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Verfahren und Vorrichtung zum Erzeugen von Elektronen Die vorliegende
Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Erzeugen von Elektronen
und ist insbesondere auf eine Vorrichtung gerichtet, bei der gepulste Hochstrom-Feldemissions-Kaltkathoden
verwendet werden.
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Bei vielen Anwendungen von Vorrichtungen, die gepulste Elektronen
erzeugen, ermöglicht das relativ niedrige benutzte Vakuum und/oder die relativ lange
Zeit zwischen aufeinanderfolgenden Impulsen die Wiedergewinnung von Elektronen-Ionen-Plasmaschichten,
die als Elektronenquelle für die Hochstromemission dienen. Unter der Einwirkung
von starken elektrischen Feldern umgeben diese Plasmaschichten normalerweise die
Oberflächen der Hochstrom-Feldemissions-Kaltkathode, die in derartigen Vorrichtungen
benutzt werden. Wenn jedoch extrem hohe Vakuumbedingungen vorhanden sind und/oder
Impulse mit einer beträchtlichen Wiederholungsrate gebraucht werden, entstehen Probleme,
die daher rühren, daß das Kathodenmaterial einer Zerstörung ausgesetzt ist, wenn
ein Impuls einem Impuls folgt, durch den die anhaftenden Elektronen-Ionen-Plasma-Schichten
entfernt worden sind.
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Neuere Untersuchungen über das Verhalten von kalten (Normaltemperatur-)
Plasma-Kathoden bei derartigen Verwendungen haben in der Tat gezeigt, daß die Korrosionsrate
feinfühlig
gesteuert werden kann durch das Maß des Ersetzens der absorbierten Gasschicht auf
der leitenden Kathodenoberfläche. Unter Hochvakuumbedingungen, wo die einschichtigen
Absorp ffi nsperioden groß sind gegenüber der Zeit zwischen zwei Impulsen, vergrößern
sich derartige Korrosionsraten; wogegen diese Korrosionsraten ;wesentlich verringert
erden, enn der umgebende Gasdruck soi.eit gesteigert wird, daß die einschichtigen
Absorptionsperioden die Grössenordnung der Abstände z.ischen z.ei aufeinanderfolgenden
Impulsen erreichen.
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Erfindungsgemäß sollen diese Probleme durch angemessene kontinuierliche
Versorgung der Oberfläche der kalten Hochstrom-Feldemissions-Kathode mit einer geeigneten
Frischgasschicht gelöst werden wobei diese Versorgung nach dem Entfernen der Plasmaschicht
auf der leitenden Kathodenoberfläche durch die Aufpralleffekte der vorhergehenden
Impulse, einschließlich solcher Effekte .ie Feldabsorption, Ionenzerstäubung, Bildung
von negativen Ionen us. . fortgesetzt wird.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein neues Verfahren
sowie eine Vorrichtung zum Erzeugen von Elektronen anzugeben, die hauptsächlich
geeignet sind für Elektronenstrahlröhren bei höheren Drücken (z.B. 0,01 mm Hg und
mehr ), und in Übereinstimmung damit den bei höheren Drücken im allgemeinen auftretenden
übermäßigen Ionenaufprall und die Elektronenstrahlstreuung zu begrenzen und ein
geeignetes Gas an der genschfen Emissionsoberfläche der Kathode vorzusehen, das
die Zerstörung derselben während des fortlaufenden gepulsten Betriebes verhindert.
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Diese Aufgabe, nämlich die Zerstörung einer kalten Hochstrom-Feldemissions-Kathode
durch Impulse zu verhindern, die die der Kathode anhaftende Elektronen-Ionen-Plasmaschicht
ablösen, .iird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß
d ie Kathode
gepulst wird und- daß während des Pulsens der Oberfläche der Kathodenspitze kontinuierlich
ein Gas mit niedriger Atomzahl und geringem Ionisierungspotential- zugeführt wird,
das auf der Ob'erfäche der Käthodenspitze leicht absorbiert wird.
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Vorteilhaft kann die Gaszufuhr durch Freigabe des Gases aus dem Innern
eines Teiles der Kathode heraus bewirkt werden. Zweckmäßig besteht,das Gas aus Wasserstoff,
Helium, Stickstoff oder Erdalkalimetalldämpfeni.
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Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird in Weiterausbildung
der Erfindung eine Vorrichtung vorgeschlagen, die sich auszeichnet durch eine Anode
und eine kalte Hochstrom-Feldemissions-Eathode, durch eine Einrichtung zum Anlegen
von Spannungsimpulsen zwischen Anode und Kathode, die Impulse von hohem Emissionsstrom
direkt aus der kalten Kathode ziehen kann, und durch eine Gaszuführeinrichtung für
die wirkungsvolle Lieferung einer kontinuierlichen Ersatzplasmaschicht auf der Oberfläche
der Kathodenspitze.
