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Divergente Flutkanone Die vorliegende Erfindung betrifft eine divergente
Flutkanone, insbesondere fUr Kathodenstrahlröhren.
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In Kath od enstrahlröhren können zum Abfragen und Speichern eines
Informationsinhaltes eine oder mehrere Elektronenflutkanonen zum Ausrichten eines
Flutstrahles von Elektronen auf das bistabile Speichertarget einer solchen Röhre
verwendet werden. Bekanntlich bewirkt der Flutstrahl, daß Bereiche auf dem Target
auf einem von zwei bistabilen Potentialen gehalten werden. Von den verschiedenen
Arten von Flutkanonen, die hierzu verwendet werden, ist die Trioden- oder drei-Element
Form der Kanone die bekannteste.
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Leider ist das Muster der von diesen Kanonen herrührenden Emission
nicht gleichmäßig dicht, sondern neigt dazu, eine Gaußverteilung anzunehmen, wobei
eine größere Dichte im Zentrum des Flutstrahles auftritt und mit zunehmendem Abstand
vom Zentrum abnimmt. Um eine leidlich gleichmäßige Verteilung der Flutelektronen
auf dem Target zu erhalten, wird ein Strahl auf das Target gerichtet, der intensiver
als notwendig ist, so daß nur ein zentraler und leidlich gleichmäßiger Teil davon
das Target erreicht. Das Ergebnis ist eine geringe Ausbeute beim Betrieb. Darüber
hinaus kann die Dichte des Elektronenflutstrahls noch etwas ungleichmäßig sein,
wie sie ein ungeeigneter Betrieb der Speicherrdhre zur Folge hat, d.h. die Kriterien
der Informationsspeicherung können sich über die Targetoberfläche hinweg kindern.
Ein derartiger Effekt kann entweder sofort auftreten und fUhrt zu einem Ausscheiden
der Röhre aus der Produktion oder kann nach längerem Gebrauch auftreten.
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Ein anderes Beispiel eines Flutkanonentyps ist die konvergente Pierce
liodenkonstruktion. Diese Kanone gewährleistet eine gleichmäßigere Stromdichteverteilung,
aber leider wird ein hoher Prozentsatz des Kathodenstroms von der Anode abgefangen.
D.h. nur ein relativ geringer Anteil des emittierten Strahles erreicht das Target.
Versuche, den Prozentsatz des in einer konvergenten Pierce-Dioden-Flutkanone abgefangenen
Kathodenstromes zu reduzieren,
ohne glichzeitig den Betrieb der
Kathodenstrahlröhre zu beeinträchtigen, haben keinen nennenswerten Erfolg gehabt.
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Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine
verbesserte divergente Flutkanone zum Erwegen eines im wesentlichen gleichmäßigen
Elektronenflutstrahles anzugeben, der eine hohe Ausbeute liefert, wobei der Itauptanteil
des erzeugten Flutstrahles auf ein Target oder ähnliches auftrifft, ohne durch die
Flutkanonenstruktur abgefangen zu werden. Außerdem soll eine gleichmäßige Kathodenladungsverteilung
gewährleistet sein, um einen gleichmäßigen Strahlenstrom pro Raumwinkel des von
der Kanone emittierten Flutstrahles zu gewährleisten.
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Zudem soll die Flutkanone ein Beschleunigungspotential haben, das
nur geringfUgig auf den Flutwinkel des Flutstrahles einwirkt und die Strahlstromdichte
durch Anderung des Beschleunigungspotentials verringert oder verstärkt werden kann.
Weiterhin soll die Flutkanone sowohl eine im wesentlichen gleichmäßige Stromdichteverteilung
in nahezu jedem Abstand von der Kanone als auch nur einen geringen Prozentsatz des
von der Anodenstruktur abgefangenen Kathodenstromes aufweisen. Darüberhinaus soll
die Flutkanone die Bildung eines Weitwinkelstrahles mit anwachsender Stromdichte
gestatten.
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Bei einer divergenten Flutkanone, insbesondere fUr
Kathodenstrahlröhren,
wird die vorstehende Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch eine Kathode mit einer
Elektronen emittierenden Oberfläche, die zum Erzeugen eines divergenten Flutstrahles
mindestens teilweise konvex in der Elektronenemissionsrichtung ausgebildet ist,
durch eine in Abstand zu der Kathode angeordnete Anode, die eine zu der Elektronen
emittierenden Oberfläche ausgerichtete Öffnung aufweist, die im Durchmesser größer
ist als die emittierende Oberfläche und die an den Rand des divergenten Elektronenflutstrahles
angrenzend angeordnet ist, den die Kanone aussendet, wenn eine Spannungsdifferenz
zwischen der Anode und der Kathode herrscht, wobei die Anode gegenüber der Kathode
auf einem positiven Potential liegt, und durch eine Feldformungselektrode, die im
wesentlichen zwischen der Kathode und der Anode und nach außen hin unmittelbar an
den Außenrand des divergenten Flutstrahles angrenzend angeordnet ist, so daß eine
Spannungsverteilung zwischen der Kathode und der Anode entlang dem Rand des Flutstrahles
entsteht, die im wesentlichen für die unter Raumladungsflußbedingungen herrschende
Spannungsverteilung charakteristisch ist und eine erhöhte Gleichmäßigkeit der Kathodenladungsverteilung
und eine erhöhte Dichte des Elektronenflutstrahles gewährleistet.
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Duroh diese Ausbildung der Feldformungselektrode wird eine Spennungsverteilung
längs des Strahlenrandes erzielt,
wie sie zwischen kontinuierlichen
und konzentrischen Innen- und Außenkugeln, die im wesentlichen anstelle der Kathode
bzw. der Anode treten, auftreten wUrden, wobei die innere Kugel gleichmäßig emissiv
ist. Die resultierenden Äquipotentiale, die von den Flutstrahlelektronen zwischen
Anode und Kathode durchsetzt werden,bilden beispielsweise im wesentlichen sphärische
Feldfläohen, die eine gleichm§ßige Kathodenladungsverteilung erzeugen, wodurch ein
im wesentlichen gleichmäßig dichter Flutstrahl erzeugt und durch die Anodenöffnung
transmittiert wird.
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Es ist zweckmäßig, daß die Anode eine zumindest teilweise konkave
innere Oberfläche, am Rand der Öffnung der Anode nach außen stehend, die Kathode
verkleidend aufweist.
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Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den nachfolgenden
Erläuterungen sowie aus der Beßchreibung eines bevorzugten AusfUhrungsbeispieles
anhand der Figuren 1 bis 9.
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In den Figuren sind gleiche Teile mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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Figur 1 zeigt von der Seite gesehen einen querschnitt einer Plutkanone
gemäß der Erfindung; Figur 2 zeigt in Seitenansicht eine Kathodenstrahl-
Speicherröhre
mit einer Vielzahl von erfindungsgemäßen Flutkanonen; Figur 3 zeigt einen Querschnitt
der in Figur 1 dargestellten Speicherröhre entlang der Linie 3-3 in Figur 2; Figur
4 stellt im Quers¢hnittBdiagramm die Feldverteilung dar, die zwischen einem äußeren
auf einem ersten Potential gehaltenen Bereich und einem inneren auf einem zweiten
elektrischen Potential gehaltenen Elektronenßtrahlemissiosbereich erzeugt wird;
Figur 5 zeigt eine schematische Darstellung der Peldverteilung der erfindungsgemäßen
Flutkanone; Figur 6 zeigt eine geometrische Konstruktion zur Illustration der Konstruktionsgrößen
der erfindungsgemäßen Flutkanonen; Figur 7 illustriert eine Konstruktion einer Flutkanone
gemäß der Erfindung; Figur 8 ist eine perspektivische Ansicht eines elektrolytischen
Troges, der zum Binetellen der Borm und Stellung der Elektroden der erfindungsgemäßen
Flutkanone geeignet ist; Figur 9 zeigt eine schematische Darstellung der Spannungsverteilung
einer erfindungsgemäßen Flutkanone.
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In Figur 1 ist ein AusfUhrungsbeisplel einer erfindungsgemäßen Flutkanone
10 dargestellt, die eine isolierende Basis 11 aufweist, an der eine Metallanode
12 befestigt ist, die zweckmäßig aus Stahl besteht und einen zylindrischen rüokwärtigen
Teil 14, der mit der Basis 11 verbunden ist
und einen daran nach
vorn anschließenden Endteil 16 aufweist, der mit der Klammer 18 durch Schweißen
verbunden ist. Der zentrale Teil 22 des Endes der Anode reicht durch eine Öffnung
20 in der Klammer 18 hindurch und steht konvex durch diese in Form eines Kegelstumpfes
hervor, der durch die Vorderöffnung 24 abgeschlossen ist. Innerhalb des zylindrischen
Teils 14 haltert ein an der Inneroberfläche der Anode befestigtes Verankerungsteil
26 einen keramischen Abstandsring 28, der eine zentrale Bohrung 30 aufweist, die
zur Halterung der röhrenförmigen metallischen Kathode 32 koaxial zur Anode 12 dient.
Die Kathode 32 ist hohl und enthält innen eine (nicht dargestellte) Heizvorrichtung
zum Erhitzen der Elektronen emittierenden Oberfläche 34 der Kathode, wobei die Endoberfläche
in Abstand von dem Endteil der Anode koaxial zur Öffnung 24 angeordnet ist. Aus
der im Inneren der Kathode befindlichen H eizung fUhren g eizstromzuführungen 36
aus dem rUckWärtigen Ende der Kathode heraus und durch die Öffnung 38 in der Basis
11 hindurch, so daß sie mit einer geeigneten Heizstromquelle verbunden werden können.
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Die Elektronen emittierende Endoberfläche 34 ist zur Emission eines
divergenten Elektronenstrahls konvex auf die Öffnung 24 zu geformt und besteht vorzugsweise
aus einem Kugelsegment, dessen Zentrum axial zur Mittellinie der Kathode 32 verläuft.
Diese Oberfläche ist mit einem Belag versehen, beispielsweise einem Belag von Oxyden
der
zweiten Gruppe des Periodischen Systems, so daß beim Erhitzen
Elektronen emittiert werden. Ein solcher Belag emittiert einen konischen Elektronenflutstrahl
40, dessen äußere Dimensionen durch gestrichelte Linien angedeutet sind und ungefähr
den sich ausdehnenden Radien des oben erwähnten Kugelsegmentes entsprechen. In Figur
1 ist der ausgesandte Elekttronenflutstrahl durch die Größe des emissiven Endoberflächenbelages
und den Durchmesser der Öffnung 24 begrenzt. Die Öffnung 24 ist im Durchmesser vorzugsweise
merklich größer als der emissive Belag auf der Oberfläche 34 und ihr Durchmesser
ist vorzugsweise definiert durch den äußeren Rand des von dem emissiven Belag der
Kathode radial emittierten Elektronenstrahlstromes, wodurch ein übermäßiger Anodenauffang
vermieden wird.
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Zwischen der emissiven Kathodenoberfläche und dem zentralen Anodenendteil
22 ist eine Feld-formende Einrichtung vorgesehen, d.h. eine Feld-formende Elektrode
42, die einen ringförmigen Vorderteil 44 besitzt, der zwischen der emissiven Kathodenoberfläche
34 und dem zentralen Endteil 22 der Anode angeordnet ist. Der Innenrand des Vorderteils
44 grenzt an die Außenseite des Blutstrahls 40 an. Dieses Vorderteil 44 der Feld-formenden
Elektrode kann merklich dichter an der Kathode als an dem Ende der Anode liegen
(wie dargestellt); es ist aber su der Anode hin gewUlbt.
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Der zentrale Teil 22 der Anode 12, der die Gestalt eines Kegelstumpfes
besitzt, ist innen im wesentlichen komplementär zur emissiven Oberfläche 34 der
Kathode 32. Es sei bemerkt, daß die innere Oberfläche des zentralen Endteils 22
- wie ersichtlich - konkav zur emissiven Oberfläche 34 ist und daß die innere Oberfläche
des zentralen Endteils 22 der Anode nahezu gleich oder tangential zu einer Kugel
verläuft, die den selben Mittelpunkt wie die kugelförmige emissive Oberfläche 34
der Kathode 32 aufweist, wobei eine solche Kugel natürlich einen größeren Radius
besitzt als die emissive Oberfläche 34. Im vorliegenden Beispiel iet der Teil 44
der Feld-formenden Elektrode 42 im wesentlichen auch komplementär zur emissiven
Oberfläche 34, auch bezUglich des zentralen Endteils 22 der Anode, und kann als
konvex bezeichnet werden. Der Teil 44 kann nahezu gleich oder tangential zu einer
anderen Kugel sein, die denselben Mittelpunkt besitzt wie die emissive Oberfläche
34.
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Nach rückwärts besitzt der Teil 44 der Feld-formenden Elektrode 42
einen unteren Rand 46, der auch im wesentlichen konvex in der Richtung der Elektronenstrahlemission
ist. In dieser Anordnung weist der Teil 44 gegenüber der Mittelachse der Kanone
einen etwas größeren Winkel auf als der zentrale Endteil 22 der Anode, während der
untere Rand 46 einen etwas kleineren Winkel mit der Achse der Kanone bildet. Die
gezeigte Elektrode kann durch eine Feld-formende Elektrode ersetzt werden, die einen
einheitlichen
Vorderteil und unteren Rand besitzt, wobei diese
bezüglich der Mittellinie der Kanone den gleichen Winkel aufweisen und im wesentlichen
parallel zum Anodenteil 22 verlaufen. Die dargestellte Konstruktion ist jedoch leichter
herzustellen.
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Die Feld-formende Elektrode 42 enthält einen zylindrischen Flansch
48, dessen äußere Hinterkante in einer ringförmigen Aussparung 50 im keramischen
Abstandsteil 28 aufgenommen wird. Die Feld-formende Elektrode ist zwischen dem keramischen
Abstandsteil 28 und einem zweiten keramischen Teil 52 gehaltert, das auf dem vorderen
Endteil 16 der Anode 12 angeordnet ist. Radiale Spalten in den keramischen Teilen
ermöglichen das Abgasen der Flutkanone und die Durchfffhrung von Elektrodenzuleitungen.
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Eine Leitung 55 verbindet die Kathode 32 geeignet mit einer negativen
Elektrode einer Energiequelle, während die positive Elektrode derselben Energiequelle
mit der Klammer 18 und damit mit der Anode 12 verbunden ist.
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Die Feld-formende Elektrode 42 wird auf ein relativ zur Kathode 32
bestimmtes Potential gelegt. In der vorliegenden Anordnung ist die Feld-formende
Elektrode mit derselben negativen Elektrode der Energiequelle über eine Leitung
56 verbunden, mit der die Kathode 32 verbunden ist, wodurch die Feldformungselektrode
auf dem gleichen Potential gehalten wird wie die Kathode.
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Wie in den Figuren 2 und 3 gezeigt, sind eine Vielzahl Flutkanonen
in geeigneter Weise auf einem gemeinsamen Träger 18 um die innere Peripherie der
Kathodenstrahl-Speicherröhre 54 herum angebracht. Die Kathodenstrahlröhre 54 ist
außerdem mit einem Speichertarget 57 und Ablenkplatten 58 zum Ablenken eines durch
eine (nicht dargestellte) Elektronenkanone erzeugten und zum "Schreiben" von Informationen
auf ein bistabiles Speichertarget 57 verwendeten Elektronenstrahls 60 versehen.
Die Flutkanonen 10 erzeugen Flutstrahlen 40, die auf das Speichertarget gerichtet
sind und die dazu dienen, auf dem Speichertarget Bereiche auf einem von zwei stabilen
Potentialen horvorzurufen. "Nicht geschriebene" Bereiche des Speichertargets werden
auf das negative Potential der Flutstrahlen gebracht, während "geschriebene" Bereiche
des Targets auf ein positives Potential gebracht werden, durch die vom Speichertarget
herrührende Sekundäremission. Eine Kathodenstrahl-Speicherröhre dieses Typs ist
im US-Patent 3, 293,473 von R.H. Anderson vom 20. Dezember 1966 beschrieben, das
betitelt ist: "Thin, Porous Storage Phosphor Layer".
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Selbstverständlich ist dietvorliegende Erfindung nicht auf die Anwendung
bei Speicherröhren beschränkt. Beispielsweise kann die Flutkanone gemäß der Erfindung
zur Fadenkreuzbeleuchtung, Vorbelichtung von Filmen, usw. verwendet werden.
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Eine Flutkanone gemäß der erfindung erzeugt einen Flutstrahl 40, der
durch die gleichmäßige Ladungsverteilung auf
der Elektronen emissiven
Oberfläche der Kathode eine gleichmäßige Dichte aufweist. Das heißt, daß die quipotentiallinien,
die zur Darstellung des Feldes zwischen der Kathode und der Anode herangezogen werden
können, parallel zur Elektronen e * issiven Oberfläche 34 der Kathode verlaufen.
Diese Xquipotentiallinien sind in Figur 5 mit dem BezugBzeichen 62 versehen und
stellen einen Querschnitt von im wesentlichen sphärischen Flächen dar, die komplementär
zu der sphärischen Elektronen emissiven Oberfläche 34 der Kathode 32 sind und denselben
Mittel@punkt besitzen.
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Die Bahnkurven der emittierten Elektronen verlaufen im wesentlichen
senkrecht zu diesen Flächen und da die Flächen im wesentlichen parallel verlaufen,
ist der Flutstrahl im wesentlichen nicht verzerrt. Die Bahnkurven stimmen damit
mit den Kugelradien der Äquipotentialflächen Aberein und daraus resultiert ein im
wesentlichen divergenter Flutstrahl von im wesentlichen gleichmäßiger Dichte. Weiterhin
ist die gleichmäßige Ladungs- und Dichteverteilung des emittierten Elektronenstrahls
ohne übermäßiges Auffangen des Elektronenstrahls durch die Anode 12 gesichert. D.h.,
da der ganze Strahl im wesentlichen eine gleichmäßige Stromverteilung pro Reumwinkel
aufweist, ist es nicht notwendig,unglcichmäßige Außenbereiche des Strahls mit Hilfe
der Anodenstruktur zu beseitigen. Der Strahl scheint einer virtuellen Quelle hinter
der Kathodenoberfläche 34 zu entspringen und divergiert, so daß er in geeigneter
Weise einen
gewUnschten Speichertargetbereich überdeckt ohne merklichen
Anodenauffang. Die Ausbeute dieser Flutkanone, die durch den die Kanone verlassenden
Anteil des Elektronenstrahls gemessen wurde, ist in der Größenordnung von 90 % oder
mehr, und liegt im allgemeinen in der Umgebung von 95 .
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Zusätzlich zu diesen Vorteilen wurde bei der vorliegenden Kanone ein
gröBerer liegt der Stromdichte als in anderen, zur Emission eines Weitwinkelelektronenflutstrahls
verwendeten Kanonen gefunden. Weiterhin kann die Stromdichte lediglich durch minderung
des Beschleunigungspotentials zwischen Kathode 32 und Anode 12 variiert werden,
insofern als die Größe des beschleunigenden Potentials nur einen geringen Einfluß
auf den Gesamtflutwinkel hat.
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Die Fortpflanzung eines im wesentlichen eine gleichmäßige Dichte aufweisenden
jeitwinkelflutstrahles resultiert - wie gezeigt - zum großen Teil aus der Steuerung
des elektrostatischen Feldes, so daß ein solches Feld parallel zur emissiven Oberfläche
34 der Kathode verläuft. Die Beschaffenheit dieses Feldes wiederum resultiert aus
der Korrektur von Diskontinuitäten im Feld, die normalerweise am Rand des Elektronenstrahles
auftreten würden, d.h. entlang der Linie 64 in Figur 5. Eine gleichmäßige Ladungsverteilung
auf der Kathode erlaubt die Emission eines größeren Elektronengesamtstromes, abgesehen
von der Temperatur begrenztes Emission.
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Eine Betrachtung der Geometrie der Anordnung sei mit Hilfe der Figur
4 vorgenommen, in der eine erste Kugel 66 eine Oberfläche aufweist, die einen Elektronen
emissiven Teil oder Kathodenteil, in Figur 4 mit 34' bezeichnet, enthält. Diese
Kugel soll denselben Radius haben wie die emissive Oberfläche 34 der in Figur 1
dargestellten Kathode.
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Eine zweite oder äußere Kugel 68 ist die Kugel eu der der Anodenteil
22 tangential ist,wobei die Lage der Anodenöffnung in Figur 4 bei 70 durch gestrichelte
Linien angedeutet ist. Es ist vorausgesetzt, daß die Oberfläche 34' der Kugel 66
der einzige Ort auf der Kugel 66 ist, von dem Elektronen emittiert werden, und daß
diese Elektronen auf die Kugel 68 zu bewegt werden, wobei letztere gegenüber der
Kugel 66 auf einem positivc 1 Potential gehalten wird.
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Die Kugel-in-Kugel Kon@truktion führt zu einem gewünschten divergenten
Elek@ronenflutstrahl oder einem Elektronenkegel, der durch die gemeinsamen Radien
der zwei Kugeln begrenzt wird. Die elektrische Anordnung ist die einer Diode oder
einer zwei-poligen Vorrichtung und die Kanone kann spezifischer als eine divergente
Pierce-Diodenkanone beschriben werden. Im Bereich des Elektronenstrahls, d.h. zwischen
den gestrichelten Linien 72, ist eine erste elektrostatische Feldverteilung vorhanden;
diese ist durch die Feldlinien-74 angedeutet. Es wurden jedoch gefunden, daß außerhalb
des Elektronenstrahls eine zweite Feldverteilung, angedeutet durch die Feldlinien
76, vorhadnen . Somit ist die Spannungsverteilung unter Raumladungsflußbedingungen
innerhalb
des Elektronenstrahls merklich verschieden von der Spannungsverteilung
zwischen den zwei Kugeln, wo im wesentlichen kein Elektronenstrahl vorhanden ist.
Bei Abwesenheit eines Elektronenstrahls ändert sich die Spannungsverteilung zwischen
den zwei Kugeln reziprok zum Radius. Andererseits ist die Spannungsverteilung unter
Raumaldungsflußbedingungen innerhalb des Strahles modifiziert entsprechend der 4/3.Potenz
von Alpha, wobei Alpha geometrisch auf die zwei-Kugel-Struktur bezogen ist. Alpha
ist grob proportional dem natürlichen Logarithmus von r/ro, wobei rc der Radius
der Kugel 66 und r variabel ist.
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Wie man sieht, findet am Rand des Elektronenstrahls, d.h, beispielsweise
entlang der gestrichelten Linien 72 eine merkliche Änderung des elektrischen Feldes
oder Diskontinuität statt, und da die Elektronenoahn senkrecht zu solch einem Feld
verläuft, wird der die Kugel 68 erreichende Elektronenstrahl ungleichmäßig und gestreut.
Gemäß der Erfindung ist die Spannungsverteilung um den Flutstrahl der Elektronen
im wesentlichen ähnlich der gemacht, wie sie solch ein Feld unter gleici1mäßige
Raumladungsflußbedingungen aufweisen würde, um dadurch die Diskontinuität entlang
dem Rand des Elextronenstrahls zu verringern. Jas Ergebnis ist ein Feld wie es in
Figur 5 dargestellt ist. Die Peldlinien 62 verlaufen im wesentlichen parallel zur
emittierenden Oberfläcke 34; resultierend aus deren gleichmäßiger Ladungsverteilung
ensteht ein eine gleichmäßige Dichte auSfeisender,
vorbestimmbarer
Strahl. Um die gewWnscEte Feldverteilung zu erzeugen, ist die Feldformungselektrode
42 angrenzend an die äußere Peripherie des Flutstrahles zwischen der Kathode und
der Anode angeordnet. Ihre Lage ist realtiv zu den anderen Elektroden festgelegt,
und die anderen Elektroden sind so geformt und angeordnet, daß ein kontinuierliches,
im wesentlichen sphärisches elektrostatiæches Peld über den Rand des Strahles, wo
gewünscht, erzeugt wird.
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Wie aus Figur 5 ersichtlich, ist die Feldformungselektrode 42 und
insbesonders deren Teil 44 aufgebogen von der Kathode zur Anode hin und ist so ausgerichtet,
daß die Feldlinien 62' im Bereich außerhalb des Flutstrahles gerade gemacht werden.
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Die Bestimmung der genauen Position der Feldformungselektrode 42 in
einer besonderen Konstruktion wird nachstehend beschrieben.
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Für eine weitere theoretische Betrachtung von Konstruktionskriterien
kann als Ausgangspunkt die zwei-Kugel-Konstruktion, wie sie in Figur 4 dargestellt
ist, verwendet werden. Angenommen wird, daß wir - wie in Figur 4 - zwei konzentrische
Kugeln 68 und 66 haben, eine mit dem Radius rc und die andere mit dem Radius ra,
wobei ra> rc ist. lIJeiterhin ist vorausgesetzt, daß die innere Kugel jetzt im
wesentlichen vollkommen mit einem Elektronen emittierenden Material belegt ist,
so daß eine gleichmäßige Blektronenemission und ein gleichmäßiges Feld erzeugt wird.
Vjenn ein positives Potential an die Kugel mit dem Radius ra angelegt wird und die
Kugel vom Radius rc auf borde liegt, dann wird
ein Strom zwischen
den beiden Kugeln fließen und die Stromstärke von der Spannungsdifferenz abhängig
sein. Weil die Struktur eine Diode darstellt, sollte der Strom für die raumladungsbegrenzte
Emission proportional der 3/2gBotenz der Spannung sein. Die Potentialverteilung
als Funktion des Radius unter Raumladungsflußbedingungen wurde von Langmuir und
Comton berechnet. Die gleichung fUr die Spannungsverteilung lautet: V(kV) = 1.051
I(Amp)2/3& 4/3 (1) wobei oC= ln (r/rC) - 0,3 [ln(r/ro)] 2 + 0,075 [ln(r/ro)]3
-0,00143[ln(r/ro)]4 + . . . (2) Die Emissionscharakteristiken von zwei konzentrischen
Kugeln sind leicht bestimmt, wenn man die Effekte der Anfangageschwindigkeiten vernachlässigt.
Das elektrische Feld ist nur eine Funktion von r, weil die Spannung nur eine Funktion
von r ist. Konsequenterweise werden die Elektronen entlang radialer Linien wandern
und die Kathodenladung und Stromdichte werden gleichmäßig sein.
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Mit der in diesem Punkt gewonnenen Erkenntnis sei eine Struktur mit
ähnlichen Emissionscharakteristiken fUr die zwei konzentrischen Kugeln entworfen,
die aber den gewünschten Plutwinkel in einfacher Weise herstellen läßt. Angenommen'
daß zwei Oberflächen, eine 77 vom Radius r und eine 78 vom Radius rc durch
a und @ um einen Winkel e erzeugt werden, wie das in Figur 6 gezeigt ist,
zum erzielen eines konischen Strahles, der den gewünschten
Flutbereieh
überdeckt. Für die erzeugten zwei sphärischen Segmente sei jetzt eine Elektrode
eingesetzt und eine Elektrode hinzugefügt, eine Elektrode 80 nahe der Oberfläche
mit dem Radius ra und eine Elektrode 82 in den Bereich zwischen den zwei Oberflächen,
jedoch nicht in den von den zwei Oberflächen gebildeten Konus, wie das aus Figur
7 ersichtlich ist. Die Elektrode 80 nahe der Oberfläche mit dem Radius ra ist eine
Fortsetzung, der Kugel mit dem Radius ra und liegt auf demselben Potential wie die
Oberfläche und beginnt am Rande der Ober fläche 77 mit dem Radius ra. Die Elektrode
82 im Be-f-elch zwischen den zwei sphärischen Oberflächen kann elektrisoh mit der
Fläche von Radius re verbunden we@@en, um die Zahl der benötigten Stromzufüh@ungen
zu reduzieren. Nun sei vorausgesetzt, das eine Potentialdifferenz zwisohen den Elektroden
78 und 80 in Figur 7 herrscht, so daß die Elektronen von der Fläche mit dem Radius
rc zur Fläche mit dem Radius r fließen. Durch Variation der Form der Elektroden
80 und 82, kann die Potentialverteilung entlang dem Rand des durch die zwei Kugelsegmente
gebildeten Konus verändert werden. Folglich kann man die gleiche Potentialverteilung
erhalten wie im gleichmäßigen Feld des zwei-konzentrischen-Kugelsystems. Wenn dieselbe
Potentialverteilung wie bei den zwei konzenV rischen Kugeln, wo die innere Kugel
gleichmäßig emittiert, entlang dem Rand des durch die zwei sphärischen Segmente
gebildeten Konus aufgeprägt wird, dann wird jedes Elektron
innerhalb
des Konus die gleichen Kräfte erfahren wie eines im zwei-konzentrischen-Kugelsystem.
Folglich weist die vorgesehene Struktur die gleichen Emissionscharakteristiken auf
wie das zwei-konzentrische Kugelsystem.
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Der Strom von der resultierenden divergenten Diode nach Figur 7 kann
erhalten werden durch Berechnung des Oberflächenbereiches des Kugelsegments mit
dem Radius ra und Multiplitkation mit der Stromdichte der konzentrischen Kugeln
bei einem Radius ra.
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Die Gleichung für den Kathodenstrom lautet: 0,928 V (kv) 3/2 .sin2
#/2 I(Amp) = &2 Die Entf@rnung der Fläche 77 (in Figur 6) vom Radius ra ist
notwendig, damit die divergente Diode eine Flutkanone mit geringem Anodenabfang
werden kann. Das Entfernen der Fläche wird die Spannungsverteilung verändern und
damit die Strom- und Elektronenbahnen. Der Effekt auf den Strom kann kompensiert
werden durch Vorsehen von mehr Strom als gewünscht ist. Ein Faktor 1,3 reicht zur
Stromkompensation aus. Das Eindringen der Potentiale in die Anodenregion läßt die
Elektronen etwas divergieren, wenn sie durch den Öffnungsbereich wandern. Das Verhältnis
des endgültigen Divergenzwinkels zu dem Strukturwinkel ist ungefahr 1,5. Auch von
Interesse sind die Effekte der llaumladungsabsto3ung nach dem Verlassen der Anode,
weil eine lotentlalverteilung, die eine Raumladungsausbreitung
kompensiert,
an diesen Bereich nicht angelegt ist, Die folgenden Schritte sind beim Entwerfen
einer bestimmten divergenten Flutkanone, durchzuführen. In diesem Terfahren haben
die Ausdrücke folgende Definition: Kathode - Oberfläche mit dem Radius rc, sie wird
erzeugt durch Rotation von zum 2Kund e um einen Winkel e.
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Anode - Die Elektrode, die die Oberfläche mit einem Radius ra umgibt
durch Rotation von um 2s und eum einen Winkel 6.
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Feldformungselektrode - Die Elektrode, die zwischen der Anode und
der Kathode auf einem festen Potential liegt; in dem vorliegenden Beispiel liegt
diese Elektrode auf Kathodenpotential.
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Kathodenemissionsradius (ro) - Radius der Basis des Kugelsegmentes
der Kathode, von dem die Elektronen ausgesandt werden. Die Hälfte der Länge der
durch die Kathode und den Winkel 2 e gebildeten Sehne.
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Anodenöffnungsradius (ra) - Die Hälfte der Länge der dur ch den Radius
ra und den Winkel 2 e gebildeten Sehne.
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Der Radius der Minimalöffnung der Anode.
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Kanonenwinkel (e) - Winkel, der durch eine radiale Linie entlang der
äußersten Elektronen gebildet wird während sie im Kathoden-Anoden Bereich und der
Z-Achse sind.
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Flutwinkel ( e' ) - Winkel zur Angabe einer adequaten Bedeckung auf
dem Target. Der Winkel, dessen Tangente die
Hälfte der Rasterdiagonale
ist, dividiert durch den Kanonen-Schirm Abstand.
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Durchgriff (Pervv#noe) (G) - ein Parameter, der von der Strukturkonstruktion
abhängig ist und gleich dem Strom in Ampere dividiert durch die Spannung zwischen
Anode und Kathode in Kilovolt hoch 3/2@ @(Amp) G = V(kv) 3/2 Ausführungsverfahren:
1. Bestimmung des gewünschten Flutstromes und der Kanone spannung 2. Berechnung
des gewünschten Durchgriffs I(Amp) (gewünscht) G(gewünscht) = (V(kv))3/2 5. Berechnung
des Konstruktionsdurchgriffes.
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G(Konstruktion) = 1.30 (G gewünscht) 4. Berechnung des Flutwinkeis
e' = = tang-1 Plutdurchmesser auf dem Xarget 2 (Kanonen-Schirm Abstand) 5, Berechnung
des Kanonenwinkels e e ~ ei ,5 6. Berechnung von ,2 0 928 @@@2 @@@ G (gewünscht)
7. Bestimmung von r/rc aus dem Ausdruck (2).
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Auch Tabellen können für eine Umformung zwischen r/rc und & 2
verwendet werden.
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8. Auswahl des Kathodenemissionsradius rc auf der Grundlage der verfügbaren
Heizleistung und ähnlicher Betrachtungen. Berechnung des Kathodenradius der Krümmung
(rc) r0 = rc / sin e 9'. Berechnung von ra und r durch a ra ra ra = rc und ra =
rc rc rc 10. Bestimmung des tatsächlichen Einflusses auf die Raumladungsabstoßung
oder -ausbreitung auf den Flutstrahl, nachdem die Elektronen die Flutkanone verlassen
haben, entweder durch mathematische Bestimmung oder durch Versuche. Wenn der Strahlradiu@
der Raumladungsabstoßung kleiner als der gewiins@hte Flutdurchmesser ist, dann kann
zur rä@@@ten Stufe übergegangen werden.
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Wenn der Minimalstrahlradius für die Raumladungsabstoßung außerhalb
des Konstruktionswertes auf dem Target liegt, dann breitet sich der Strahl außerhalb
des gewünschten Targetbereiohes aus und es sollte ein neuer Konstruktionswert gewählt
werden. Dieser Schritt, wenn auch nicht notwendig, ist dennoch für eine optimale
Ausbeute erwünscht.
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11. Bestimmung der Einstellung der Anoden- und Feldformungselektrodenformen
und Lage, die die beste und genaueste Verteilung der Spannung längs dem Innenrand
der Elektroden gewährleistet.
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Zur Einstellung der Formen und Lagen der Anode und der Feldformungselektroden
zum gewährleisten der besten Spannungsverteilung im Flutstrahl, ist die Verwendung
eines elektrolytischen Troges vorteilhaft. Ein elektrolytischer Trog besteht aus
einem Trog, der einen Elektrolyt und Elektroden sowie ein elektronisches System
enthält, das zur Messung der Potentialverteilung zwischen den Elektroden verwendet
wird. In Figur 8 ist ein derartiger Trog, bezeichnet mit 83, dargestellt. Er besteht
aus isolierenden Glaswänden und ist auf eine Basis 84 über zwei auf der rechten
Seite 86 angebrachte Abstandsstücke 88 schräg angebracht. Als Elektrolyt 90 kann
leitungswasser verwendet werden, obwohl entionisiertes Wasser mit einem geringen
Salzzusatz bevorzugt verwendet wird Im elektrolytischen Trog wirken die Flächen
des Troges und die Oberfläche des Elektrolytes als Begrenzungen, die Spiegelbilder
von dem Erzeugen, was sich unter der Oberfläche des Elektrolyts zwischen den Begrenzungen
befindet. Die Symmetrielinie kann durch Neigen des Trogs wie des dargestellt ist
und durch Verwendung der durch den Schnitt der Oberfläche des Elektrolyts und dem
Boden des Trogs geformten Linie gebildet werden. Da der Boden des Trogs und die
Oberfläche des Elektrolyts Begrenzungen sind, erscheint die Struktur beim Versuch
rotåtionssymmetrisch.
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Die elektroden werden im elektrolytischen Trog simuliert und haben
den entsprechenden ähnlichen Elektroden in Figur 1
entsprechende
Bezugszeichen. Die divergente Flutkanone ist eine rotationssymmetrische Struktur
mit ihrer Achse auf der Symmetrielinie. Das Einsetzen eines isolierenden Streifens
92 entlang einer Linie, die dem Rand des divergenten Strahles entspricht, gestattet
dieselbe Potentialverteilung längs des Randes des divergenten Strahles zu bilden,
wie sie langes einer radialen Linie in dem zwei konzentrische Kugeln enthaltenden
System unter raumladungsbegrenzter gleichmäßiger Emission vorhanden ist. (Das ist
notwendig, damit, wenn der Strom in der divergenten Struktur fließt, keine.Diskontinuitäten
huber den Rand des Strahles hinaus auftreten). Die geringe Größe der divergenten
Flutkanone macht eine Skaleneinteilung zur Analyse notwendig. Die Begrenzung des
Skalenfaktors bilde) der Radius der Teile aus denen die Elektroden gebildet sind
und die Trogdimensionen.
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Die gewünschte Spannungsverteilung entlang dem Rand des isolierenden
Streifens kann aus der Formel (1) berechnet werden für die Spannung in Ausdrücken
von & nämlich V(kY) n 1.051 I2/3 d 4/3 Wenn ein Verhältnis der Spannung an einen
besonderen Punkt der Kanonenspannung verwendet wird> dann kann die gewünschte
Spannungsverteilung in Form von Prozenten berechnet werden, nämlich:
| I(anolae ' I -- 4/'3 |
| /V Kanone \ oC Kanone |
| Kan one |
Da 2 eine Funktion von r/rc ist, kann eine Tabelle von V/VKanone
gegen K1 (r-rC) berechnet werden, wobei K1 der Skalenfaktor ist. Ähnlich kann eine
Tabelle von V/VKanone gegen den Abstand von der Kathode berechnet werden. Eine solche
Tabelle ist im Folgenden für einen bestimmten Konstruktionsentwurf angeführt. Diese
Werttabelle wurde durch Versuche ermittelt, es sei bemerkt, daß sich eine andere
Reihe von Werten ergibt, wenn andere Ausgangsdimensionen usw. ausgewählt werden.
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Tabelle 1 Abstand von der Prozent der Kathode (cm) Kanonenspannung
0 0 0,559 4,7 1,067 11,3 1,626 18,3 2,188 25,8 2,692 32,6 3,251 40,7 4,318 54,8
5,436 68,7 6,502 81,8 7,659 94,1 8,128 100,0 Figur 9 zeigt schematisch eine Flutkanone
mit einer
Spannungsverteilung nach Tabelle 1, die entlang der Lage
des Flutstrahles, d.h. entlang der gestrichelten Linie 64 angezeigt ist.
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Nach der Berechnung einer solchen in Tabelle 1 angezeigten Wertreihe
kann die Lage und Form der simulierten Feldformungselektrode 42' im elektrolytischen
Trog und die Lage und Form des linken Endes 94 des zentralen Endteiles 22' der simulierten
Anodene-lektrode eingestellt werden, so daß die Spannungsverteilung im elektrolytischen
Trog entlang dem Isolator 92 den in der Tabelle berechneten Werten entspricht. Beim
Ermitteln der Spannungsverteilung entlang dem Isolationsstreifen 92 wird eine Sonde
(nicht dargestellt) verwendet, die in bekannter Weise entlang dem Isolationsstreifen
92 eingesetzt wird. Wie bekannt, werden lieber Wechselspannungen als Gleichspannungen
an die verschiedenen Elektroden angelegt, um eine Polarisation des Elektrolyts zu
verhindern.
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Die Feldformungselektrode 42 ist bisher als getrennt von der Kathode
32 beschrieben und dargestellt worden, wobei deren innerer Teil um die Peripherie
der Kathode 32 auf den zentralen Teil 22 der Anode hin aufgebogen ist. Jedoch ist
die Feldformungselektrode 42 in geeigneter Weise elektrisch mit der Kathode 32 verbunden.
Die physikalische Trennung dazwischen wurde vorgenommen, um die zur Heizung der
Kathode benötigte Heizleistung zu erhalten. Jedoch
kann die Feldformungselektrode
42, wenn das erwünscht ist, beispielsweise physikalisch mit der Kathode längs deren
Peripherie verbunden werden, wobei die Feldformungeelektrode einen aufwärtsgebogenen
Elektrodenteil oder eine physikalisch mitger Kathode verbundene Vorrichtung bilden
würde.
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Es ist außerdem außer Zweifel, daß eine Flutkanone, die eine Kathodenkonstruktion
aufweist, die mindestens teilweise konvex ist mit einer komplementären Anode und
einer dazwischen liegenden Feldformungselektrode, große Vorteile aufweist. Beispielsweise
kann ein bemerkenswerter Teil der Kathodenemissionsoberfläche konvex sein und mit
dem Rest eine andere Form gebildet werden. Eine Flutkanone gemäß der Erfindung kann
auch so konstruiert werden, daß sie eine Kathode besitzt, die mindestens im Querschnitt
konvex ist und weiterhin eine entsprechende komplementäre Anode und eine dazwischenliegende
Feldformungselektrode umfaßt.
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- Patentansprüche -