-
Anordnung zur Erzeugung eines parallelen oder kegelförmigen Kathodenstrahles
großer Dichte Für die verschiedensten elektronenoptischen Apparate, von denen der
Kathodenstrabloszillograph, die Fernsehröhre und das Elektronenmikroskop besonders
genannt sein sollen, benötigt man eine geeignete Elektronenquelle. Die Güteeiner
solchen Emissionsvorrichtung wird durch zwei Größen festgelegt: Die Gesamtemssion
und .die Größe des Raumwinkels, in den die E.mdssion gestrahlt wird; dabei ist ein
möglichsf hoher Elektronenstrom und ein möglichst kleiner Raumwinkel erwünscht.-
Als dritter interessierender Wert kommt die Kleinheit des Querschnittes hinzu, auf
den nahe an der Kathode der Strahl zusammengepreßt werden kann.
-
Die Vergnößerun,g der Emission gelingt bekanntlich ,dadurch, daß man
die ennttierende Fläche vergrößert. Man muß jedoch dann dafür sorgen, daß ,alle
von der emittierenden Fläche ausgehenden Elektronen, die glühelektrisch oder photoelektrisch
ausgelöst sein können, die gleiche Richtung annehmen und auf den gleichen Punkt
gelangen. Dias be-
schleunigende elektrische Feld müß also für diesen Zweck
geeignet ,sein. Die Größe des Raumwinkels, in welchen die Gesamtemission gestrahlt
wird, beschreibt man zweckmäßig durch den Tangens des Winkels, welchen die äußersten
Elektronen mit der Achse des Strahles bilden. Dieser Wert ist gegeben durch den
Quotienten aus der Quergeschwindigkeit und der Längsgeschwindigkeit 'der Elektronen;
die Quergeschwindigkeit erhalten die Elektronen durch die zur Achse senkrechten
Komponenten der Austrittsgeschwindigkeit und des elektrischen Beschleunigungsfeldes,
während entsprechend die Längsgeschwindigkeit aus den entsprechenden iaxialen Komponenten
beider Größen sich ergibt. Im günstigsten Falle kann man das Beschleunigungsfeld
so ausbilden, daß es nur zur Erz eugung der Längsgeschwindigkeit dient, so daß als
Quergeschwindigkeit nur die Anfangsgeschwindigkeit !der Elektronen auftreten kann.
Diese Austrittsgeschwindigkeit entspricht bekanntlich einer Voltgeschwindigkeit
von rund 2 Volt. Da sich die linearen Geschwindigkeiten wie die Quadratwurzeln aus
den zugehörigen Voltgeschwindigkeiten verhalten, muß es im günstigsten Falle gelingen,
bei äner Beschleunigungsspannung von beispielsweise 2o ooo Volt einen Strähl
zu erzeugen, bei dem kein Elektron mit der Achse Beinen größeren Winkel als
o,oi Bogenmaß bildet. Von diesem Ideal :sind die bisherigen Glühkathodenanordnungen
noch weit entfernt, wenigstens soweit sie nicht punktförmige Elektronenquellen als
Ausgangsquerschnitte verwenden, was ja mit Rücksicht :auf die ver= langte Strahlintensität
ein Nachteil ist.
Die vorliegende Erfindung betrifft eine solche
Anordnung :der Elektroden, daß die aus der Kathode glühelektrisch. oder photoelektrisch
ausgelösten Elektronen die Strahlenquelle in optisch wohl definierter Weise, als;'
als Parallelstrahlung oder als reine Kegelstrahlung, verlassen, soweit dies wegen
ihrer -unregelmäßigen Austrittsspannung möglich ist.
-
Gemäß der Erfindung wird die Anordnung so gewählt; daß die elektronenemittierende
Fläche die Form eines nach der Anodenseite geöffneten axialsymmetrischen Trichters
erhält.
-
In Abb. i ist der bei -ebener Ausbildung der Anode sich mit einem
solchen Kathodentrichter ergebende Feldverlauf skizziert. Die Elektronen werden
zunächst, da ,sie mit -sehr kleiner Spannung anstreben, den Feldlinien folgen und
zur Achse hinstreben. je mehr sie dabei beschleunigt werden, desto weniger @ab,-lenkbar
werden sie, d. h. sie wählen einen Mittehveg zwischen der Richtung, die sie bereits
innehaben, und der Richtung der Feldlinien des elektrischen Feldes. Durch geeignete
Krümmung der Wände des Trichters läßt es sich erreichen, daß alle Elektronen, einerlei
von welchem Teil der Emissonsfl:äche sie herkommen, auf einen Punkt fliegen bzw.
-unter Berücksichtigung ihrer verschiedenen, endlich grollen Anfangsgeschwindigkeiten
und der Verschiedenheit der Anfangsrichtungen annähernd ,auf einen Punkt fliegen.
