DE1541036B1

DE1541036B1 - System zur Erzeugung eines Elektronenhohlstrahls fuer Laufzeitroehren,insbesondere Wanderfeldroehren hoher Leistung

Info

Publication number: DE1541036B1
Application number: DE19661541036
Authority: DE
Inventors: Klaus Dr Poeschl; Werner Dr Veith
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1966-04-26
Filing date: 1966-04-26
Publication date: 1970-08-06
Also published as: NL6701451A; US3506866A; GB1178618A

Description

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Die vorliegende Erfindung betrifft ein System zur sich längs der Systemachse über die Kathode hinaus Erzeugung eines Elektronenhohlstrahls für Laufzeit- gegebenenfalls bis zu einem magnetischen Feldstärkeröhren, insbesondere Wanderfeldröhren hoher Lei- maximum, das dem homogenen Magnetfeld vorausstung, mit einer Kathode in Form eines Rotations- geht, erstreckt. Die Fokussierungselektrode soll dabei körpers mit in Strahlrichtung sich verjüngender Man- 5 vorzugsweise mit einem elektrischen Potential beauftelfläche als Emissionsfläche und einer die Kathode schlagt sein, welches zwischen Kathodenpotential und koaxial umgebenden rotationssymmetrischen Be- dem Gleichpotential einer den Elektronenstrahl umschleunigungselektrode, wobei die Kathode derart in gebenden Triftelektrode liegt, einem Magnetfeld mit einer in Strahlrichtung ver- In Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß laufenden axialen Induktion angeordnet ist, daß das io die Beschleunigungselektrode eine solche Form hat, Magnetfeld, in dem die Kathode sich befindet, in- daß die elektrische Feldstärke auf der gesamten wirkhomogen mit einer in Strahlrichtung ansteigenden samen Kathodenoberfläche konstant ist. Feldintensität ist und in diesem Magnetfeld die Um beim Übergang des inhomogenen Magnet-Emissionsfläche der Kathode sich im wesentlichen feldes, in dem die Kathode angeordnet ist, in ein mit den am Ort der Kathode vorhandenen magneti- 15 homogenes magnetisches Führungsfeld eine Drehschen Kraftlinien deckt. bewegung der Elektronen am Strahlinnenrand aus-

Ein derartiges System ist bereits in einer älteren zuschließen, wird gemäß weiterer Erfindung vorge-Erfindung (deutsche Offenlegungsschrift 1491425) schlagen, in Elektronenstrahlrichtung hinter der vorgeschlagen worden, um einen sogenannten Kathode zusätzliche elektronenoptische Mittel vorzu-Brillouin-Strahl zu erzeugen. Unter einem Brillouin- 20 sehen, die den Innenrand des Elektronenhohlstrahls Strahl sei hier ein Elektronenstrahl verstanden, bei an den Verlauf der magnetischen Kraftlinien andern die Elektronen über den Strahlquerschnitt eine gleichen, welche die Kathodenoberfläche tangieren, einheitliche Geschwindigkeit in Strahlrichtung haben, Diese elektronenoptischen Mittel bestehen besonders wobei für einen Hohlstrahl folgende Bedingungen einfach darin, daß die Feldstärke des inhomogenen erfüllt sein sollen: Die Stromdichte nimmt mit dem 25 Magnetfeldes zwischen der Kathode und dem homoRadius des Strahlquerschnitts nur unwesentlich ab, genen Magnetfeld ein Maximum geeigneter Größe die Drehbewegung am Strahlinnenrand ist gleich Null, durchläuft. Das inhomogene Magnetfeld wird dabei und die Drehbewegung am Strahlaußenrand ist so vorzugsweise durch einen die Systemachse symmegröß, daß die Drehenergie der dort befindlichen Elek- trisch umgebenden Polschuh (magnetischer Pol) ertronen gleich dem Überschuß an potentieller Energie 30 zeugt, der im Zusammenhang mit einem Magnetgegenüber dem Strahlinneren ist. Diese Bedingungen system zur Erzeugung eines magnetischen Führungssind nicht erfüllbar, wenn senkrecht zu der die be- feldes für den Elektronenhohlstrahl steht, treffende Elektronenströmung emittierende Kathoden- Der Raum, in dem die Kathode sich in der Rohre Oberfläche eine magnetische Feldkomponente vor- befindet, soll völlig frei von Teilen aus weichhanden ist, es sei denn, die Kathode wäre punkt- 35 magnetischem Material sein.

förmig bzw. eine Kreislinie. Man hat deshalb bisher In Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen,

allgemein bei Elektronenkanonen mit endlicher daß die Ausdehnung des Polschuhes in Richtung der

Kathodenfläche zur Erzeugung eines Brillouin-Strahls Systemachse um so größer ist, je größer die Dicke des

die Kathode außerhalb eines Magnetfeldes angeord- Elektronenhohlstrahls ist.

net und versucht, ein Magnetfeld zur gebündelten 4° Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform der Führung des Elektronenstrahls möglichst abrupt in Röhre ergibt sich in weiterer Ausgestaltung der Er-Strahlrichtung hinter der Kathodenoberfläche ein- findung dadurch, daß der Abstand zwischen der Besetzen zu lassen. schleunigungselektrode und der Kathodenoberfläche

Die obengenannte ältere Erfindung, die von der eine wachsende Funktion der Strahlstromstärke ist. Erkenntnis ausgeht, daß auf der emittierenden 45 An Hand der in den Figuren der Zeichnung sche-Kathodenoberfläche keine senkrecht zu dieser gerich- matisch dargestellten Ausführungsbeispiele soll die tete magnetischen Feldkomponenten vorhanden sein Erfindung nachstehend näher erläutert werden. Einsollen, ist jedoch, wie sich aus eingehenden Unter- ander entsprechende Teile sind dabei mit gleichen suchungen ergeben hat, in der vorgeschlagenen Form Bezugszeichen versehen.

nicht funktionsfähig (man vgl. hierzu »Nachrichten- 50 Die Fig. 1 zeigt schematisch einen Querschnitt

technische Fachberichte«, Bd. 35, 1968, S. 184 bis durch ein erfindungsgemäßes Elektrönenstrahlerzeu-

190). gungssystem. Darunter ist der zugehörige Verlauf der

Unter Zugrundelegung der Erkenntnis, daß der axialen magnetischen Induktion B_z in F i g. 2 darge-Elektronenstrahl vonHöchstfrequenzröhren erne über stellt. Mit 1 ist ein rotationssymmetrischer Polschuh den Strahlquerschnitt konstante Längsgeschwindig- 55 bezeichnet, der die Systemach.se koaxial umschließt keit der Einzelelektronen haben soll, um bei der und die Verlängerung des Pols eines Permanent-Modulation des Elektronenstrahls sämtliche Elek- magneten, beispielsweise des Nordpols, darstellen tronen in gleichem Maße beeinflussen zu können, hat soll. Dieser Polschuh 1 ruft ein sogenanntes magnesich die vorliegende Erfindung die Aufgabe gestellt, tisches Sattelpunktfeld hervor, wie es mit den das bereits vorgeschlagene System so auszugestalten, 60 Linien 2 angedeutet ist. In diesem Magnetfeld ist daß es funktionsfähig ist und mit einfachen Mitteln eine rotationssymmetrische Kathode 3 angeordnet, die Erzeugung eines raumscharmen hochperveanten welche als Rotationskörper mit in z-Richtung sich Elektronenhohlstrahls mit einheitlicher Längsge- verjüngender Mantelfläche als Emissionsfläche ausschwindigkeit gestattet. Zur Lösung dieser Aufgabe gebildet ist. Diese Emissionsfläche deckt sich erfinwird bei einem System der eingangs erwähnten Art 65 dungsgemäß mit einer der magnetischen Kraftgemäß der Erfindung vorgeschlagen, daß von der linien 2. Daraus folgt, daß unmittelbar an der konischen Kathode eine im wesentlichen zylindrische Kathode keine magnetische Feldstärkekomponente Fokussierungselektrode koaxial umschlossen ist, die "senkrecht zur Kathodenoberfläche vorhanden ist;

insoweit ist also die Bedingung für eine Elektronenströmung mit einheitlicher Axialgeschwindigkeit erfüllt. Die Kathode 3 ist von einer ebenfalls rotationssymmetrisch ausgebildeten Anode 4 umgeben. Die Form dieser Anode 4 ist so gewählt, daß die elektrische Feldstärke unter Berücksichtigung der auftretenden Raumladung auf der gesamten wirksamen Kathodenoberfläche konstant ist. Dadurch wird eine gleichmäßige Emission der Kathode gewährleistet. Die entsprechend dieser Emission aus der Kathode 3 austretenden Elektronen sind sofort nach Verlassen der Kathodenoberfläche einem verhältnismäßig starken Magnetfeld ausgesetzt und werden dabei um die magnetischen Kraftlinien 2 herumgewickelt, so daß sich ein Elektronenhohlstrahl mit einer durch die gestrichelten Linien 5 und 6 angedeuteten Strahlberandung ergibt.

Dieser gewünschte, durch die gestrichelten Linien 5 und 6 angedeutete Strahlverlauf ergibt sich jedoch nur bei Vorsehen einer erfindungsgemäßen Fokussierungselektrode 9, die, koaxial zur Kathode angeordnet, über diese hinausragt, vorzugsweise bis zu einem Maximum des dem homogenen Führungsfeld vorausgehenden inhomogenen Magnetfeldes (F i g. 2). Die Notwendigkeit der erfindungsgemäßen Fokussierungselektrode läßt sich unter anderem auch mit HiKe von theoretischen Rechnungen beweisen, die mit Hilfe eines Elektronenrechners durchgeführt werden und die ergeben, daß ohne diese Fokussierungselektrode die aus der Kathode austretenden Elektronen entweder auf die Anode 4 oder quer zur gewünschten Elektronenstrahlrichtung verlaufend auf die Wandung der Röhre auftreffen. Mit 12 ist eine üblicherweise bei Elektronenstrahlerzeugungssystemen vorgesehene Wehneltelektrode bezeichnet.

Durch bloße Veränderung der Spannung an der Fokussierungselektrode läßt sich der Einschuß des Elektronenhohlstrahls in den mit der Elektrode 10 beginnenden Laufraum jederzeit korrigieren.

Aus der F i g. 1 erkennt man, daß auch der innere Strahlrand 5 des Hohlstrahls magnetische Kraftlinien schneidet. Somit müssen an sich nach dem Buschschen Theorem auch die am Innenrand des Strahles befindlichen Elektronen eine Rotationsbewegung ausführen. Um dennoch einen Hohlstrahl mit am Innenrand streng geradeaus laufenden Elektronen nach Art eines Brillouin-Strahls zu erzielen, ist das Magnetfeld so ausgebildet, daß die von der Kathodenoberfläche ablaufende Kraftlinie 2' in bezug auf die Systemachse ζ eine Senke beschreibt, bis der von der Kathode 3 entfernte ansteigende Ast dieser Senke mit dem Hohlstrahl den Winkel Null einschließt. Ein derartiges Magnetfeld weist den aus F i g. 2 ersichtlichen Verlauf der axialen magnetischen Induktion B₂ als Funktion von der Wegstrecke ζ auf, wobei die Induktion B₂ zwischen dem am Ort der Kathode vorhandenen inhomogenen Feld und einem zur gebündelten Führung des verdichteten Elektronenhohlstrahls dienenden homogenen Magnetfeld B₂ ₀ ein Maximum B_{2 max} durchläuft. Ein Magnetfeld mit einem solchen Verlauf der Induktion B₂ ist in der Praxis der Erzeugung magnetischer Fokussierungsfelder für Elektronenstrahlen bekannt und leicht herstellbar. Um dabei Störungen des Magnetfeldes innerhalb einer Röhre mit einem erfindungsgemäßen System zu vermeiden, empfiehlt es sich, den die Elektronenkanone enthaltenden Raum frei von Teilen aus weichmagnetischem Material zu halten.

Es sei bemerkt daß ein mit einem erfindungsgemäßen System erzeugter Elektronenhohlstrahl sich vom klassischen Brillouin-Hohlstrahl dadurch unterscheidet, daß die Stromdichte quer zur Strahlachse nicht konstant ist und die bekannte Abschirmkonstante K nicht Null ist, sondern am Strahlinnenrand den Wert 1 und auch am Strahlaußenrand noch, einen endlichen Wert hat. Gemeinsam mit dem Brillouin-Hohlstrahl ist aber die einheitliche Längsgeschwindigkeit, wobei die am Innenrand des Hohlstrahls befindlichen Elektronen keine Rotation beschreiben, während die Elektronen am Strahlaußenrand sich entsprechend ihrer im Vergleich zum Strahlinnenrand höheren potentiellen Energie drehen..

Eine erfindungsgemäße Elektronenkanone kann nach Wunsch für Hohlstrahlen beliebiger Durchmesser und Stromstärken ausgelegt werden. Beispielsweise wird bei Verwendung eines Elektronenhohlstrahls in Laufzeitröhren nicht in jedem Fall ein Hohlstrahl mit geringer Wandstärke (Differenz zwischen Innen- und Außendurchmesser) angestrebt. Dabei ermöglicht eine bestimmte Wahl der Breite des Polschuhes 1 (Fig. 1) und des Abstandes der Anode 4 von der Kathode 3 Hohlstrahlen der gewünschten Form und Stromstärke zu erzeugen.

Wenn der Polschuh 1 in F i g. 1 in Richtung der Systemachse ζ eine große Ausdehnung hat, erhält man einen Elektronenhohlstrahl großer Wandstärke. Die Anode 4 ist dann verhältnismäßig nahe an der Kathode 3 anzuordnen, wenn man eine hohe Stromstärke erzielen möchte. Die F i g. 3 zeigt schematisch eine solchermaßen bemessene Ausführungsform der Erfindung, wobei ein Magnetfeld B₂ nach F i g. 4 vorhanden sein soll. In F i g. 3 ist außerdem mit 11 die Wandstärke des verdichteten Elektronenstrahls schematisch angegeben. Die F i g. 5 und 6 zeigen in gleicher Darstellungsweise eine Elektronenkanone, die einen Hohlstrahl mit verhältnismäßig geringer Strahlstromstärke und geringer Wandstärke liefert. Die Anode 4 hat in diesem Fall einen großen Abstand von der Kathode 3. In den Fig. 7 und 8 bzw. 9 und 10 sind schließlich die Bemessungen dargestellt, die einen Elektronenhohlstrahl geringer Stromstärke und großer Wandstärke (F i g. 7 und 8) oder großer Stromstärke und geringer Dicke (Fig. 9 und 10) ergeben. Die richtige Geometrie dieser Anordnungen kann in der Praxis leicht mit Hilfe der bekannten Untersuchungsmethoden im elektrolytischen Trog gefunden werden.

Claims

Patentansprüche:

1. System zur Erzeugung eines Elektronen-Hohlstrahls für Laufzeitröhren, insbesondere Wanderfeldröhren hoher Leistung, mit einer Kathode in Form eines Rotationskörpers mit in Strahlrichtung sich verjüngender Mantelfläche als Emissionsfläche und einer die Kathode koaxial umgebenden rotationssymmetrischen Beschleunigungselektrode, wobei die Kathode derart in einem Magnetfeld mit einer in Strahlrichtung verlaufenden axialen Induktion angeordnet ist, daß das Magnetfeld, in dem die Kathode sich befindet, inhomogen mit einer in Strahlrichtung ansteigenden Feldintensität ist und in diesem Magnetfeld die Emissionsfläche der Kathode sich im wesentlichen mit den am Ort der Kathode vorhandenen magnetischen Kraftlinien deckt,, dadurch gekennzeichnet, daß von der

konischen Kathode eine im wesentlichen zylindrische Fokussierungselektrode koaxial umschlossen ist, die sich längs der Systemachse über die Kathode hinaus gegebenenfalls bis zu einem magnetischen Feldstärkemaximum, das dem homogenen Magnetfeld vorausgeht, erstreckt.

2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fokussierungselektrode mit einem elektrischen Potential beaufschlagt ist, welches zwischen Kathodenpotential und dem Gleichpotential einer den Elektronenstrahl umgebenden Triftelektrode liegt.

3. System nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschleunigungselektrode eine solche Form hat, daß die elektrische Feldstärke auf der gesamten wirksamen Kathodenoberfläche konstant ist.

4. System nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Feldstärke des inhomogenen Magnetfeldes, in dem die Kathode angeordnet ist, zwischen der Kathode und einem homogenen Magnetfeld, das zur Führung des Elektronenhohlstrahls in seinem weiteren Verlauf vorgesehen ist, ein Maximum und gegebenenfalls danach ein Minimum durchläuft, wobei dieser Feldverlauf so bemessen ist, daß der Innenrand des Elektronenhohlstrahls mit einer magnetischen Kraftlinie in Übereinstimmung kommt.

5. System nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das inhomogene Magnetfeld durch einen die Systemachse symmetrisch umgebenden Polschuh (magnetischer Pol) erzeugt ist, der in Zusammenhang mit einem Magnetsystem zur Erzeugung eines magnetischen Führungsfeldes für den Elektronenhohlstrahl steht.

6. System nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Raum, in dem die Kathode sich in der Röhre befindet, frei von Teilen aus weichmagnetischem Material ist.

7. System nach Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausdehnung des Polschuhes in Richtung der Systemachse um so größer ist, je größer die Dicke des Elektronenhohlstrahls ist.

8. System nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen der Beschleunigungselektrode und der Kathoden- t oberfläche eine wachsende Funktion der Strahl- " Stromstärke ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen