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Kathodenstrahlröhrenanordnung für Höchstspannungen In Kathodenstrahlröhren
läßt sich die Bildung positiver Ionen selbst durch sorgfältigste Entgasung nie ganz
vermeiden. Liegt etwa eine Spannung von mehreren zoo kV an den Elektroden der Röhre,
so hat dies zur Folge, daß durch das entsprechende zusätzliche Ionenbombardement
der Kathode eine erhebliche Steigerung der Elektronenemission eintritt. Dieses Anwachsen
der Elektronenemission kann so weit gehen, daß durch Selbstheizung der Röhre labile
Zustände eintreten.
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Kathodenstrahlröhren sehr hoher Spannung, bei denen sich der Ionenstrom
besonders bemerkbar macht, werden, wie bekannt, derart gebaut, daß die Spannung
in der Art einer Kaskade auf mehrere Stufen unterteilt wird und den Elektronen stufenweise
unter Einwirkung der Spannung aufeinanderfolgende Beschleunigungen erteilt werden.
Man hat versucht, bei derartigen Kathodenstrahlröhren für Höchstspannungen mit Unterteilung
der Spannung die nachteiligen Wirkungen der positiven Ionen dadurch zu vermeiden,
daß man zwischen die einzelnen Röhren der Kaskade eine Metallfolie einschaltete
und so den Übergang der positiven Ionen von der Endelektrode der einen Röhre in
die Anfangselektrode der nächsten Röhre verhinderte. Diese Metallfolie ist dann
für die weiter zu beschleunigenden Elektronen durchlässig, für die positiven Ionen
aber undurchlässig.
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Das beschriebene Verfahren besitzt jedoch erhebliche Nachteile. Die
für die Ionen undurchlässige Metallfolie ruft auch bei den Elektronen, trotzdem
sie sie hiridurchläßt, einen Geschwindigkeitsverlust hervor. Dieser Geschwindigkeitsverlust
bedingt eine erhebliche Erwärmung der Metallfolien, insbesondere bei den höheren
Stufen der Spannungskaskade, die leicht das zulässige Maß überschreiten kann. Es
kommt hinzu, daß an der Metallfolie unerwünschte Röntgenstrahlen entstehen.
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Nach der Erfindung wird die Vermeidung der schädlichen. Wirkungen
des Ionenstromes erzielt, ohne die beschriebenen Nachteile in Kauf nehmen zu lassen.
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Der Erfindung liegen die nachstehend dargestellten physikalischen
Verhältnisse zugrunde. In einem homogenen magnetischen Feld der Stärke H beschreibt,
wie bekannt, ein Masseteilchen mit der. Masse in und einer bestimmten Geschwindigkeit
eine Bahn, deren Krümmungsradius r gegeben ist, durch die Beziehung
wobei e die Ladung des Teilchens und V die angelegte Spannung zwischen den Elektroden
ist. Bei einem Magnetfeld von 28o Gaus und einer Spannung von zoo kV zwischen den
Elektroden einer Kaskadenstufe erhält man durch Einsetzen der Werte für das Elektron
beispielsweise einen Krümmungsradius y = 5 cm.
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Die Wirkung der Erfindung tritt nun dadurch ein, daß positive Ionen
eine um mehrere Ordnungen
größere Masse als Elektronen besitzen.
So ist z. B. die Masse des Wasserstoffions 2ooo mal so groß als die Masse eines
Elektrons. Bei gleicher Spannung zwischen den beiden Elektroden erfährt es eine
Ablenkung, deren Radius 44,7 mal größer ist als der des Elektrons. Dies bedeutet
aber, daß alle Wasserstoffionen, deren Geschwindigkeit nicht in der Nähe von ll@@,-
= 2,3010 der Geschwindigkeit der Elektronen liegt, in eine andere Richtung
als die Elektronen gelenkt werden können.
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Die Breite des Geschwindigkeitsspektrums, das durch die Abblendung
des größten Teiles der Ionen für die Elektronen freigegeben wird, ist durch die
Konstruktion bestimmt. Für Ionen anderer Gase als Wasserstoff liegt dieses Spektrum
bei noch geringeren Geschwindigkeiten.
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Da die positiven Ionen in Richtung der Kathode beschleunigt werden,
also gegen die Geschwindigkeit der Elektronen anlaufen, so werden die bei der vorherigen
Kaskade nicht ausgeblendeten Ionen in der nächsten Stufe ausgeblendet. Notwendig
für eine scharfe Ausblendung ist eine möglichst weitgehende Konzentration der Elektronen
vor Eintritt in das magnetische Feld. Dies kann leicht durch ein geeignet angeordnetes
Solenoid oder durch eine Kombination mehrerer Solenoide bewirkt werden. Ströme von
Ionen und Elektronen durch ein Magnetfeld zu trennen, ist an sich bekannt, desgleichen
die Verwendung von Solenoiden bei hintereinandergeschalteten Kathodenstrahlröhren.
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Bei der neuen Kathodenstrahlröhrenanordnung für Höchstspannungen,
bei der die Spannung in der Art einer Kaskade in Stufen unterteilt an einzelnen
hintereinandergeschalteten Röhren liegt, sind nun erfindungsgemäß zur Vermeidung
der schädlichen Wirkung des Ionenstromes zwischen aufeinanderfolgenden Röhren der
Kaskade die Achsen dieser aufeinanderfolgenden Röhren winklig aneinandergereiht,
und in den Scheitelpunkten dieser aneinandergereihten Röhren sind im wesentlichen
senkrecht zur Röhrenachse liegende magnetische Felder vorgesehen, um die Ionen und
Elektronen in verschiedene Bahnen zu lenken.
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Die Zeichnung zeigt in Fig. = ein Ausführungsbeispiel. Das Entladungsgefäß
besteht dabei aus zwei Glaskolben z und 2, die durch die Hälse 3 und 4 miteinander
verbunden sind. Die Glasröhren bilden zweckmäßig einen Winkel von z2o ° zueinander,
da dann einerseits eine ausreichende Trennung der Bahnen der Ionen und Elektronen
möglich ist, andererseits aber die Enden der in Kaskade angeordneten einzelnen Röhren
nicht in unzulässige Nähe zueinander kommen, so daß etwa ein äußerer Überschlag
einträte.
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Die Hälse enthalten an den Stellen 5 und 6 je eine Elektrode, deren
Potential zwischen demjenigen der Kathode 7 und der Anode 8 liegt. Die Elektroden
5 und 6 werden durch je einen kleinen Metallzylinder gebildet. Die Glühkathode 7,
die in Fig. 2 größer herausgezeichnet ist, besteht aus einer Glühdrahtschleife 2,
die mit den Stabeinschmelzungen xo und zz verschweißt ist, und einer Blende 12,
die bezweckt, das Elektronenbündel zu sammeln. Die Klemmen der Hochspannungsquelle
13 und =4 sind mit der Glühkathode 7 und der Anode 8 verbunden. Die Hochspannungsquelle
besitzt in der Mitte eine Anzapfung, die mit den Elektroden 5 -und 6 verbunden wird
und ein Potential führt, das dem halben Wert der Potentialdifferenz zwischen Kathode-?
und Anode 8 gleichkommt. Zwischen den beiden Elektroden 5 und 6 ist die in Fig.
3a und 3b herausgezeichneteVorrichtung angebracht, die gemäß der Erfindung eine
Trennung der Elektronen- und Ionenbahnen hervorruft.
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=5 ist das Glasrohr, das die Hälse verbindet, 16 sind die Polschuhe,
zwischen denen sich das homogene Magnetfeld ausbildet, z9 das Joch des Eisenkerns,
17 die Erregerwicklung für das Magnetfeld. Sie kann auf verschiedene Weise
gespeist werden, am besten durch eine isoliert aufgestellte Batterie. 2o sind zwei
Blenden, die ebenfalls wie die Eisenspule auf das Potential der Elektroden 5 und
6 gebracht sind. Sie dienen dazu, die positiven Ionen aufzufangen. Während die Elektronen
auf der strichpunktierten Bahn abgelenkt laufen, werden die (Wasserstoff-) Ionen,
deren Geschwindigkeitnicht um 2,3°4 der Elektronengeschwindigkeit liegt, von den
Blenden 2o aufgefangen, und zwar die mit größerer Geschwindigkeit von der Blende
an der Außenseite, die mit kleinerer von der Blende an der Innenseite der Krümmung.
2r, 22, 23 sind Solenoide, die, wie bekannt, zur Konzentration des Elektronenbündels
dienen.
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Zweckmäßig ist, wie in Fig. 4 gezeigt, gleich hinter der Kathode eine
Ablenkvorrichtung anzubringen, da auf diese Weise die Kathode am wirksamsten geschützt
werden kann. In dieser Figur ist eine Entladungsröhre skizziert, die außer der -
Ablenkungsvorrichtung zum Schutze der Kathode noch drei weitere Ablenkungen besitzt,
deren Drehsinn wechselt. Auf diese Weise ist es möglich, daß das Rohr in einer Hauptrichtung
gebaut werden kann. Je nach den Erfordernissen des Verwendungszweckes kann die Kathode,
eine Zwischenelektrode oder die Anode auf das Potential Null gebracht werden.
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In Fig. 5 ist eine Ausgestaltung einer nach der Erfindung aufgebauten
Kaskade aus Kathodenstrahlröhren beschrieben, die einen besonders zweckmäßigen Aufbau
aus den einzelnen Röhren ergibt. Bei der in Fig. 5 gezeichneten Anordnung werden
die einzelnen Kaskadenteile getrennt
evakuiert und transportiert
und an Ort und Stelle erst zusammengesetzt. In Fig.5 sind 3 und q. wieder die Enden
der Glaskolbenhälse der normal gepumpten und an Ort und Stelle bereits justierten
Röhre. Sie sind durch die Glaswände 24 und 25 abgeschlossen und besitzen die rohrartigen
Verlängerungen 26 und 27, die nun miteinander verblasen werden. Ist dies geschehen,
so wird das dadurch gebildete Rohrstück durch den Pumpstutzen 27 und über die Falle
für flüssige Luft 28 an eine Hochvakuumpumpe angeschlossen. Während des Pumpvorganges
wird dabei das Rohrstück auf eine Temperatur von ungefähr 500' C erhitzt.
Darauf wird an der Kapillare 3o abgeschmolzen. Nun werden in geeigneter Weise die
Glaswände 24 und 25 zerstört. Dies kann z. B. durch ein in dem Hals befindliches
Eisenstück 31 bewirkt werden, das nach dem Durchstoßen in den Kohlebeute132 gebracht
wird und dadurch den Entladungsweg nicht mehr behindert.