Damit ist die eingangs gestellte Aufgabe gelöst; denn es ist ein intensiver, nahe
dex Kathode nur einen kleinen Querschnitt besitzender Kathodenstrahl entstanden,,
welcher eine annähernde Kegelstrahlung darstellt. Durch passende Wahl des Verhältnisses
von Elektrodenabstand zu Tri.chterdurchmesser läßt sich auch die letzte Forderung
erfüllen, daß die Elektronen die Anordnung annähernd parallel verlassen.
-
Wie Abb. i erkennen läßt, wird die, günstige Wirkung der beschriebenen
Feldverteilung in der Nähe der Anode durch das zum Durchtritt der Elektronen notwendige
Loch gestört. Diese Störung kann man verringern, dadurch, daß man nach Abb.2 auch
der Anode eine trichterfömnge Gestalt gibt, wobei die Seiten der größeren Öffnung
@einander zugewendet sind. Hiermit ,gewinnt man zugleich eine weitere Möglichkeit,
durch Formgebung der Tiichterwände den Verlauf des elektrischen Feldes zu beeinflussen,
so *daß man die gewünschten Wirkungen, nämlich die Sammlung und die Parallelrichtung
der Elektronen, erreichen kann. Als besonders günstig stellt sich diejenige geometrische
Anordnung heraus, bei welcher .der Sammelpunkt der Elektronen gerade in die kleine
Öffnung des Anodentrichters zu liegen kommt. Bei thermionischen Entladungsvorgängen
zerstören häufig die auf die Kathode fallenden Ionen deren Emissionsfähigkeit. Ordnet
man bei der beschriebenen Anordnung im Grunde des Kaythdentrichters ein Loch an,
so fallen die 'anlaufenden Ionen in an sich bekannter Weise durch dies-es hindurch
und werden dabei unschädlich. In diesem Zusammenhange zeigt sich, daß die beschriebene
Anordnung in gleicher Weise wie für alle negativen Ladungsträger jeder Art so auch
für alle positiven Ladungsträger anwendbar ist. Nur vertauschen dann natürlich Kathode
und Anode ihre Rollen.
-
Will man die Intensität des die Anode verlassenden Kathodenstrahles
verändern, so kann man nach Abb.3 eine scheibenförmige Zwischenelektrode zwischen
Kathode und Anode anordnen. Diese wird je nach der ihr aufgedrückten Spannung die
Sammelwirkung verändern und damit die Intensität in der Anodenöffnung variieren.
Bildet man die Steuerelektrode nach Abb.3 so aus, daß sie sich einer Äquipobentialfläche
anschmiegt, welche sich im Feld zwischen Kathode und Anode ergibt, wenn keine Steuerelektrode
vorhanden ist, so erhält man die volle Intensität, wenn die Steuerelektrode gerade
die :dieser Äquipotentialfläche entsprechende Spannung erhält. Von dieser abwärts
kann man -also steuern.
-
Bei der praktischen Ausführung der erfindungsgemäßen Anordnung wird
man nicht den ganzen Kathodentrichter zur Emission heranziehen, sondern nur etwa
den in Abb. 2 stark ausgezogenen Teil. Diamit sichaber das Feld im Zwischenraum
zwischen den Elektroden. in der gewünschten Weise ausbildet, wird man zweckmäßig
die Kathodenfläche in an sich bekannter Weise auch über den aktiven Teil hinaus
in der Trichtergestalt @erstrecken'und auch diesen Teil auf Kathodenpotential bringen
(Schutzringprinzip).
-
Besondere Sorgfalt muß bei Verwendung einer Glühkathode ,auf die Heizung
der Kathodenfläche verwendet werden: Um die Bahnen der Elektronen von dem durch
die Ausbildung des elektrischen Feldes angestrebten: Verlauf nicht abzubringen,
müssen die durch den Heizstrom hervorgerufenen magnetischen Felder in der Nähe der
Kathode; wo die Elektronen noch langsam, also leicht ablenkbar sind; sehr klein
gehalten werden oder am besten überhaupt verschwinden. Zweckmäßig kann man eine
indirekte Heizung vorsehen, deren Heizdrähte in an sich bekannter Weise bifilar
angeordnet sind. Oder aber @es kann die Heizung dadurch erfolgen, daß die in einiger
Entfernung von der Kathode von einem Heizdraht erzeugte Wärme durch Strahlung,direkt
oder über eine optische
Vorrichtung (Spiegel, Linse) auf den Kathodentrichter
übertragen wird. Schließlich kann die Heizung durch Elektronenbombiardem:ent erfolgen.
-
Bei Verwendung einer Glühkathode wird man den aktiven Teil des Kathodentrichters
in bekannter Weise mit- Oxyd versehen. Bei Verwendung einer Photokathode wird man
photoelektrisch wirksames Material ;anordnen.