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Zweckmäßig enthält die Gaszuführeinrichtung eine poröse Kathodenspitze
sowie eine Einrichtung zum Leiten des Gases in die Kathode und durch die Poren der
Kathodenspitze zu ihrer Oberfläche. Die besagte Kathode kann dabei eine innere Gaszuleitung
besitzen, die mit der porösen Kathodenspitze in Verbindung steht.
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Es empfiehlt sich auch, daß die Gaszuführeinrichtung aus einer Kathode
besteht, die eine Kathodenspitze aus einem Metallklathrat aufweist, das das Gas
in gebundener aber herauslösbarer Form enthält oder, daß die Gaszuführeinrichtung
eine Einrichtung zum Bewegen aufeinanderfolgender Teile der Kathode in ein Gebiet
aufweist, das Gas-mit
relativ hohem Druck enthält zum Absorbieren
des Gases auf der Kathodenoberfläche und von hier in eine Arbeitsstellung, die der
Anode gegenüberliegt, in einem Gebiet mit relativ niedrigem Druck.
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Zusammengefaßt bezweckt also die Erfindung1 mit dem neuen Verfahren
und der dazugehörigen Vorrichtung die Zerstörung einer Hochstrom-Feldemissions-Kaltkathode
durch Impulse zu verhindern, die die anhaftende Elektronen-Ionen-Plasmaschicht und
das absorbierte Gas, durch das diese gebildet wurde, von der elektrisch hochbeanspruchten
Kathodenoberfläche entfernen.
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Weitere Einzelheiten sind nachstehend anhand von in der Zeichnung
dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen: Fig.l einen Längsschnitt
kombiniert mit einem schematischen Schaltbild einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung, Fig.2 einen Längsschnitt einer Variante, Fig.3 einen Längsschnitt
einer anderen Variante.
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In-Fig.t ist eine Elektronenkanone von bevorzugter Form dargestellt,
die einen undurchlässigen Kathodenschaft 1 z.B. aus rostfreiem Stahl oder ähnlichem
enthält, der von einer leitenden Kathodenkappe lt herabhängt, und mit einer durchlässigen
Endoberfläche oder Kathodenspitze 1I1 versehen ist, die in einem Abstand gegenüber
einer Anode 3 angeordnet ist, die jede der bekannten Formen haben kann. Weiter ist
ein dünnes anodenseitiges Elektronenstrahlfenster dargestellt, durch das die Elektronen
als Folge des Anlegens von aufeinanderfolgenden Spannungsimpulsen zwischen der Kathode
1 und der Anode 3 gelangen, Das Elektronenstrahlfenster kann auch als elektronenundurchlässige
Scheibe ausgebildet sein, wie sie bei der Erzeugung von Röntgenstrahlen benutzt
wird, oder jede andere bekannte Form haben.
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Der Impulskreis ist schematisch dargestellt in Form einer Kondensatorbatterie
C, die über eine Impedanz R von einer geeigneten Ladungsversorgungsquelle S aufgeladen
werden kann, die eine Klemme -VO mit negativem Potential besitzt.
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Dieses negative Potential wird durch Schließen des Schalters an an
die Kathodenkappe lt angelegt, wobei die gegenüberliegende oder links gelegene Klemme
der Kondensatoren C mit Erdpotential oder einer anderen Bezugsspannungsquelle G
und mit der Anode 3 verbunden ist. Im Zwischenraum oder Beschleunigungsspalt 2 zwischen
den gegenüberliegenden aktiven Oberflächen der Kathode i-i"' und der Anode 3 wird
ein Vakuum aufrechterhalten durch irgendein bekanntes dielektrischmetallisch abgestuftes
und evakuiertes Gefäß 4, das schematisch dargestellt ist und den Raum einschließt,
der die Kathodenstruktur 1-itt, den Spalt 2 und die obere Oberfläche der Anode 9
enthält.
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Außerhalb des Gefäßes 4 ist ein isolierendes Hochdruckmedium 6 vorhanden,
wie z.B. eine Mischung von CO2-N2 oder Ö1. An der hochbeanspruchten Kathodenspitze
lii der Kathode 1 innerhalb des evakuierten Gefäßes 4 känn die Verzsrendung von
Impulsen zum schon beschriebenen Ablösen der schützenden Ionen-Plasmaschicht fUhren;
für diese hochbeanspruchte Kth odenspitze sieht die vorliegende Erfindung das Wiederauffüllen
von frischen schützenden oder absorbierten Gas schichten vor.
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Gemäß dem in Fig.1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist diese Kathodenspitze
lot' der Kathode 1 in Form eines porösen Körpers oder Sinterkörpers ausgeführt,
der gasdurchlässig ist und durch dessen Poren das wiederauffüllende Gas von der
dielektrischen röhrenförmigen Zuleitung 5 durch die Kathodenkappe i' und eine zentrale
axiale Öffnung in dem Schaft der Kathode i gespeist wird. Das Gas durchdringt die
Kathodenspitze 1Bt, wie es durch die
Pfeile angedeutet ist, und
sorgt für eine kontinuierliche Wiederauffüllung der absorbierten Gas schicht und
der benachbarten Plasmaersatzscichten an der Kathodenspitze 1'', die der Anode 3
gegenüberliegt und ermöglicht so das kontinuierliche Pulsen, ohne dabei die Kathodenoberfläche
an der Kathodenspitze 1'' einer Zerstörung oder Beschädigung auszusetzen. Beispielsweise
kann als geeigneter poröser Sinterkörper für die Kathodenspitze 1'' ein Wolframkörper
benutzt werden. Wenn es z.B. gewünscht ist, eine Fläche der Kathodenspitze i" t
in der Größenordnung von einem Zehntel eines Quadratzentimeters ständig bedeckt
zu halten und durch ein Gas mit niedriger Atomzahl und niedrigem Ionisierungspotential
zu schützen, das schnell auf der Oberfläche der Kathodenspitze 1'' absorbiert wird
(wie z.B.
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15 der eine Einschichtendichte von 1,5x1015cm-2 Wasserstoff, der eine
Einschichtendichte von 1,5x1015cm-² besitzt) so ist selbst bei einer relativ hohen
Impulswieder holungsrate von etwa hundert Impulsen pro Sekunde eine Gaszuflußrate
von nur etwa 5xlO 3 Kubikzentimeter pro 3 Sekunde (oder annähernd 1 atin cm pro
Minute) notwendig.
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Dies stellt eine vernachlässigbare Belastung für die Pumpe dar. Das
Gas kann von der Umgebung her durch die Zuleitung5 zugeführt werden, und durch Hilfsmittel
zum Steuern der Kathodendurchlässigkeit kann bei bekanntem Verbrauch an der Kathodenoberfläche
für den beabsichtigten Arbeitszyklus der Impulse die Gaszufuhr gesteuert werden.
Wenn der Wolframkörper z.B. eine Durchlässigkeit von etwa 5 x 10-6 Litern pro Sekunde
hat, wird ein ausreichender Kathodenschutz für Stromimpulse von etwa 1000 Mikrocoulomb
bei mehreren hundert Kilovolt und der oben erwähnten Wiederholungsrate erhalten.
Ein zylindrisches Rohr von gleicher Durchlässigkeit(z.B. ein mit der Atmosphäre
verbundenes Kapillarrohr von 20/um Durchmesser und 5 cm Länge ) versehen mit einer
hochporösen Spitze könnte ebenfalls benutzt werden.
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Während die Erfindung unter Verwendung von Wasserstoff beschrieben
wurde, können natürlich auch andere Gase verwendet werden, die eine niedrige Atomzahl
und ein niedriges Ionisierungspotential haben und an der Kathodenoberfläche leicht
absorbiert werden, so z.B. Helium, Stickstoff oder die Dämpfe der Erdalkalimetalle.
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In dem Ausführungsbeispiel der Fig. 2 ist ein undurchlässiger Kathodenschaft
1 vorgesehen, der mit einer veränderten Kathodenspitze Ittt versehen ist, die aus
einem Metallklathrat besteht (wie z.B. Zirkoniumhydrid oder Palladiumhydrid ) und
Wasserstoff oder ein ähnliches Gas in gebundener Form enthält, das freigegeben werden
kann, so daß als Folge der Impulse ein ständiges Wiederauffüllen der Gasschicht
an der äußeren Oberfläche der Kathodenspitze lt lt erreicht wird, um den schon erwähnten
Schutz zu erhalten.
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Die sehr hohe Löslichkeit von Wasserstoff in diesen Metallklathraten
(zeR 200 cm³ pro Gramm bei normalem Druck und normaler Temperatur ) erlaubt ibre
Verwendung zur fortlaufenden Gasversorgung in abge$shlos3enen Systemen.
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Eine andere Lösung könnte die normale Gasdifemsion in Metallen nutzbar
machen, wie sie durch die Gleichung gegeben ist: dc q = - DA dd dx wobei q die Gasmenge
ist, die durch die Fläche A pro Zeiteinheit gelangt, c die Gaskonzentration an irgendeiner
Stelle innerhalb des Metalles und D die Diffusionskonstante des Metalles.
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Bei Gebrauch eines Metalles als Diffusionsmembran an der Kathodenspitze
steigt die Diffusionsrate exponentiell mit der Metalltemperatur bei einem konstanten
Speicherdruck von einer Atmosphäre. Diese Eigenschaft kann zur Selbstregulierung
des
Wiederauffüllens der Oberfläche benutzt werden. So liefert z.B. eine i mm dicke
Palladiumspitze mit 2 einer Fläche von 0,1 cm bei einem Speicherdruck von einer
Atmosphäre 7,7 Mikroliter pro Minute bei einer Temperatur von 55000 (d.h. 0,01 atm.cm3/min
) und bis zu 77 Mikroliter pro Minute bei einer Temperatur von 8000C (d.h.
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0,1 atm.cm3/min ).
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Eine andere Lösung des Wiederauffüllens derartiger Kathodenoberflächen
wird durch das in Fig. 3 gezeigte Ausführungsbeispiel erhalten, bei dem die Kathode
in Form einer geschlossenen Schleife, eines Drahtes, Zylinders oder dgl. 10 ausgeführt
ist, der beweglich oder drehbar in einer gleitend abschließenden Wand 7 angeordnet
ist, z.B. zwischen dem Gebiet 8 mit relativ hohem Gasdruck (z.B. 1 bis 10um Hg )
und dem Vakuumgebiet mit relativ niedrigem Druck (z.B.
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weniger als Ogi/um Hg ). Das Abdichten zwischen dem Hoch-und Niederdruckgebiet
kann leicht durch Führen des Drahtes 10 durch eine enge Öffnung 7t in einer Scheibe
aus kompressiblem Material (Neopren oder dgl.) erfolgen. Derartige Abdichtungen
werden im allgemeinen bei Hochvakuumsystemen benutzt und werden oft als Wilson-Abdichtungen
bezeichnet.
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Das Gas wird auf der Kathode 10 absorbiert, wenn diese durch das Gebiet
8 mit relativ hohem Druck oberhalb der Wand 7 bewegt wird, so daß die Kathodenoberfläche
voll mit einer absorbierten Gasschieht bedeckt ist für die Zeit, während der sie
hinunter in die Hochvakuum-Beschleunigungsspaltregion 2 gedreht oder bewegt wurde,
die der Anode 3 gegenüberiegt.
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Es soll nun die Zeit betrachtet werden, die für eine einschichtige
Absorption an der Oberfläche einer derartigen rotierenden Kathode erforderlich ist,
die sich von einem hohen Vakuum (<iO 4 Torr) in ein Gebiet mit relativ hohem
Druck von 10 3 Torr ( tm Hg) bewegt. Die Auftreffrate, nilt der die Moleküle auf
eine Fläche von einem Quadratzentimeter aufschlagen, kann durch den Ausdruck
bestimmt
werden:
wobei M das Molekulargewicht des Gases ist, T die Temperatur des Gases und P der
Gasdruck in mm Hg.
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Diese Gleichung unterstellt einen Haft- oder Kondensationskoeffizienten
von einer Einheit. Beispielsweise sei angenommen, daß Stickstoff verwendet wird,
bei dem bei normalem Druck und normaler Temperatur eine Monoschicht 8 x 1014 2 Moleküle/cm2
aufweist. Für eine angenommene Temperatur von 300°K kann dann die der obigen Auf
treff rate entsprechende Zeit zu etwa 2 Millisekunden errechnet werden. Diese Zeit
variiert gering entsprechend der Kathodentemperatur, d.h. mit T1/2 Die Porenbedeckung
an der Kathodenoberfläche nimmt mit einer etwas geringeren Geschwindigkeit zu, entsprechend
der Clausing2schen Gleichung: t = 3 1² / 8 a²S#, wobei t die zum Bedecken der Porenoberfläche
notwendige Zeit in Sekunden ist, 1 die Länge der Poren in Zentimeter, a der Radius
der Poren in Zentimeter, S die Querschnittsfläche des MolekUls in cm² und # die
Auftreffrate der Moleküle bei Druck P in Moletdle/ cm /sec, wies sie zuvor definiert
worden ist.
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Flir den betrachteten Fall ergibt sich damit P = 10-3mm Hg, # = 4.10¹³cm-2
sec -1, T = 300°K, 1~ 10-2cm, a ~10-2cm und S = 14 x 10-16 cm für N2: t .= 5 Sekunden.
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Es ist daher offensichtlich, daß ein Hochdruckgebiet 8 mit eine. Druck
in der Größenordnung von 1 bis 10 /um Hg voll ausreichend ist ZU Wiederauffüllen
von KathodenQb,erflächen,
die sich mit Drehgeschwindigkeiten von
einer Umdrehung pro Sekunde bewegen. Höhere Speicherdrücke und Drehgeschwindigkeiten
können verwendet werden, um den Erfordernissen höherer Arbeitsgeschwindigkeiten
zu genügen.
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Patentansprüche: