DE1539639C - Elektrodenanordnung zum Erzeugen eines Elektronenstrahlbündels hoher Intensität - Google Patents

Description

In Elektronenröhren und ähnlichen Apparaten wird in der Regel eine Glühkathode als Elektronenquelle verwendet. Gliihkathoden haben jedoch eine verhältnismäßig niedrige Stromdichte und sind deshalb in den Fällen nicht geeignet, in denen man eine gioße Stromdichte des Elektronenstrahls wünscht.

Um einen Elektronenstrahl mit großer Stromdichte zu erhalten, kann man beispielsweise eine Quecksilberkathode als Elektronenquelle benutzen. Vom Kathodenfleck einer solchen Kathode werden auch Ionen und neutrale Gasatome emittiert, die in geraden Dahnen in allen Richtungen von der Kathode heraiisgeschleudeit werden. Die Ionen kehren je'dnch verhältnismäßig schnell zur Kathode zurück, aber die neutralen Atome, die nicht vom Feld des Lichtbogens beeinllußt werden, setzen ihren Weg fort und können in einem verhältnismäßig großen Abstand von der Kathode von F.lektronen ionisiert werden; das bedeutet, daß praktisch überall zwischen Anode und Kathode Ionen auftreten können. Solche Anordnungen sind in der französischen Patentschrift 1 385 711 und in der USA.-Patentschrift 2 937 300 beschrieben, aber mit diesen Anordnungen erhält man keinen Elektronenstrahl, der völlig frei von Ionen und neutralen Atomen ist, wie es das Ziel der Eifindung ist.

Die Erfindung geht von einer Elektrodenanordnung aus, mit der im Vakuum ein Elektronenstrahlbündel hoher Intensität erzeugt werden kann, und zwar durch Extraktion der Elektionen aus einem durch eine elektrische Entladung erzeugten Plasma. Eine solche Elektrodenanordnung besteht aus einer Kathode und einer Anode, /wischen denen das Plasma entsteht, und wenigstens einer weiteren Elektrode, die auf einem relativ zur Kathode positiven Potential liegt und der Extraktion und Bündelung der Elektronen dient. Eine solche Anordnung ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß die zwischen der Anode und der oiler den weiteren Elektroden angeordnete Kathode mit Ausnahme eines der Anode zugekehrten Flächenabschnitte;·, von einem elektrisch isolierenden Material umgeben ist. Weitere Merkmale der Anordnung gehen aus den Unteranspiüchen hervor.

Dieser eihaltene reine und hoclienergisclie Elektronenstrahl kann für viele verschiedene Zwecke verwendet werden, z. U. zum Schweißen, Schmelzen von. Metallen im Vakuum, um möglichst gasfreie Metalle und Legierungen zu erhalten, u. a. in.

Die Erfindung ist im folgenden an Hand der Zeichnung beschrieben, die schematisch einen Schnitt durch eine Ausführungsform der Erfindung zeigt.

In einem Vakuunibehälter 1 befindet sich eine Kathode 2, eine Fanganode 3, eine Beschleunigungsanode 4 und eine Hilfsanode 5. Die Kathode ist von einer isolierenden Schicht 6, z. B. aus keramischem Material, umgeben. Nur die obere Fläche 7 ist frei von einem Belag, und auf dieser Fläche befindet sich der Ionen und Elektronen emittierende Kathodenfleck 8. Die Hilfsanode 5 ist direkt oberhalb der Fläche 7 auf der Kathode angeordnet und ist hebpnd senkbar durch die Wand des Behälters 1 geführt. Die Kathode und die Hilfsanode sind an einer Ililfsspannungsquelle 9 angeschlossen. Ein Schirm 10 ist zwischen Kathode und Hilfsanode gesetzt, um das Entstehen eines Stromes im Hilfskreis zu verhindern.

Auf der Hilfsanode ist ein Kondensationsschirni 11 mittels einer isolierenden Zwischenlage 12 befestigt, und auch die Kathode ist mit einem solchen Kondensationsschirm versehen, der liiit 13 bezeichnet und an der die Kathode umgebenden isolierenden Schicht 6 befestigt ist. Die Aufgabe der Kondensationsschirme ist, die neutralen Atome aufzufangen, die vom Kathodenfleck ausgehen, und sie daran zu hindern, sich auf den Behälterwänden abzusetzen.

Die Beschleimiguiigsanode 4 ist zwischen der

ίο Kathode und der Fanganode 3 angebracht. Das elektrische Feld in der Beschleunigungsanode muß eine solche Form haben, daß der größtmögliche Teil des Eüektronenstroines direkt durch die Anode strömt und die Fangnnode erreicht. Um den Elektronenstrahl 7.11 fokussieren und um seine elektrostatische Selbstausbreitung zu verhindern, kann ein längsgehendes Magnetfeld eingeschaltet werden.

Die Entladung wird dadurch gestartet, daß die Hilfsanode bis zum Kontakt mit der Kathodeiifläche 7

ao gesenkt und danach gehoben wird, wobei ein Lichtbogen zwischen den beiden Elektroden entsteht. Wo der Lichtbogen die Kathodenfläche veiläßt, entsteht der Kathodenfleck 8. Vom Kathodenfleck werden Elektronen, Ionen und neutrale Metallatome emittiert

»5 und bilden ein Plasma oberhalb der Kathode. Die Ionen und die neutralen Metallgasatome können sich nur in geraden Bahnen bewegen, dies ist die Ursache diifiir, daß sich das Plasma nur über der geraden Linie A-A in der Figur befindet. Die Elektronen können dagegen vom Feld von der Hauptspannungsquelle 14 beeinflußt werden, ihr Potential kann hoch gewählt werden, wenn man einen hohen Bogenspan· nungsfall und einen Strahl von hochenergiereiclien Elektronen in die F'anganode 3 hinein erhalten will.

Der Elektronenstrahl wird sehr stark, weil ein Kathodenfleck als Elektronenquelle benutzt wird und die Größe des Kathodenilecks im großen und ganzen unbegrenzt ist. Was dem Elektronenstrom eine obere Grenze setzt, ist, daß bei Stromstärken von der Größenordnung von 20 oder 40 kA das Plasma oberhalb der Kathode kollisionsbestimint wird und neutrale Metallatome sich in das Gebiet unter der Linie A-A verbreiten.

Anstatt eine bewegliche Hilfsanode zum Zünden des Lichtbogens zu verwenden, kann man eine hochohmige Zündelektrode auf der Kathodenfläche anordnen. Eine dritte Möglichkeit ist, die Entladung mit Hilfe eines gegen die Kathode gerichteten gebündelten Laserstrahles zu starten.

Wenn die Verhältnisse so sind, daß der plasmaerzeugende Kathodenfleck ohne Hilfe des Lichtbogens zwischen der Hilfsanode und Kathode stabil ist, kann die Stromquelle 9 abgeschaltet werden, sobald der Kathodenfleck sich gebildet hat und die Entladung stabilisiert ist.

Die Kathode muß aus einem äußerst gasfreien Material hergestellt sein, damit die Menge neutralen Gases, die beim Abschmelzen der Kathode freigemacht wird, so klein wie möglich wird. Das Kathodenmaterial kann festes oder flüssiges Metall, z. B. Kupfer oder Quecksilber sein.

Die Fanganode kann außerhalb des Behälters angeordnet sein, und der Elektronenstrahl kann durch ein in der Behälterwand angeordnetes Fenster zwischen der Beschleunigungsanode und der Fanganode entnommen werden. Es ist auch möglich, sowohl die Beschleunigungsanode als auch die Fanganode außerhalb des Vakuumbehälters anzuordnen.

Claims (10)

Patentansprüche:

1. Elektrodenanordnung im Vakuum zum Erzeugen eines Elektronenstrahlbündels hoher Intensität durch Extraktion der. Elektronen aus einem mittels einer elektrischen Entladung erzeugten Plasma, bestehend aus einer Kathode und einer Anode, zwischen denen das Plasma entsteht und wenigsten'; einer weiteren Elektrode, die auf einem relativ zur Kathode positiveren Potential liegt und der Extraktion und Bündelung der Elektronen dient, dadurch gekennzeichnet, daß die zwischen der Anode (5) und der oder den weiteren Elektroden (4, 3) angeordnete Kathode (2) mit Ausnahme eines der Anode (5) zugekehrten F'lachenabschnittes (7) von einem elektrisch isolierenden Material (6) umgeben ist.

1. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die weitere Elektrode (3) eine Fanganode ist und eine ringförmige Beschleunigungu.inode (4) zwischen der Kathode (2) und der Fiinganode angeordnet ist.

i. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die weitere Elektrode (3) sowohl die Fanganode als auch die Beschleuni- as gungsanode bildet.

4. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die weitere Elektrode (3) außerhalb des Vakuums angeordnet ist.

5. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl die weitere Elektrode (3) als auch die Beschleunigungsanode (4) außerhalb des Vakuums angeordnet sind.

6. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Hilfselektrode (5) in der Nähe der Kathode angeordnet ist, um die.Plasmaemission zu starten.

7. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfsanode als Halteanode dient, um ein ausreichend starkes Plasma für den Kathodenfleck aufrechtzuerhalten.

8. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein Schirm (10) aus isolierendem Material zwischen der Kathode (2) und der Hilfsanode (5) eingesetzt ist.

9. Aliordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl die Kathode (2) als auch die Hilfsanode (5) mit Schirmen (13 bzw. 11) aus Metall versehen sind.

10. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathode aus einem festen oder flüssigen Metall besteht.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen