DE3877004T2

DE3877004T2 - Kollektor fuer geladene partikel.

Info

Publication number: DE3877004T2
Application number: DE8888300302T
Authority: DE
Inventors: Johann Richard Hechtel; Ronald William Herriot
Original assignee: Litton Systems Inc
Current assignee: Northrop Grumman Guidance and Electronics Co Inc
Priority date: 1987-01-22
Filing date: 1988-01-14
Publication date: 1993-06-17
Anticipated expiration: 2008-01-15
Also published as: EP0276090A1; US4794303A; DE3877004D1; EP0276090B1

Description

Die Erfindung betrifft einen Kollektor für geladene Teilchen, speziell einen mehrstufigen Elektronenkollektor.

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

In vielen elektronischen Vorrichtungen wird als eine wesentliche Betriebsfunktion Gebrauch gemacht von einem wandernden Strom geladener Teilchen, etwa wie zu einem Strahl geformter Elektronen. Z.B. weist eine Art einer Vakuumvorrichtung, nämlich eine Mikrowellen- Wanderfeldröhre, eine Elektronenstrahlquelle auf, in der die Elektronen auf eine vorgegebene Geschwindigkeit beschleunigt werden und entlang eines axialen Pfades durch einen "Wechselwirkungs"-Bereich innerhalb des Gehäuses der Mikrowellenröhre ausgerichtet werden. Im Wechselwirkungsbereich wird kinetische Energie in den sich bewegenden Elektronen auf elektromagnetische Hochfrequenzfelder, wie Mikrowellensignale, übertragen, die sich entlang einer Verzögerungsleitung mit in etwa derselben Geschwindigkeit wie die sich bewegenden Elektronen durch den Wechselwirkungsbereich ausbreiten. Die Elektronen geben in einem als elektronische Wechselwirkung charakterisierten Austauschprozeß Energie an das Mikrowellenfeld ab, was durch eine niedrigere Geschwindigkeit der aus dem Wechselwirkungsbereich austretenden Elektronen augenscheinlich wird. Die "geschwächten" Elektronen treten aus dem Wechselwirkungsbereich aus, wo sie auf ein abschließendes, als Kollektor bezeichnetes Röhrenelement fallen. Der Kollektor sammelt die einfallenden Elektronen und liefert sie an die Spannungsquelle zurück. Wie erkennbar, wird viel der Energie eines bewegten Teilchens in Form von Wärme Wärme freigesetzt, wenn das Teilchen auf ein stationäres Element, wie den Kollektor, auftrifft. Dies erzeugt ein unerwünschtes Aufheizen der Mikrowellenröhre und einen insgesamt niedrigeren elektrischen Wirkungsgrad beim Betrieb der Mikrowellenröhre.
Ein Verzögerungskollektor und speziell ein mehrstufiger Verzögerungskollektor ist ein Kollektor, der den elektrischen Wirkungsgrad beim Betrieb einer Wanderfeldröhre erhöht, wie er auch unerwünschte Wärmeerzeugung durch einen Prozeß erniedrigt, gemäß dem die durch ein verzögerndes elektrisches Feld gesteuerten Elektronen nach Geschwindigkeiten geordnet werden. Das Feld verzögert die Elektronen, so daß sie mit verringerter Geschwindigkeit und idealerweise mit der Geschwindigkeit null durch Elektroden gesammelt werden. Es ist dem Fachmann bekannt, daß ein Mehrstufen-Verzögerungskollektor physisch durch eine Reihe voneinander beabstandeter Metallelektroden charakterisiert ist, von denen jede einen Durchlaß, eine abschließende Elektrode und einen Durchlaßeingang zum Empfangen von Elektronen aufweist. Die Elektroden werden auf der Reihe nach niedrigeren Spannungen in Bezug auf die als Masse gesehene Röhrenschaltung gehalten (oder auf der Reihe nach höheren negativen Spannungen, wenn umgekehrt gesehen), um den durch den Eintritt in den Kollektorbereich durchlaufenden Elektronen ein verzögerndes elektrisches Feld darzubieten. Derartige Arten von Vorrichtungen weisen im wesentlichen einen guten Entwicklungsstand auf und sind demgemäß ihrer Art nach komplex, was dem fachmännischen Leser bekannt ist.
Ein Typ eines bekannten Mehrstufen-Verzögerungskollektors verwendet eine Kombination eines transversalen elektrischen Feldes und eines longitudinalen Magnetfeldes, um Elektronen als Funktion der Elektronengeschwindigkeit zu sortieren. Siehe das U.S.-Patent Nr. 3.526.805 für Okashi et al.; Nr. 3.644.778 für Mihran et al.; und Nr. 3,702,951 für Kosmahl. Ein anderer Kollektortyp verwendet ein verzögerndes elektrisches Feld, das durch eine tassenförmige Elektrode und einen spitzigen Dorn erzeugt wird, der in der Mitte des tassenförmigen Teils angeordnet ist. Der Effekt dieser Struktur besteht bei angelegter Spannung darin, daß ein Elektronenspiegel mit negativer Brennweite für Elektronen gebildet wird, die sich nahe seiner Achse bewegen. Daher ist der reflektierte Strahl divergierender als der einfallende Strahl. Siehe die Veröffentlichung unter dem Titel "Multistage Depressed Collector Investigation For Travelling Wave Tubes", Tammaru, NASA CR-72950 EDDW-3207, Vertrag NAS-3-11536, abschließender Vertragsbericht. Der Wirkungsgrad des NASA-Kollektors wird durch die Defokussierungseigenschaften des dornförmigen Reflektors begrenzt. Darüberhinaus erforderten die in den erwähnten Patenten dargestellten Kollektoren das Aufrechterhalten eines axialen Magnetfeldes kritischer Größe für richtiges Funktionieren.
Ein Mehrstufen-Verzögerungskollektor, der asymmetrische Elektroden verwendet, wurde im U.S.-Patent Nr. 4.096.409 für Hechtel offenbart. Dieser Elektronenkollektor weist einen hohen Wirkungsgrad auf und er verwendet das Konzept des Fokussierens von Elektronen auf Sammelpunkte auf verschiedenen Elektroden abhängig vom Energiepegel des Elektrons. Er weist mehrere aufeinanderfolgende, entlang einer Mittellinie des Kollektors beabstandete Elektroden auf, wobei die erste Elektrode und jede folgende Elektrode außer der abschließenden Elektrode eine Öffnung zum Durchlassen geladener Teilchen aufweist, wobei die Öffnung in der ersten Elektrode gegenüber der Mittellinie versetzt ist, um einen Eintritt in den Kollektor für einen Elektronenstrahl zu definieren, der sich parallel zur Mittellinie bewegt, wobei die Elektroden dazu in der Lage sind, im Kollektor ein Teilchen verzögerndes elektrostatisches Feld mit konkaven. Äquipotentialflächen festzulegen. Ein Nachteil des Patentes für Hechtel besteht darin, daß es schwierig ist, die verschiedenen asymmetrischen Elektroden herzustellen und auszurichten.
Erfindungsgemäß wird ein Kollektor für geladene Teilchen angegeben, mit mehreren Elektroden, die aufeinanderfolgend entlang einer Mittellinie des Kollektors voneinander beabstandet sind, wobei jede Elektrode achsensymmetrische Form um die Mittellinie aufweist, um das Stapeln der Elektroden in axialer Ausrichtung zu unterstützen, und so ausgebildet ist, daß sie dazu in der Lage ist, innerhalb des Kollektors ein achsensymmetrisches, elektrostatisches Feld zum Verzögern von Teilchen festzulegen, dessen Äquipotentialflächen von einer ersten, einer Eintrittselektrode ausgesehen konkav sind, welche erste Elektrode und jede weitere Elektrode ausser der abschließenden Elektrode jeweils eine Öffnung für den Durchtritt geladener Teilchen aufweisen, wobei die Öffnung in der ersten Elektrode gegenüber der Mittellinie versetzt ist, um einen Eintritt in den Kollektor für einen geladenen Teilchenstrahl festzulegen.
Zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung, und um zu zeigen, wie dieselbe ausgeführt werden kann, wird nun als Beispiel auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen, in denen:
Figur 1 eine schematische Darstellung eines Elektronenkollektors ist, wie er bei einer Mikrowellenröhre und einer Elektronenkanone verwendet werden kann;
Figur 2 eine Kurve ist, die die Größe V des elektrostatischen Feldes sowie deren erste und zweite Ableitung entlang der Mittellinie (z-Achse) eines Elektronenkollektors mit fokussierenden Eigenschaften zeigt;
Figur 3 Äquipotentiallinien für einen Radius r entlang der z-Achse eines axialsymmetrischen Elektronenkollektors zeigt;
Figur 4 eine von einem Computer erzeugte Projektion der Elektronentrajektorien auf die y, z-Ebene eines Elektronenkollektors veranschaulicht;
Figur 5 eine von einem Computer erzeugte Projektion der Elektronentrajektorien von Figur 4 in der x, y-Ebene bei einem Potential von 40 % des Schaltungspotentials in Bezug auf die Kathode ist;
Figur 6 eine von einem Computer erzeugte Projektion ähnlich derjenigen von Figur 5 ist, die Elektronentrajektorien in der x, y-Ebene bei einem Potential von 25 % des Schaltungspotentials in Bezug auf die Kathode zeigt.
Figur 7 eine schematische Querschnittsdarstellung einer Ausführungsform eines Elektronenkollektors entlang der r, z- Ebene desselben ist, die den außerhalb der Achse liegenden Elektronenstrahl unter einem Winkel zur Kollektorachse zeigt;
Figur 8 den Querschnitt des bevorzugten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Elektronenkollektors zeigt;
Figur 9 eine Explosionsdarstellung der in Figur 8 verwendeten Elektroden ist.
Gemäß den Zeichnungen stellt Fig. 1 einen Kollektor 10 für geladene Teilchen dar, der dazu verwendet werden kann, Elektronen zu sammeln, und der mehrere Elektroden 12, 14, 16 und 18 aufweist, die aus einem Metall wie Kupfer zu im wesentlichen tassenförmiger Form geformt sind, wobei jede Elektrode in die andere gesetzt ist. Es sind vier Elektroden dargestellt, jedoch können auch nur zwei oder mehr als vier Elektroden bei der Erfindung verwendet werden. Die am weitesten links liegende Elektrode 12 bildet eine Teilcheneintrittswand des Kollektros 10, während die am weitesten rechts liegende Elektrode 18 die entfernteste Elektrode oder die Rückwand des Kollektors 10 bildet. Die Seitenwände des Kollektors 10 werden durch Keramikzylinder 20 gebildet, die eine Elektrode von der anderen mechanisch trennen und elektrisch isolieren. Bei manchen Anwendungen können die Elektroden 12 und 18 die einzigen beiden Elektroden sein, die für den Kollektor 10 erforderlich sind. Mit einem kleinen Abstand von der Elektrode 12 angebracht befindet sich eine Montageplatte 22, die aus einem isolierenden Material hergestellt sein kann.
Wie aus Fig. 1 erkennbar, sind die Elektroden 12-18 alle symetrisch zu einer Mittellinie 24, die die Längsachse des Kollektors 10 bildet. Die Elektroden 12, 14 und 16 sind jeweils mit Öffnungen 26, 28 bzw. 30 versehen, durch die ein von einer Kathode 24 erzeugter Elektronenstrahl 32 hindurchtritt. Es ist zu beachten, daß die Öffnungen 26, 28 und, in manchen Fällen, 30 gegenüber der Achse 24 des Elektronenkollektors 10 versetzt sind, um für eine außerhalb der Achse liegende Injektion eines Elektronenstrahls 32 zu sorgen.
Wie auf dem Fachgebiet wohlbekannt, wird der Elektronenstrahl 32 von einer Elektronenkanone 36 erzeugt, die eine Kathode 34, Steuergitter 38 und eine Anode 39 aufweisen kann. Wenn der Elektronenstrahl 32 die Elektronenkanone verläßt, wird er in eine Vakuumvorrichtung 40, wie eine Mikrowellenvorrichtung oder, spezieller, eine Wanderfeldröhre gelenkt. Die entkräfteten Elektronen verlassen die Mikrowellenvorrichtung 40, wo sie durch ein Magnetfeld rückfokussiert werden können, das von einem Permanentmagneten 42 und/oder einer Austrittsanode 44 erzeugt wird. Die Austrittsanode 44 kann dicht neben der am weitesten links liegenden Elektrode 12 angebracht sein, und sie ist mit einer Öffnung versehen, die mit der versetzten Öffnung 26 der Elektrode 12 ausgerichtet ist. Unter Bezugnahme auf Fig. 1 erkennt der Leser nun den Versatz zwischen der Achse 46 des Elektronenstrahls 32 und der Mittellinie 24 des Elektronenkollektors 10.
Es ist ersichtlich, daß der genaue Aufbau der Elektroden 1218 innerhalb des Elektronenkollektors 10 variiert werden kann, was auch für die Anzahl derartiger Elektroden gilt. Das wichtige Merkmal der Elektroden 12-18 ist das, daß sie den Elektronenstrahl fokussieren. Fokussieren bedeutet einen selektiven Brennpunkt, in dem verschiedene Elektronen, die den Strahl 32 bilden, durch einen Energiepegel ausgewählt werden, um innerhalb eines im wesentlichen kreisförmigen Bereichs auf verschiedenen und von einander getrennten Elektroden ausgeblendet zu werden. Theoretisch bildet eine unendliche Anzahl von Elektroden ein Ziel für eine unendliche Anzahl von Elektronenenergiepegeln, so daß jedes Elektron mit der Geschwindigkeit null auf eine geeignete Elektrode trifft. In der Praxis wird die unendliche Anzahl von Elektroden verringert, um den Erfordernissen für einen vereinfachten Aufbau zu genügen.
Der Schlüsselunterschied zwischen dem hier bevorzugten Ausführungsbeispiel und dem Stand der Technik besteht darin, daß sich viele der Vorrichtungen aus dem Stand der Technik auf ein Defokussieren des Elektronenstrahls stützen, was mit einer Neigung zum Streuen der Elektronen in eine ringförmige Fläche um die Außenflächen des Kollektors verbunden ist. Dadurch landen Elektronen mit demselben Energiepegel, die sich jedoch unter verschiedenen Winkeln innerhalb des Kollektors ausbreiten, an unterschiedlichen Punkten um den Umfang der Innenfläche des Kollektors. Das Konzept des Fokussierens des Strahls erfordert es, daß zwei Elektronen mit derselben Energie, jedoch verschiedenen Eintrittswinkeln in derselben kreisförmigen Fläche einer Elektrode landen; siehe hierzu Fig. 6. Dieses Konzept erlaubt einen höheren Wirkungsgrad innerhalb des Elektronenkollektors. Das Patent No. 4,096,409 aus dem Stand der Technik verwendete dieses Fokussierkonzept. Der dort offenbarte asymmetrische, zweidimensionale Mehrstufenkollektor ist jedoch schwieriger aufzubauen als herkömmliche Mehrstufenkollektoren. Der Vorteil des neuen asymmetrischen erfindungsgemäßen Kollektors besteht darin, daß er einfach hergestellt werden kann und denselben Wirkungsgrad wie der asymmetrische Kollektor aus dem Stand der Technik aufweist.
Eine Grundgleichung, die das elektrostatische Feld V für den in Fig. 1 dargestellten und beschriebenen Kollektor 10 beschreibt, ist die folgende:
V = 2/3z + 1/2z² - 1/12z&sup4; - 1/4 r² + 1/4r²z² - 1/32r&sup4;,
wobei das elektrostatische Potential V in einem r, z-Koordinatensystem beschrieben wird. R ist der Radius bezogen auf die Längsachse 24 des Kollektors 10, während z die Länge entlang dieser Achse ist. Auf der Achse, auf der r=0 ist, gilt für das Potential:
Vr=0 = -2/3z + 1/2z² - 1/12 z&sup4;.
Die erste Ableitung hiervon ist:
(δV/δz)r=0 = - 2/3 + z - 1/3 z³,
während die zweite Ableitung die folgende ist:
(δ²V/δz²)r=0 = 1 - z².
Fig. 2 zeigt V, δV/δz und δ²V/δz² für den Bereich von z= -1 bis + 1. In Fig. 1 ist zu beachten, daß δ²V/δz² über den gesamten Bereich positiv ist, in dem Fokussierwirkung auf den Strahl 32 ausgeübt wird.
Fig. 3 zeigt die jeweils gleichen Potentiale V, gemessen in willkürlichen Einheiten, in einem System für r über z, zwischen z = -1 und z = 0,9. Beim Entwerfen eines Mehrstufenkollektors kann jede Äquipotentialfläche durch eine leitende Elektrode auf dem richtigen Potential ersetzt werden. Auf diese Weise folgt die Konfiguration der Fokussierelektroden in gewisser Weise den in Fig. 3 dargestellten Konturen.
Wenn ein Computer verwendet wird, um die verschiedenen Trajektorien eines außerhalb der Achse liegenden Elektronenstrahls 32 beim Eintritt in den Elektronenkollektor 10 zu projizieren, ist es möglich, Kurven aufzutragen, die ähnlich den in Fig. 4 dargestellten sind, in der eine Aufzeichnung dargestellt ist, die Projektionen der Elektronentrajektorien auf die y-z-Ebene repräsentiert. Fig. 4 zeigt einen Elektronenstrahl 32, der parallel zur Längsachse 24 des Elektronenkollektors 10 eintritt, wobei angenommen ist, daß alle Elektronen innerhalb des Strahls denselben Energiepegel aufweisen, der 92 % der Kathodenspannung beträgt.
Eine Aufzeichnung des Elektronenstrahls 32 in der x,y-Ebene bei einer besonderen z-Position ist in Figur 5 dargestellt. Figur 5 zeigt die Intensität des Strahls 32, wenn er in den Eletronenkollektor 10 an einem Punkt eintritt, in dem das Potential des elektrostatischen Feldes näherungsweise 40 % dessen der Kathode ist. In ähnlicher Weise zeigt Figur 6 das Muster des Strahls 32 an einem Punkt, in dem der Strahl ein Potential von 25% in bezug auf die Kathode aufweist. Es ist zu beachten, daß der Strahl 32 zwei Trajektoriengebiete aufweist, mit einem ersten Gebiet, das in der oberen Fläche dargestellt ist, in dem der Strahl 32 sich von links nach rechts bewegt (Fig. 4), und einen zweiten Bereich aufweist, in dem sich der Strahl 32' von rechts nach links bewegt. Der zurücklaufende Strahl 32' wird durch Quadrate dargestellt, die theoretische Auftreffpunkte der entkräfteten Elektronen repräsentieren.
Aus den Figuren 4-6 ist nun verständlich, daß Elektronen, die in den Elektronenkollektor 10 eintreten, in ein im wesentlichen kreisförmiges Gebiet auf der hinteren oder inneren Fläche der Elektroden 12-16 fokussiert werden, abhängig vom Energiepegel jedes Eletrons.
Figur 7 zeigt einen schematischen Aufbau eines geeigneten Elekronenkollektors 710 mit mehreren Elektroden 711, 712, 714 718 und 719. Es ist zu beachten, wie die Konfiguration der Elektroden 712, 714, 718 und 719 mit den in Figur 3 dargestellten Äquipotentiallinien übereinstimmt. Bei dem in Figur 7 dargestellten Aufbau beträgt das an die Eletrode 712 angelegte Potential 55% der Kathodenspannung gegenüber Masse oder plus 45%, wenn mit der Kathodenspannung verglichen. In ähnlicher Weise beträgt die Spannung an der Eletrode 714 plus 35%, die Spannung an der Eletrode 718 beträgt plus 10% und die Spannung an der Eletrode 719 ist 0 in Bezug auf die Kathode. Das heißt, daß das Gitter 719 zu 100% unterdrückt wird. Der Elektronenstrahl 732 ist gegenüber der Achse 724 versetzt, und es ist dargestellt, daß er in den Elektronenkollektor 710 unter einem Winkel von etwa 10º zur Kollektorachse 724 eintritt; jedoch können andere Winkel zwischen 60 und 14º verwendet werden.
Durch Versuche wurde unerwarteterweise herausgefunden, daß das Null-Spannungsgitter 719 bei der Erfindung nicht erforderlich ist. Das heißt, daß die zu 100% unterdrückte Elektrode 719 dazu neigt, die Elektronen umzukehren und sie durch die Öffnung innerhalb des Elektronenkollektors 710 zurückzuführen. So wurde unerwarteterweise herausgefunden, daß das Ausschließen der zu 100% unterdrückten Eletrode 719 nicht nur den Wirkungsgrad des Elektronenkollektors 710 beibehielt, sondern ihn tatsächlich verbesserte. Weiterhin wurde durch Versuche herausgefunden, daß der Wirkungsgrad des Elektronenkollektors derselbe blieb, unabhängig davon, ob der Elektronenstrahl 732 unter einem Winkel in den Kollektor 710 eintrat, wie in Figur 7 dargestellt, oder in den Kollektor parallel zu dessen Achse 724 eintrat. Dieses unerwartete Ergebnis war sehr nützlich, da es den Aufbau des Kollektors vereinfacht. Der vereinfachte Aufbau ermöglicht es, alle Elektroden achsensymmetrisch zur Mittellinie 724 herzustellen. Das einzige Merkmal der Elektroden, das nicht achsensymmetrisch ist, ist der Versatz der Öffnungen für den Elektronenstrahl 732.
Unter Bezugnahme auf Figur 8 wird nun das bevorzugte Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung mit mehr Einzelheiten beschrieben. Der in Figur 8 dargestellte Elektronenkollektor 810 weist vier Elektroden 812, 814, 816 und 818 auf. Diese tassenförmigen Metallelektroden sind mit sich nach außen erstreckenden Flanschen 848 versehen, die von Isolatoren 820 mechanisch und elektrisch voneinander getrennt werden. Die Isolatoren 820 können an den Flanschen 848 durch jede geeignete Vorrichtung befestigt werden, wie durch chemisches Bonden oder Elektroschweißen. Der Leser sollte beachten, daß die Elektroden 812, 814, 816 und 818 symmetrisch zur Mittellinie 824 sind, mit Ausnahme der Öffnungen 826 und 828 in den ganz links liegenden Elektroden. Die Öffnung 826 in der Elektrode 812 ist gegenüber der Mittellinie 824 um ein beträchtliches Stück versetzt; dagegen ist die Öffnung 828 in der Elektrode 814 um eine geringfügig kleinere Entfernung versetzt, jedoch ist die Öffnung 828 deutlich größer. Versuche haben unerwarteterweise gezeigt, daß es nicht erforderlich ist, jede der Öffnungen innerhalb der nachfolgenden Stufen des Elektronenkollektors zu versetzen. Daher ist die Öffnung 830 in der Elektrode 816 mit symmetrischer Lage dargestellt, obwohl sie dazu verwendet wird, einen Elektronenstrahl einzufangen, wie den Strahl 32 in Figur 1, der außerhalb der Mittellinie 824 des Kollektors 810 eintritt. Die versetzten Öffnungen 826 und 828 sind bei den bevorzugten Ausführungsbeispielen kreisförmig, jedoch können auch andere Formen, wie elliptische oder ovale Formen verwendet werden.
Die ganz linke Oberfläche der Elektrode 812 ist mit flacher Ausbildung dargestellt, während die innere Oberfläche derselben zur Mittellinie 824 hin dicker wird, um den Elektronenstrahl zu fokussieren. Auf ähnliche Weise ist die ganz linke Oberfläche der Elektrode 814 tellerförmig ausgebildet, während ihre innere Oberfläche parallel hierzu angeordnet ist. Dies hilft zum Fokussieren des Strahls 32 (Fig. 1) . Die Öffnung 828 geht durch den flachen Bereich des Tellers in der Eletrode 814, wie auch durch einen Teil der geneigten Fläche derselben. Die Öffnung 830 in der Elektrode 816 ist symmetrisch, wie oben festgestellt. Der Leser bemerkt, daß die Elektrode 818, die die abschließende Elektrode oder die Rückwand des Kollektors 810 bildet, auf demselben Potenial wie die Elektrode 816 gehalten wird. Wie oben festgestellt, wurde unerwarteterweise entdeckt, daß es nicht erwünscht ist, die abschließende Elektrode bis auf ein Potential zu drücken, das dem der Kathode entspricht. Eher ist für verbesserten Wirkungsgrad ein Potential erwünscht, das gegenüber demjenigen der Kathode leicht positiv ist.
Bei einem der bevorzugten Ausführungsbeispiele wurde die erste Elektrode 812 auf 58% der Kathodenspannung gegenüber Masse gehalten, die zweite Elektrode 814 wurde auf 80% der Kathodenspannung gegenüber Masse gehalten, und die dritte Elektrode 816 wurde auf 90% der Kathodenspannung gegenüber Masse gehalten, zusammen mit der Elektrode 818. Der Bereich der Spannung an der Elektrode 812 kann zwischen 30-65% der Kathodenspannung gegenüber Masse liegen, die Spannung an der Elektrode 814 kann zwischen 55 und 85%, und die Spannung an den Elektroden 816 und 818 kann zwischen 80 und 100% liegen. Wie jedoch zuvor festgestellt, wird die Spannung der Elektroden 816 und 818 vorzugsweise auf weniger als 100% der Kathodenspannung gegenüber Masse gehalten.
Fig. 9 zeigt die Elektroden von Fig. 8 in Explosionsdarstellung, um die Beziehung der außerhalb der Achse liegenden Strahlinjektion durch die versetzten Öffnungen und die vereinfachte Herstellbarkeit der achsensymmetrischen Elektroden deutlicher zu demonstrieren.
Der Leser versteht, daß die hier dargelegte Gleichung nur eine von mehreren Gleichungen ist, die dazu verwendet werden können, das elektrostatische Feld zum Fokussieren von Elektronen auf die mehreren Elektroden zu beschreiben. Darüber hinaus können die Anzahl und die Form der Elektroden innerhalb der Lehre der vorliegenden Erfindung variiert werden. Z.B. können die Elektroden 814 und 816 weggelassen werden und nur die Elektrode 812 wird mit einer versetzten Öffnung 826 versehen. Eine oder mehrere Elektroden 814 und 816 können mit oder ohne Versetzen der Öffnungen 826 und 830 verwendet werden. Die Elektrode 812 kann bei manchen Anwendungen ebenfalls tellerförmig sein, wie die Elektrode 814. Es ist verständlich, daß die Hitze, die beim Auftreffen des Elektronenstrahls 32 auf die Elektroden erzeugt wird, durch Flüssigkeitskühlung oder durch Rippen oder andere geeignete Anordnungen abgeführt werden kann. Schließlich sollen die Elektronenkanone 36 und die Vakuumvorrichtung 40, die beim erfindungsgemäßen Elektronenkollektor 10 verwendet werden, nicht auf die hier schematisch dargestellten Vorrichtungen beschränkt sein. Demgemäß soll die vorliegende Erfindung nur durch die beigefügten Ansprüche begrenzt werden.

Claims

1. Kollektor für geladene Teilchen mit mehreren Elektroden (12, 14, 16, 18), die aufeinanderfolgend entlang einer Mittellinie (24) des Kollektors voneinander beabstandet sind, wobei jede Elektrode achsensymmetrische Form um die Mittellinie (24) aufweist, um das Stapeln der Elektroden in axialer Ausrichtung zu erleichtern, und der so ausgebildet ist, daß innerhalb des Kollektors ein achsensymmetrisches, elektrostatisches Feld zum Verzögern von Teilchen gebildet wird, dessen Äquipotentialflächen von einer ersten, einer Eintrittselektrode (12) aus gesehen konkav sind, welche erste Elektrode (12) und jede weitere Elektrode ausser der abschließenden Elektrode (18) jeweils eine Öffnung (26) für den Durchtritt geladener Teilchen aufweisen, wobei die Öffnung (26) in der ersten Elektrode (12) gegenüber der Mittellinie versetzt ist, um einen Eintritt in den Kollektor für einen geladenen Teilchenstrahl festzulegen.

2. Kollektor nach Anspruch 1, der mehrere tassenförmige Elektroden mit jeweils einer integral ausgebildeten Seitenwand und einem Basisbereich aufweist, welche Elektroden ineinandergesetzt und gegeneinander isoliert sind.

3. Kollektor nach einem der Ansprüche 1 oder 2, bei dem die Form jeder Öffnung (26, 28, 30) im wesentlichen kreisförmig ist.

4. Kollektor nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 3, bei dem eine der Elektroden zwischen der ersten und den abschließenden Elektroden liegt.

5. Kollektor nach Anspruch 4, bei dem als Elektroden die erste (12), eine zweite (14), eine dritte (16) und die abschließende Elektrode (18) vorliegen.

6. Kollektor nach Anspruch 5, bei dem die Öffnung der zweiten Elektrode gegenüber der Mittellinie versetzt ist.

7. Kollektor nach einem der Ansprüche 5 oder 6, bei dem die dritte Elektrode eine Öffnung aufweist, die im wesentlichen symmetrisch zur Mittellinie angeordnet ist.

8. Kollektor nach einem der Ansprüche 5 bis 7, bei dem die Elektroden so geformt und angeordnet sind, daß sie ein elektrostatisches Feld V bilden, mit

V = 2/3z + 1/2z² - 1/12z&sup4; - 1/4r² + 1/4r²z² - 1/32r&sup4;, in einem r,z-Koordinatensystem, wobei z die Entfernung entlang der Mittellinie und r der radiale Abstand von dieser ist.

9. Kollektor nach einem der Ansprüche 3 bis 8 mit einer Einrichtung zum Anlegen verschiedener aufeinanderfolgend kleinerer Spannungen an die Elektroden in Richtung auf die abschließende Elektrode.

10. Kollektor nach einem der Ansprüche 3 bis 8 mit einer Einrichtung zum Anlegen verschiedener, aufeinanderfolgender kleinerer Spannungen in Richtung auf die abschließende Elektrode, mit Ausnahme dieser.

11. Kollektor nach Anspruch 10, bei dem die abschließende und die benachbarte Elektrode miteinander verbunden sind, um bei derselben Spannung zu arbeiten.

12. Kollektor nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die Elektroden aus Metall bestehen.

13. Vorrichtung mit einer Kathode (34) zum Erzeugen geladener Teilchen, und mit einem Kollektor gemäß einem der vorstehenden Ansprüche.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13 mit einer Einrichtung zum Aufrechterhalten einer höheren Spannung an der abschließenden Elektrode als an der Kathode.

15. Vorrichtung nach Anspruch 14 unter Anwendung auf Anspruch 5 und auf Anspruch 9 oder 10, wobei die Anlegeeinrichtung so ausgelegt ist, daß im Gebrauch:

- die an die erste Elektrode gelegte Spannung 30% bis 65% der Kathodenspannung in bezug auf Masse beträgt;

- die an die zweite Elektrode gelegte Spannung 55% bis 85% der Kathodenspannung in bezug auf Masse beträgt;t

- die an die dritte und vierte Elektrode gelegte Spannung 85% bis 100% der Kathodenspannung in bezug auf Masse beträgt.

16. Vorrichtung nach einem Ansprüche 14 oder 15, die so ausgebildet ist, daß geladene Teilchen entlang eines Pfades parallel zur Mittellinie in die Öffnung der ersten Elektrode eintreten.

17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 oder 15, die so ausgebildet ist, das geladene Teilchen entlang eines Pfades in die Öffnung der ersten Elektrode eintreten, der einen Winkel zur Mittellinie bildet.

18. Vorrichtung nach einem der Ansprüch 14 bis 17, bei der die Kathode derart ausgebildet ist, das zu den geladenen Teilchen Elektronen gehören.

19. Vorrichtung nach Anspruch 18, die eine Mikrowellenröhre ist.