DE1514091C - Elektronenstrahlerzeugungssystem - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft ein Elektronenstrahlerzeu- Die Erfindung besteht darin, daß das Magnetfeld

gungssystem mit einer Kathode, einer Anode und einer inhomogen ist und seine Feldstärke in Abhängigkeit

auf niedrigerem Potential als die Anode liegenden vom Abstand χ von der Elektrode so ändert, daß

Elektrode, die der Anode parallel gegenüberliegt, das ElektronenstrahlenbQndel entlang eines Abstandes

sowie mit einer Anordnung zum Erzeugen eines Ma- 5 χ = D von der Elektrode verläuft, für den die Glei-

gnetfeldes H im Bereich zwischen den Elektroden, chung

dessen Feldlinien die Feldlinien des elektrischen Feldes *

zwischen der Anode und der Elektrode sowie die Fort- J H(x) · χ ■ äx = H(x) · x²

pfianzungsrichtung des zu erzeugenden Elektronen- ο

Strahlbündels rechtwinklig kreuzen, wobei die zwi- io erfüllt ist.

sehen der Anode und der Elektrode liegende elektri- Die angegebene Gleichung entspricht der sogenann-

sche Spannung so bemessen ist, daß das Elektronen- ten »2: 1-Betatronbedingung«, die erfüllt sein muß,

Strahlbündel zwischen der Anode und der Elektrode damit sich in einem Betatron die Elektroden auf einer

parallel zur Anode verläuft. stabilen Kreisbahn bewegen. Da diese Bedingung auch

Die für Kathodenstrahlröhren, Wanderfeldröhren, 15 für eine Kreisbahn mit beliebig großem Radius gilt,

Klystrons, Elektronenbeschleuniger u. dgl. verwen- wird erfindungsgemäß für eine praktisch lineare Elek-

ndete Strahlerzeugungssysteme enthalten gewöhnlich tronenbewegung eine vollkommen stabile Bahn ge-

ein elektrostatisches Linsensystem und eine Kathode, währleistet.

deren emissionsfähige Oberfläche senkrecht zur Rieh- Die Erfindung soll nun an Hand von Ausführungs-

tung des Elektronenstrahls verläuft. Systeme dieser 20 beispielen in Verbindung mit der Zeichnung näher

Art haben den Nachteil, daß die Stromdichte nur mit erläutert werden. Es zeigt

großem Aufwand erhöht werden kann. Bei neueren F i g. 1 ein Diagramm zur Erläuterung der Grund-Elektronenröhren für das Millimeterwellenlängen- lagen der stabilen Elektronenumlaufbahn,
gebiet hat man den Elektronenstrom auch schon mit F i g. 2 eine schematische Darstellung einer Auseiner ebenen, plattenförmigen Kathode in Kombina- 25 führungsform eines mit einem inhomogenen Magnetron mit aufeinander senkrecht stehenden elektrischen feld arbeitenden Elektronenstrahlerzeugungssystems, und magnetischen Feldern erzeugt, aber auch hier F i g. 3 ein Diagramm zur Erläuterung der Verlassen sich keine großen Stromdichten erreichen und hältnisse bezüglich jler stabilen Elektronenumlaufandererseits läßt sich der Elektronenstrahl auch nur bahn,
schwer fokussieren. 3° F i g. 4 eine schematische Darstellung einer Katho-

Aus der britischen Patentschrift 733 349 ist ein denstrahlröhre mit einem Strahlerzeugungssystem,

Elektronenstrahlerzeugungssystem mit einer Kathode, F i g. 5 eine schematische Darstellung einer ande-

einer im Betrieb auf niedrigem Potential liegenden ren Kathodenstrahlröhre mit einem Strahlerzeugungs-

Elektrode und einer dieser Elektrode und der Kathode system,

parallel gegenüberliegenden Anode sowie mit einem 35 F i g. 6 eine teilweise geschnittene, perspektivische zentralen Leiter zum Erzeugen eines inhomogenen Ansicht eines Elektronenstromerzeugungssystems zur Magnetfeldes im Bereich der Elektroden bekannt. Das Erzeugung eines hohlzylindrischen Elektronenstrahl-Magnetfeld kreuzt die Richtung der parallelen Elek- bündeis und

troden und die Richtung des elektrischen Feldes zwi- F i g. 7 eine Schnittansicht in einer Ebene 7-7 der

sehen der Anode und den beiden anderen Elektroden 40 F i g. 6.

rechtwinklig und ändert seine Feldstärke in Abhängig- Nimmt man bei F i g. 1 an, daß ein auf der Zeichenkeit vom Abstand von der Elektrode niedrigen Po- ebene senkrecht stehendes Magnetfeld H(r) vorhantentials. Diese bekannte Anordnung ermöglicht zwar den ist, dessen Feldstärke sich von einem Mittelein Abflachen der Cycloidenbahnen, auf denen sich punkt O in radialer Richtung als Funktion des Radius r die emittierten Elektronen bewegen, nicht aber eine 45 ändert, und daß die folgende Gleichung (1), die aus scharfe Bündelung der Elektronen. der 2: 1-Betatronbedingung ableitbar ist, auf dem

Aus der deutschen Auslegeschrift 1 100188 ist Kreis 2 erfüllt ist, dessen Radius r₀ betrage, so konferner eine Ionenquelle mit einem senkrecht zu paralle- vergieren alle im Mittelpunkt 0 in radialer Richtung len Elektroden stehenden elektrischen Feld und einem emittierten Elektronen 1 auf dem Kreis 2 und führen sich senkrecht zum elektrischen Feld erstreckenden 50 dort stabile Umläufe aus.
Magnetfeld bekannt, bei welcher die Spannung zwischen einer Anode und der einen, auf niedrigem Po- ' f°H (r)T'dr = H(r)-r² (1)
tential liegenden Elektrode so bemessen ist, daß sich J
die Elektronen auf einer linearen Bahn bewegen sollen.

Bei dieser bekannten Anordnung ist das Magnetfeld 55 Wenn sich die Elektronenquelle nicht im Mittelhomogen. Es hat sich aber herausgestellt, daß es mit punkt 0 der kreisförmigen Bahn 2 befindet, sondern einem homogenen Magnetfeld praktisch nicht möglich auf einem Kreis mit dem Radius r„ setzt man bei ist, eine stabile lineare Bahn zu erhalten. Außerdem dem in Gleichung (1) angegebenen bestimmten Intehat die bekannte Anordnung den Nachteil, daß die gral als untere Grenzer!.-Da r₀ in Fig. 1 und in Emissionsfläche der Kathode keine beliebige Aus- 60 Gleichung (1) theoretisch unbegrenzt ist, kann es dehnung besitzen darf, weil sonst cycloidische Bahnen sehr groß gewählt werden, so daß dann ein begrenzter entstehen würden. · Teil der stabilen, an sich kreisförmigen Umlaufbahn

Die Erfindung hat sich demgemäß die Aufgabe ge- als praktisch geradlinig angesehen werden kann. Unter

stellt, ein Slrahlerzcugungssystem anzugeben, das eine der Annahme, daß die Elektronen von einem Kreis

wesentliche stabilere, praktisch lineare Elektronen- 65 mit dem Radius r, emittiert werden, werden sich die

bahn {.'cwährleistct als bei den bekannten Systemen, Elektronen auf einer ringförmigen Bahn mit der

und insbesondere einen extremdünnen Elektronenstrahl Breite (r_a — r_x) bewegen. Wenn dieser ringförmige

mit einer möglichst großen Stromdichte zu ermöglichen. Teil horizontal expandiert wird und im bandförmigen

Zwischenraum zwischen r₀ und T₁ die oben angegebene Feldverteilung (Feldstärke als Funktion des Radius) aufrechterhalten wird, so werden die Elektronen eine horizontale Bewegung auf einer geraden Linie ausführen, die durch Streckung des Kreises 2 entstanden ist.

Wie erwähnt, liegt die bekannte Grundidee der vorliegenden Erfindung darin, daß auf Grund des genannten Betatrongesetzes eine praktisch lineare stabile Bahn existiert.

Die in F i g. 2 dargestellte Anordnung enthält eine Anode 3, an der im Betrieb eine Spannung V₁ liegt, eine auf niedriger Spannung liegende Elektrode 4, die im Betrieb auf einer Spannung V₀ liegt, und eine Elektronen emittierende Kathode 5. Die Elektronen sind flach und plattenförmig und liegen einander, wie dargestellt, parallel gegenüber, wobei im Zwischenraum zwischen ihnen ein elektrisches Feld E(x) erzeugt wird. Zusätzlich zu diesem elektrischen Feld E(x) wird in dem Zwischenraum ein Magnetfeld H(x) erzeugt, das senkrecht zur parallelen Achse verläuft, also in F i g. 2 senkrecht auf der Zeichenebene steht. Das Magnetfeld ist an der Seite der Elektrode 4 am stärksten und wird in Richtung zur Elektrode 3 allmählich schwächer.

Das Magnetfeld kann jedoch auch an der Seite der Elektrode 3 seine größte Feldstärke haben und in Richtung auf die Elektrode 4 allmählich schwächer werden. In diesem Falle ist es jedoch erforderlich, daß die Elektronen am Ort der Kathode 5 eine gewisse Geschwindigkeit in Richtung auf die Elektrode 3 haben.

Die Magnetfeldstärke ändert sich also als Funktion des Abstandes χ von der Elektrode 4 zur Elektrode 3. Unter diesen Bedingungen gelten für die Bewegungen der Elektronen im Zwischenraum bei Verwendung des in F i g. 2 links eingezeichneten Koordinatensystems im wesentlichen folgende Gleichungen:

dem die Bahn stabil wird. Umgekehrt kann die magnetische Feldverteilung H(x) für einen speziellen Wert von D errechnet werden. Angenommen die magnetische Feldverteilung sei H(x) = ax + b, und die Gleichung (5) ist gelöst, so erhält man die folgende Gleichung (6):

- ax
3

³ + -bx* = 0. 2

d?x	e	E(x)	t	eH(x]	dx	I dy	(2)
d/2		m	m	d/ '	dt '	(3)
d2y	e	H(x)			(4)
d/a		m
d2z

d/^a

dabei bedeuten e die Ladung und m die Masse des Elektrons.

Gemäß den Lösungen dieser Gleichungen bewegen sich die Elektronen bei konstantem H(x) von links nach rechts auf Cycloidenbahnen, wenn jedoch H(x) richtig bemessen ist, ergibt sich eine einzige stabile lineare Bahn, wie sie bei 6 in F i g, 2 dargestellt ist. Die Bedingung für eine solche stabile Bahn entsprechend der geraden Linie 6 kann durch Erfüllung der folgenden Gleichung (5) wie bei der genannten Betatronbedingung gemäß Gleichung (1) erhalten werden:

Wenn der Wert für eine spezielle stabile Bahn, also der Abstand von der Elektrode 4, für χ in Gleichung (6) eingesetzt wird, erhält man die gesuchte magnetische Feldverteilung. Es ist dabei jedoch erforderlich, den Absolutwert der magnetischen Feldstärke so zu wählen, daß der Einfluß des Erdmagnetfeldes nicht stört, und man kann zu diesem Zweck eine Proportionalitätskonstante K betrachten, die durch H (x) = K(ax + b) gegeben ist. F i g. 3 zeigt ein Diagramm mit drei Magnetfeldverteilungslinien 10, 11,12 und die Art und Weise, wie die Lage der stabilen Bahn erhalten werden kann. Diese Lage der stabilen Bahn, also der Abstand D, ergibt sich durch den Schnittpunkt E der Linie 13, die schematisch das Integral entsprechend der linken Seite der Gleichung (5) darstellt, mit einer Kurve 14, die der rechten Seite dieser Gleichung entspricht.

Angenommen der Abstand D der stabilen Bahn von der Elektrode 4 sei 1 cm, so ergeben sich für a und b bei Erfüllung der Bedingung χ =D = 1 cm die Werte α= —3 und b = 4. Das negative Vorzeichen von α bedeutet, daß die Feldstärke des Magnetfeldes mit abnehmendem Abstand von der Elektrode 3 kleiner wird. Wenn also die Magnetfeldverteilung (Änderung der Feldstärke) nach der Gleichung H(x) = — 3x + 4 verläuft, existiert eine stabile Bahn im Abstand von 1 cm von der Elektrode 4. In diesem Fall ist jedoch die Feldstärke des Magnetfeldes auf der Bahn gleich H(I) = 1 Gauß und damit sehr klein.

Wählt man in diesem Falle dann beispielsweise als Proportionalitätskonstante K — 66 und damit H'(\) — 66 Gauß, so ergibt sich ein praktisch brauchbarer Wert.
Die »kritische« Spannung V, die an die Elektroden angelegt werden muß, damit sich die Elektronen an einem Ort bewegen, an dem dte angegebene Bedingung für eine stabile Elektronenbahn erfüllt ist, läßt sich durch die folgende Gleichung (7) bestimmen, die sich als Näherungswert aus der Bedingung herleiten läßt, daß an diesem Ort die vom elektrischen Feld herrührende Beschleunigung und Geschwindigkeit der Elektronen in Richtung von der einen zur anderen Elektrode gleich Null sein muß:

HR

3,3~

.τ

J H(x) · χ · dx = H(x)

Mit anderen Worten, wenn H(x) bestimmt und die Gleichung (5) gelöst wird, erhält man den Wert von χ = D (x — Abstand von der Elektrode 4), bei dabei sind: // die Magnetfeldstärke,
R der Radius der Elektronenbahn und

V die Spannung auf der Bahn.
Wenn also die oben angegebenen Werte eingesetzt werden, V -= 400 V, und der Abstand zwischen den Elektroden 2 cm ist, ergibt sich als Spannung (V₁-V₀) zwischen den Elektroden 3 und 4 der Wert von 800 Volt.

Wenn also bei der in F i g. 2 dargestellten Anordnung zwischen den Elektroden 3 und 4 eine geeignete

Claims (2)

1. 5 6

   inhomogene Magnetfeldverteilung erzeugt wird und eine Bei der dargestellten Kathodenstrahlröhre werden

   stabile Bahn entsprechend der obenerwähnten Beta- die von der ebenen Kathode emittierten Elektronen

   tronbedingung existiert und zwischen den Elektro- gemäß den oben erläuterten Prinzipien zu einem

   den 3 und 4 wenigstens annähernd die oben ange- dünnen bandförmigen. Strahl fokussiert, der in das

   gebene Spannung V liegt, bewegen sich die von der 5 durch den Magneten 21 erzeugte Magnetfeld der

   Kathode 5 in Richtung auf die Anode 3 emittierten zweiten Anordnung gelangt. Das in der erwähnten

   Elektronen anfänglich zwar auf getrennten Bahnen Weise gerichtete Magnetfeld der angegebenen Ver-

   (a, b, c), sie konvergieren schließlich jedoch alle auf teilung lenkt die Elektronenbahnen senkrecht um

   der stabilen Bahn, so daß ein scharf fokussierter und sammelt den Elektronenstrom gleichzeitig auf

   Elektronenstrahl erzeugt werden kann. io eine neue stabile Bahn, wobei die Breite des Strahles

   Die obigen Ausführungen zeigen, daß die Länge verringert wird und ein dünner fadenartiger Strahl der Kathode nicht in die Bedingungen für die stabile entsteht, der zum Leuchtschirm 18 gelangt.
   Bahn eingeht, so daß man eine praktisch beliebig In den F i g. 6 und 7 ist eine rohrförmige Anordlange Kathode verwenden kann, da alle von ihr emit- nung zum Erzeugen eines Elektronenstromes oder tierten Elektronen auf derselben Bahn zu einer Elek- 15 -Strahles dargestellt, die eine große zylindrische Anode tronenströmung hoher Dichte konvergieren. Wenn 23, eine kleine zylindrische Niederspannungselektrode beispielsweise eine Oxydkathode mit einer Emissions- 24 und eine zylindrische Kathode 25 enthält. Die stromdichte von 0,5 A/cm² verwendet wird, läßt sich Elektroden 24 und 25 fluchten in Axialrichtung und mit einer im Durchmesser 2 mm messenden Kathode sind konzentrisch im Inneren der Elektrode 23 anmaximal ein Strom von 15,7 mA erzeugen; verwendet 20 geordnet. Außer daß die Anordnung zylindersymman andererseits eine 2 mm breite und 20 mm lange metrisch ist, entspricht sie also der F i g.
2. 2. Die Elek-Kathode, so läßt sich ein Elektronenstrom von 200 mA troden werden von einem Kolben 26 umschlossen, erreichen. der von einer Magnetspule 27 umgeben ist. Die Spule

   F i g. 4 zeigt als Anwendungsbeispiel der Erfin- ist eine die zylindrische Anode koaxial umgebende

   dung eine Kathodenstrahlröhre mit einer Elektronen- 25 Toroidwicklung, deren Windungsebenen senkrecht auf

   quelle, deren Aufbau im wesentlichen F i g. 2 ent- der Tonisseele stehen und deren Windungen (28) in

   spricht. Die Elektronenquelle, die eine Anode 3, eine Richtung der Zylindermantellinien der Anode länglich

   Niederspannungselektrode 4 und eine Kathode 5 ent- ausgebildet sind. Die Richtung des Magnetfeldes

   hält, wird mit geeigneten Spannungen gespeist und zwischen der Elektrode 28 und den Elektroden 24,

   einem Magnetfeld ausgesetzt. Die Röhre enthält 3° 25 ist in F i g. 7 durch Pfeile angegeben, die FeId-

   außerdem einen Kolben 15, Vertikal- und Horizontal- stärke ist bei den Elektroden 24, 25 größer. Bei ge-

   Ablenkanordnungen 16, 17 und einen Leuchtschirm eigneter Wahl des Magnetfeldes und der Elektroden-

   18. Mit 19 ist ein Elektronenstrahl bezeichnet. spannungen existiert dementsprechend eine zylinder-

   Bei einem System der oben beschriebenen Art förmige stabile Bahn im Zwischenraum zwischen den werden die von der Kathode emittierten Elektronen 35 Elektroden, und die von der Kathode 25 emittierten nur in einer Richtung fokussiert, nämlich in der senk- Elektronen laufen in Achsrichtung und konvergieren rechten Richtung in der Zeichenebene, so daß eine zu einem dünnen hohlzylinderförmigen Elektronenlängliche Linearkathode verwendet werden muß, die strahl. Die Elektronenbahnen sind in diesem Falle sich in Richtung der Röhrenachse erstreckt. Die ver- auf einer Zylinderfläche stabil, deren Dicke theoretisch wendbare Kathodenfiäche ist daher relativ beschränkt. 40 Null ist, so daß der entstehende hohlzylinderförmige

   F i g. 5 zeigt ein Beispiel einer Kathodenstrahlröhre, Elektronenstrahl wesentlich dünner ist als hohle Elek-

   bei der der Erfindungsgedanke 'zweimal zur Anwen- tronenstrahlen, die in bekannter Weise durch magneti-

   dung gelangt, so daß eine ebene Kathode größerer sehe Injektion od. dgl. erzeugt wurden.

   Breite verwendet werden kann. Der Kolbenhals der Die Erfindung läßt sich überall dort anwenden, wo

   in F i g. 5 dargestellten Röhre ist rechtwinklig um- 45 Elektronenstrahlen oder-strömungen benötigt werden,

   gebogen und enthält in der Nähe seines Endes eine z.B. bei Kathodenstrahl-Röhren, Wanderfeldröhren,

   Elektronenstrahlerzeugungsanordnung. Diese erste An- Rückwärts-Wanderfeldröhren, geschwindigkeitsmodu-

   ordnung enthält ein Elektrodensystem mit einer lierten Röhren, z. B. Klystrons, Beschleunigern u. dgl. Ar.cde 3, einer Niederspannungselektrode 4 und einer

   Kathode 5 sowie einen außerhalb der Röhre ange- 5°

   ordneten Magneten 20, die zweite Anordnung enthält Patentansprüche:
   einen außerhalb des Röhrenkolbens bei der Biegung

   des Halses angeordneten zweiten Magneten 21. Im 1. Elektronenstrahlerzeugungssystem mit einei Röhrenhals sind außerdem wie üblich Ablenkanord- Kathode, einer Anode und einer auf niedrigerem nungen 16, 17 vorgesehen. Der Magnet 20 liefert 55 Potential als die Anode liegenden Elektrode, die zwischen der Anode 3 einerseits und der Niederspan- der Anode parallel gegenüberliegt, sowie mit einer nungselektrode 4 und der Kathode 5 andererseits Anordnung zum Erzeugen eines Magnetfeldes H ein Magnetfeld, wie es an Hand von F i g. 2 erläutert im Bereich zwischen den Elektroden, dessen Feldwurde. Der durch die erste Anordnung erzeugte Elek- linien die Feldlinien des elektrischen Feldes zwitronenstrahl läuft in die zweite Anordnung, da die 60 sehen der Anode und der Elektrode sowie die Fortzugeführten Elektronen jedoch hier schon eine ge- pflaiizungsrichtung des zu erzeugenden Elektronenwisse Geschwindigkeit haben, können bei der zweiten Strahlbündels rechtwinklig kreuzen, wobei die zwi-Anordnung die Elektroden 3, 4 und 5 entfallen. Das sehen der Anode und der Elektrode liegende elekdurch den Magnet 21 erzeugte Magnetfeld steht senk- trische Spannung so bemessen ist, daß das Elekrecht auf dem durch den Magnet 20 erzeugten Ma- 65 tronenstrahlbündel zwischen der Anode und der gnelfeld und senkrecht auf der Fortpnanzungsrich- Elektrode parallel zur Anode verläuft, dadurch tung der Elektronen und wird in der Zeichnung ge- gekennzeichnet, daß das Magnetfeld insehen von unten nach oben stärker. homogen ist und seine Feldstärke in Abhängigkeit

   vom Abstand χ von der Elektrode so ändert, daß das Elektronenstrahlenbündel entlang eines Abstandes x = D von der Elektrode verläuft, für den die Gleichung

   JH(x) -x-dx = H(x) ■ x²

   erfüllt ist.

   2. Strahlerzeugungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stärke des Magnetfeldes von der Elektrode in Richtung auf die Anode hin abnimmt.

   3. Strahlerzeugungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetische Feldstärke von der auf niedriger Spannung liegenden Elektrode auf die Anode hin zunimmt.

   4. Strahlerzeugungssystem nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die von einer flächenförmigen Kathode emittierten Elektronen zuerst ein erstes Magnetfeld durchlaufen und daß der dabei entstehende bandförmige Elektronenstrahl durch ein zweites, auf der Richtung des ersten Magnetfeldes senkrecht stehendes Magnetfeld zu einem fadenförmigen Strahl fokussiert wird, wobei beide Magnetfelder der im Anspruch 1 angeführten Gleichung genügen.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

   109 622/139