieren und daß Mittel zur Ausübung einer Kraft auf die Elektronen vorgesehen sind, um sie auf den ersten Bereich zu zu richten.

14· Elektronenkanone zur Erzeugung eines hohlen Elektronenstrahls, welcher entlang einer Längsachse gerichtet ist, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel zur Erzeugung eines magnetischen Fokussierungsfeldes für den Elektronenstrahl vorgesehen sind, welches Kraftlinien aufweist, die im wesentlichen parallel und axial in dem Mittelbereich des Feldes gerichtet sind und mit einer nichtlinearen Erweiterung an einem Endbereich des Feldes radial divergieren, daß die elektronenemittierende Fläche symmetrisch um die Achse in den Endbereich des Fokussierungefeldes angeordnet ist, wo die Kraftliden radial divergieren und daß die Emissionsfläche mit dem Umriß des Magnetfeld-Kraftlinienmustere an ihrem Ort übereinstimmt.

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15. Elektronenkanone nach Anspruch H, dadurch gekennzeichnet, daß eine Anodenelektrode koaxial, mit Abstand um die Emissionsfläche herum angeordnet ist und sich über das Ende der Emissionsfläche in der Richtung auf den Mittelbereich des Feldes erstreckt sowie in einer nichtlinearen Erweiterung an ihrem entgegengesetzten Ende divergiert, wodurch eine Axialkomponente des elektrischen Feldes zwischen der Anode und der Emissionsfläche hervorgerufen wird.

16. Elektronenkanone nach Anspruch 15? gekennzeichnet durch eine erste und eine zweite 1okussierungselektrode, welche jeweils in der Nähe der beiden Enden der Emissionsfläche angeordnet sind, wobei die Elektroden derart angeordnet und so elektrisch vorgespannt sind, dass die Form des Elektronenhohlstrahles weitez/gesteuert wird.

17· Elektronenkanone zur Erzeugung eines hohlen ELektronenstrahles entlang einer Längsachse, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel zur Erzeugung eines magnetischen Fokussieraingsfeldes für den Elektronenstrahl mit Kraftlinien vorgesehen sind, welche sich radial nach aussen zu einem ersten Bereich entlang der Achse erstrecken und mit einer nichtlinearen Erweiterung auf die Achse zu zu einem zweiten Bereich konvergieren, welcher von dem ersten Bereich axial versetzt ist, und dass eine

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Elektronen emittierende Fläche um die Achse in dem Bereich des Magnetfeldes herum angeordnet ist und eine icaria Mt ν welche im wesentlichen, mit einer Flxxßröhre des Magnetfeldes übereinstiinmt rand Mit dieser

BleiEtronenkanane aäch Anspruch 17» dadurch gekennzeichnet, das8 die Kraftlinie, mit welcher die Elektronen emittierende !"lache übereinstimmt» in dem Bereich der Flache else grosser« Neigung ale die Kraftlinien hat, welche is radialer Hichttaig eine groeaere Entfermmg vcm der Oberfläche haben.

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