DE2219621C2 - Kathode für eine Elektronenkanone - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Kathode für eine Elektronenkanone von konstanter Perveanz mit einem zylindrischen Rohr, das an seinem Vorderende mit einem ringförmigen Konzentrator versehen ist, der eine kegelstumpfförmige Öffnung aufweist, die sich nach außen erweitert, und bei der eine Emittertablette ohne Reibung in dem Rohr angeordnet und über ihre Vorderfläche gegen einen ebenen Kreisring am Konzentrator aufgedrückt gehalten ist.

Bekanntlich besteht bei einer Elektronenkanone, beispielsweise vom Pierce-Typ. die Kathode im wesentlichen aus einem zylindrischen Rohr, das eine bei der vorgesehenen Betriebstemperatur stark emittierende Tablette oder Kapsel trägt. Der Mittelpunkt des Zylinderrohres und der Mittelpunkt der Tablette bestimmen die Symmetrieachse der Kanone. Das Rohr ist aus einem wenig emittierenden Material gefertigt, das die Temperatur aushält, auf die man die Tablette in geeigneter Weise erhitzt. Im allgemeinen ist das Rohr von der Tablette durch eine Bündelungseinrichtung verlängert, die ebenfalls aus einem wenig emittierenden Material besteht und die dazu dient, das Potential der Tablette auf beiden Seiten und vor dieser in genauer Weise zu definieren. Die auf dem Potential der Kathode gehaltene Konzentriereinrichtung bringt die von der Tablette ausgesandten Elektroden in die?Achse der Kanone. Eine solche Vorrichtung muß mit großer Präzision ^Jgegehüber dem Wehneltzylinder, den Elektroden oder Fokussierelektroden eingestellt werden, wenn man ein Strahlenbündel erhalten will, das eine sehr hohe Energiedichte aufweist

Andererseits ist es bekannt, daß die zur Heizung eingesetzten Mittel direktwirkend sein können, beispiels-» weise im Fall einer Erhitzung der Tablette durch Elektronenbombardement oder indirekt wirkend, wenn die Heizung der Tablette durch die Strahlung eines zwischengeschalteten Bauteiles erfolgt. In allen diesen FaI-len führt die Erhitzung der Tablette jedoch zu einer Drehung des Rohres und der Tablette selbst; die Erhitzung bringt eine Relatiwerlagerung der letzteren, wenn auch von !deiner Amplitude, mit sich, die aber ausreicht, eine unbeabsichtigte Verstellung des Strahlen^Kündeis

jo bei der Einstellung des thermischen Gleichgewichts hervorzurufen. Insbesondere erfolgt häufig eine Relativverschiebung der Tablette gegenüber der Konzentriereinrichtung und gegenüber dem Wehnelt-Zylinder infolge der unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten der Materialien.

Eine derartige Verstellung modifiziert insbesondere die Perveanz der Elektronenkanone d. h„ den Quotienten des von der Kathode austretenden Elektronenstromes und der Potenz ³Λ der zwischen der Kathode und der Anode erzeugten hohen Potentialdifferenz. Es ergibt sich folglich bei einer zwischen den Elektroden angelegten konstanten Spannung eine Schwankung des das Bündel darstellenden Elektronenflusses in sehr merklicher Weise während der ganzen Periode der thermischen Gleichgewichtseinstellung im Inneren der Kanone, d. h. während einer Zeitspanne in der Größenordnung von 20 bis 30 MViuten.

Man hat bereits versucht, diesen Mangel dadurch zu beheben, daß man die Tablette oder Kapsel in der Kälte derart vorjustiert daß sie in der Wärme im thermischen Gleichgewicht die vorgesehene Stellung einnimmt und die Kanone dann die berechnete Perveanz aufweist. Abgesehen davon, daß ein derartiges Herstellungsverfahren für die Elektronenkanone nur durch Herantasten während des Aufbaus jeder Kathode angewandt werden kann, besitzt es außerdem den großen Mangel, daß es die Perveanz der Kanone um ungefähr 20% während der 20 bis 30 Minuten schwanken läßt, die auf die Einschaltung folgen. Es ist nun aber zu berücksichtigen, daß das Elektronenbombardement häufig rür Schweißarbeiten von ziemlich kurzer Dauer angewandt wird, worauf es jedesmal notwendig ist, den Betrieb der Kanone abzuschalten.

Man hat versucht. Kathoden mit Materialpaaren zu bauen, die folgende Eigenschaften besitzen: Identischer Dehnungskoeffizient für die beiden Materialien, starke Elektronenemissionsfähigkeit bei der für das Material der Tablette vorgesehenen Betriebstemperatur, zu vernachlässigende Elektronenemission bei Betriebstemperatur für das Material des Rohres und der Konzentriereinrichtung. Außerdem soll das Material des Rohres bei Betriebstemperatur feuerfest sein, und die Tablette soll bei dieser selben Temperatur nicht spontan zerfallen. Die üblicherweise für die Fertigung der Tablette oder Kapsel verwendeten Materialien sind gemischte oder einfache Verbindungen, wie Wolfram-, Lanthan-, oder Zirconcarbid. Lanthanhexeborid oder ein Mischcarbid aus Wofram, Thorium oder Zircon, während das die Tablette tragende Rohr aus Wolfram. Tantal oder ggf.

Rhenium geformt ist. Keines der die Kathode bildenden Materialpaare dehnt sich jedoch in derselben Weise wie «der Konzentrator oder; die Wehneltelektrode, selbst wenn ihre Dehnungskoeffizienten gleich sind, weil ihre thermischen Massen verschieden sind und Heizmittel angewandt werden, so daß die aus diesen Materialien gefertigten Kanonen trotzdem eine große Perveanzschwankung während der Einstellungsperiode des thermischen Gleichgewichtes aufweisen; dies macht sie für

wiederholten Gebrauch mit häufigen Betriebsunterbrechungen ungeeignet

Aus der US-PS 34 36 583 ist bereits eine Kathode der eingangs genannten Art bekannt Die dort beschriebene Elektronenkanone ist für die Aufzeichnung von Informationen auf einem speziellen Film vorgesehen und soll ein genau ausgerichtetes Strahlenbündel erzeugen. Hierzu ist bei der bekannten Kathode die axiale Flucht eines Vorsprunges am Emitter mit einem Durchgang im Konzentrator sichergestellt, ohne daß die vorstehend erwähnten Schwierigkeiten in Erwägung gezogen oder überwunden werden könnten. Bei hohen Temperaturen würden sich nämlich mit Nachteil Deformationen ergeben mit der Folge einer Veränderung der Perveanz. Diese Veränderung kommt von der Reiatiwerschiebung der Emittertablette bezüglich des Konzentrator und des Wehnelt-Zylinders bezogen auf die Symmetrieachse der Elektronenkanone. Grund für diese Veränderung sind unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten. Die bekannten Elektronenkanonen sind auch nicht für einen Betrieb mit häufigen Unterbrechungen geeignet, denn die Perveanzveränderungen nehmen erst ab, wenn thermisches Gleichgewicht erreicht ist

In der Veröffentlichung »Philips Research Review«, supplement No. 7,1068, Seiten 19—29, wird eine Emittertabiette beschrieben, die mit einer konkaven Kugeloberfläche versehen und in einem zylindrischen Rohr gehalten ist. Dieses zylindrische Rohr weist an seinem Vorderende jedoch keinen Konzentrator auf.

Aufgabe der Erfindung ist die Verbesserung der Kathode der eingangs näher bezeichneten Art dahingehend, daß eine Relativverschiebung der Emittertablette bezüglich des Konzentrator bezogen auf die Symmetrieachse der Elektronenkanone nicht zu einer Veränderung der Perveanz führt so daß eine konstante Perveanz selbst während der zum thermischen Gleichgewicht führenden Übergangsphase gewährleistet ist.

Die Lösung dieser Aufgabe gelingt erfindungsgemäß dadurch, daß in der Vorderfläche der Emittertablette eine konkave Kugelkalotte ausgebildet ist welche die kegelstumpfförmige Oberfläche des Konzentrators verlängert und durch maschinelle Bearbeitung unter Abstützung auf die kegelstumpfförmige Obertiäche erhalten ist. Man erhält diese Kugeloberflächenform durch ein Präzisionsbohren, wobei man sich derart auf der kegelstuimfförmigen Oberfläche abstützt, daß die geometrische Kontinuität der kugeligen und der kegel· stumpfförmigen Oberflächen sichergestellt wird.

Mit Vorteil erreicht man durch diesen neuen Aufbau, daß die Wärmedehnung der Emittertablette und des Konzentrator selbst bei sehr hohen Temperaturen, wie zum Beispiel 1800 bis 2000 Grad Celsius, gleichmäßig erfolgt, so daß sich keine Veränderung der Geometrie der Anordnung zwischen Tablette, Konzentrator und Wehnelt-Zylinder ergibt. Dadurch erhalt man eine konstante Perveanz, sogar während der Obergangsphase, bis das thermische Gleichgewicht erreicht ist.

Bei einer Weiterbildung der Erfindung ist die kegelstumpfförmige Oberfläche des Konzentrators in der Verlängerung der Oberfläche eines Wehneit-Zylinders angeordnet, um die oben erwähnte Kontinuität der geometrischen Flächen zu erhalten. Es ist auch besonders vorteilhaft, wenn erfindungsgemäß die Emittertablette auf dem ebenen Kreisring des Konzentrators mittels eines Stopfens aufgedrückt gehalten ist, welcher mit Nocken versehen ist, über welche er auf der hinteren Fläche der EmittertablqUe abgestützt ist.

Dieser Stopfen, der fm allgemeinen aus demselben Material wie das Rohr besteht, um Dehnungsschwierigkeiten zu vermeiden, hält die Emittertablette an ihrem Platz. De>· Stopfen wird ohne Reibung in seinen Sitz eingesetzt und auf dem Rohr durch Kerbung oder Schweißung befestigt. Abgesehen von seiner Schutzaufgabe, spielt der Stopfen eine wichtige Rolle bei der Verteilung der zur Erhitzung der Tablette dienenden Wärme und vermeidet so jede ungewollte örtliche Überhitzung.

ίο In den Stopfen kann eine Öffnung eingebohrt sein, die die Abführung von Dämpfen der die Emittertsblette bildenden Verbindung nach hinten gestattet Ein bestimmter Anteil dieser Dämpfe kann sich dann auf dem Heizteil, z. B. einer Wolframwicklung, festlegen und trägt so zur Erhöhung seiner Elektronenemission bei. Wie schon weiter oben erwähnt wurde, hat der Stopfen vor allem die Aufgabe, die Tablette gegen die kegelstumpfförmige öffnung zu halten. Er übt Druck auf die Rückseite der Tablette über drei kleine Nocken aus, die symmetrisch am Umfang des Stopfens verteilt sind. Sie wirken über einen ringförmigen >'-.anz von geringer Dicke oder ggf. über eine Scheibe vom selben Durchmesser wie die Tablette. Außerdem kann der Stopfen je nach der Dicke der Tablette zum Teil aus dem Tablettentragrohr etwas vorspringen, oder andererseits auch in dier;s Rohr eingesenkt sein, ohne daß dadurch der Betrieb der Kathode gestört würde. Hieraus folgt, daß die Dicke der Emittertablette nicht mit Präzision festgelegt zu sein braucht, was die industrielle Fertigung dieser Tablette und damit ihre Herstellungskosten vereinfacht

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung an Hand der Zeichnung beschrieben. Diese Zeichnung zeigt einen schematischen Schnitt durch eine Kathode nach dem Aüsführur.gsbeispiel.

Man sieht im Schnitt ein zylindrisches Rohr 1, das in seinem Innenraum 5 eine Emittertablette 17 enthält. Der Konzentrator 2 bestimmt mit der düsenartigen Öffnung 3 und dem Kreisring 4 die Bezugsebene xy, in der sich die Vorwärtsfläche der Emittertablette befindet. Der Sitz weist eine Winkelausnehmung 6 auf, die zur Vermeidung aller Bearbeitungsgrate dient und eine vollkommene Abstützung der Tablette 17 auf dem ebenen Kreisring 4 gestattet. Der Konzentrator 2 besitzt eine kegelstumpfförmige Fläche 7, die derart geschnitten ist, daß sie die Form des Wehnelt-Zylinders 8 verlängert. Ein mit einer mittleren Bohrung 10 versehener Stopfen 9 gestattet die Abführung von aus der Tablette stammenden Dämpfen nach hinten und hält die Tablette in ihrer Lage.

Auf seiner Vorderseite trägt der Stopfen 9 drei ungefähr würfelförmige Nocken, z. B. 14 und 15, an der»en sich die Emittertablett,: 17 abstützt. Es ist zu betonen, Jaß ein solcher Aufbau den Umfang der Vorderfläche der Emittertablette 17 genau an seinem Platz auf dem ebenen Kreisring 4 hält. Im dargestellten Beispiel ist der Stopfen 9 durch Elektronenbombardement auf dem Rohr 1 längs einer Schweißnaht festgeschweißt. Die Kathode ist an dein Kanonenaufbau durch einen Kegel 12 angeschlossen. Die Vorderfläche der Emittertablette 17 hat die Form einer gestrichelt dargestellten Kugelkalotte 13, die durch spanabhebende Formgebung unter Abstützung auf dem konischen Teil 7 des Konzentrators 2 erhalten ist. Dadurch ergibt sich ein vollkommener Anschluß der Oberflächen, die durch die Vorderfläche des Wehnelt-Zylinders 8 gebildet sind, durch den Kegelstumpf 7 verlängert werden und in der konkaven Kugelkalotte 13 enden.

Die emittierende Oberfläche der Tablette 17 kann einen Durchmesser in der Größenordnung von mehreren Zentimetern aufweisen, aber auch viel kleinere Abmessungen haben. Die beschriebene Kathode gestattet, eine sehr große Dichte des Elektronenstromes, verbunden mit einer konstanten Perveanz von ungefähr 1% während der ganzen Erhitzungsphase zu erhalten, wobei die Kathode im einzelnen folgende Merkmale aufweist:

Es wird ein Rohr aus Tantal, Wolfram oder Rhenium von 6 mm Anfangslänge verwendet. Es gestattet, eine Kathode zu erhalten, bei der die nutzbare Oberfläche der aus Lanthanhexaborid geformten Emittertablette einen Durchmesser von 4 mm besitzt. Die Höhe der Emittertablette beträgt ebenfalls 4 mm. Der Stopfen mit einem Durchmesser von 5,1 mm besitzt eine Gesamthöhe von 1 mm. Der unter einem Winkel in der Größenordnung von 50° (halber Winkel an der Spitze) offene Konzentrator hat eine Höhe von ί mm. Eine solche Kathode liefert, wenn sie auf 1800° K gebracht wird, unter einer Spannung von 60 000 Volt einen Strom von 0,3 Amp; die Stromdichte in dem Anodenloch beträgt dann im Mittel ungefähr 13 Amp/cm².

Der Konzentrator 2 kann unmittelbar an dem Tablettentragrohr 1, wie gemäß der vorstehenden Beschreibung, ausgearbeitet oder mit irgendwelchen bekannten Mitteln auf diesem Rohr angebracht werden. Der Stopfen 9 kann aus demselben Material wie das Rohr 1 bestehen, jedoch kann er auch aus einem anderen feuerfesten Material, insbesondere bei einem porösen Material, gefertigt sein.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Kathode für eine Elektronenkanone von konstanter Perveanz mit einem zylindcischen Rohr (1), das an seinem Vorderende mit einem ringförmigen Konzentrator (2) versehen ist, der eine kegelstumpfförmige Öffnung aufweist, die sich nach außen erweitert, und bei der eine Emittertablette (17) ohne Reibung in dem Rohr (1) angeordnet und über ihre Vorderfläche gegen einen ebenen-Kreisring (4) am Konzentrator (2) aufgedrückt gehalten ist, dadurch gekennzeichnet, daß in der Vorderfläche der Emittertablette (17) eine konkave Kugelkalotte (13) ausgebildet ist, welche die kegelstumpfförmige Oberfläche (7) des Konzentrators (2) verlängert und durch maschinelle Bearbeitung unter Abstützung auf die kegelstumpfförmige Oberfläche (7) erhalten ist.

2. Kathode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, da§ die kegelstumpfförmige Oberfläche (7) des Konzentrators (2) in der Verlängerung der Oberfläche eines Wehnelt-Zyünders (8) angeordnet ist

3. Kathode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Emittertablette (17) auf dem ebenen Kreisring (4) des Konzentrators (2) mittels eines Stopfens (9) aufgedrückt gehalten ist, welcher mit Nocken (14,15) versehen ist, über welche er auf der hinteren Fläche der Emittertablette (17) abgestützt ist