DE704087C - Sekundaeremissionsfaehige Elektrode und Verfahren zu ihrer Herstellung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Elektroden für elektrische Entladungseinrichtungen., die imstande sind, Sekundärelektronen abzugeben. Derartige Elektroden lassen sich z. B. in be-S kannten Anordnungen verwenden, bei denen die von einer Primärquelle ausgehenden Primärelektronen mit Hilfe eines elektrischen und eines magnetischen Feldes einer sekundäremissionsfähigen Elektrode und die dort erzeugten Sekundärelektronen mit Hilfe dieser oder anderer Felder einer Ausgangselektrode zugeführt werden.

Zur Herstellung sekundäreniissionsfähiger Elektroden eignet sich eine ganze Reihe von Metallen. Vielleicht das beste bisher bekannte Material ist oxydiertes und durch Bildung einer Cäsiumoxydschicht sensibilisiertes Silber. Mit Cäsium behandeltes Silber ist höchstens in der Lage, etwa neun Sekundär-

ao elektronen für jedes einfallende Primärelektron zu erzeugen. Will man also einen großen Sekundärelektronenstrom erhalten, dann muß man, wie bereits bekannt, eine große Anzahl von sekundäremissionsfähigen Elektroden in Kaskade hintereinander anordnen.

Ziel der Erfindung ist eine Elektrode, welche viel mehr Elektronen für jedes einfallende Primärelektron liefern kann. Gemäß der Erfindung besteht die sekundäremissionsfähige Elektrode aus einer mit einer sehr dünnen hochisolierenden Schicht von etwa ίο-¹? bis 3 · 10-⁵ cm Dicke überzogenen Metall unterlage aus Aluminium, Magnesium, Beryllium oder Silicium. Die Oberfläche der Isolierschicht kann außerdem sensibilisiert werden, um beim Aufprall von Primärelektronen größere Mengen von Sekundärelektronen abzugeben. Als Metallunterlage wird vorzugsweise Aluminium verwendet. Die isolierende Schicht kann aus elektrolytisch gebildetem Aluminiumoxyd bestehen; zur Sensibilisierung kann, eine 1 Atom dünne Schicht eines Alkalimetalls auf dem Oxyd niedergeschlagen und diese Schicht ihrerseits oxydiert werden.

Die Überlegenheit der aekundäremissionsfähigen Elektrode nach der Erfindung über die erwähnten bekannten Elektroden, bei denen ebenfalls eine Metallunterlage mit einem isolierenden Überzug versehen und dann mit einem Alkalimetall aktiviert wird, gründet sich auf das Merkmal, daß die Isolierschicht äußerst dünn ist und besonders gut isoliert. Hierdurch entstehen bei der durch Primärelektronen bewirkten Auslösung von Sekundärelektronen an der Elektrodenoberfläche Ladungen, die eine so hohe Feldstärke erzeugen, daß Elektronen, sog. Feldelektronen, auch unter dem Namen autoelektro-

nische Entladung bekannt, zusätzlich zu den Sekundärelektronen erzeugt werden.

Ordnet man der oxydbekleideten Elektrode eine Sammelelektrode zu und hält sie auf hohem positivem Potential, dann lassen sich auch die Feldelektronen in einem Ausgangskreis nutzbringend verwenden.

An Hand der Zeichnung soll nun die Theorie, die vorläufig zur Erklärung der staxken Elektronenausbeute mittels einer erfindungsgemäßen Elektrode aufgestellt wurde, näher erläutert werden.

Die Prallelektrode besteht aus einem Aluminiumblech i, welches eine sehr dünne Schicht 2 von elektrolytisch unmittelbar darauf erzeugtem Aluminiumoxyd trägt. Es wurden Schichten benutzt, deren Dicke zwischen io-⁷ und 3 ·ΐο-⁵ cm schwankte. Bis jetzt wurden die besten Ergebnisse mit einer Stärke von io-⁷cm erzielt.

Eine solche oxydierte Aluminiumelektrode wird mit den anderen Elektroden in das Entladungsgefäß eingebaut, darauf wird die Röhre hoch evakuiert, und schließlich läßt man noch Natrium, Kalium oder vorzugsweise Cäsium hineindampfen.

Es wird so viel Alkalimetall eingelassen, daß sich gerade eine 1 Molekül dünne Schicht zur Sensibilisierung auf dem Aluminiumoxyd ausbilden kann. Die Schicht ist wahrscheinlich nicht zusammenhängend; es kann sein, daß sie aus einzelnen voneinander getrennten Metallmolekülen besteht, die durch das Aluminiumoxyd voneinander und von der metallischen Aluminiumunterlage isoliert sind. Zumindest ist die Schicht submikroskopisch, und es ist kaum möglich, mehr als Vermutungen über ihre genaue Natur zu äußern. - Es ist auch möglich, daß das Cäsium in die Oxydschicht bis zu einem gewissen Grade eindringt.

Die Prallelektrode kann, aber muß nicht, nach der Behandlung mit dem Alkalimetall noch induktiv geheizt werden. Ausgezeichnete Ergebnisse wurden erzielt, wenn man die Röhre ungefähr ι ο Minuten lang auf 200 C erhitzte und dann auf Zimmertemperatur abkühlen ließ. Nach dem Erkalten wird reiner Sauerstoff in die Röhre eingelassen, um mit dem Cäsium zu reagieren; man beläßt den Sauerstoff einige Zeit in der Röhre. Darauf wird die Röhre wieder so hoch evakuiert, daß betriebsmäßig keine Ionisation stattfinden kann. Wahrscheinlich wird das Alkalimetall, welches sich auf dem Aluminiumoxyd niedergeschlagen hat, oxydiert, wodurch die Fähigkeit der Elektrode, Sekundärelektronen auszusenden, verbessert wird. Es muß aber im Auge behalten werden, daß das Erhitzen der fio oxydierten Aluminiumelektrode und das Einführen von Sauerstoff auch ohne Hinzufügen des Alkalimetalls genügt, um eine Oberfläche herzustellen, die bedeutend ergiebiger ist als die bisher bekannten Oberflächen. Sie ist allerdings nicht so ergiebig wie eine Oberfläche, die aus oxydiertem Alkalimetall auf einer Aluminiumoxydunterlage besteht.

Aus dem Vorhergehenden könnte geschlossen werden, daß jede Elektrode in der Röhre, in der sie gebraucht wird, gesondert behandelt 7» werden müßte. Das ist jedoch nicht der Fall; vielmehr wurde festgestellt, daß es durchaus angängig ist, Aluminiumbleche zu oxydieren und nach dem oben beschriebenen Verfahren zu sensibilisieren und dann erst das Blech in eine Anzahl von Elektroden zu zerschneiden.

Im Betrieb legt man z. B. an die Prallelektrode eine positive Spannung von 700 Volt gegen die Primärelektronenquelle an und bringt die Ausgangselektrode auf eine um weitere 17 5 Volt höhere Spannung.

Zur Zeit ist es noch unmöglich, eine genaue Theorie der Wirkungsweise einer erfindungsgemäßen Elektrode zu geben. Es besteht im Augenblick jedoch der Eindruck, daß die reiche Elektronenemission sich zusammensetzt aus einer Sekundäremission im üblichen Sinne und aus einer Emission von Elektronen aus der Oberfläche des metallischen Aluminiums und der Aluminiumoxydschicht unter dem Einfluß der elektrostatischen Kräfte, die die auf der obersten Schicht angesammelten Ladungen ausüben. Es wird also angenommen, daß beim Einfallen von Primärelektronen 4 an der vorhandenen Oberfläche eine gewisse Anzahl von Sekundärelektronen 5 frei gemacht wird. Diese Elektronen werden zur Ausgangselektrode 3 hinübergezogen und hinterlassen auf der Alumiiiiumoxydschicht eine ioo positive Ladung. Wegen des hohen Widerstandes des Aluminiumoxydhäutchens verschwindet die positive Ladung nicht sofort. Läßt man Primärelektronen längere Zeit hindurch auf die Oberfläche auffallen, dann wird die positive Ladung so groß, daß eine außerordentlich große Zahl von zusätzlichen Elektronen 6, wie vermutet wird, sowohl aus der Aluminiumoxydschicht als auch aus der Aluminiumunterlage herausgezogen wird. no

Auf Grund dieser Theorie ist es möglich, die verschiedenen Seiten dieses Phänomens zu erklären, nämlich:

1. Die Primärelektronen müssen eine gewisse Zeit auf die Elektrode auf treffen, ehe die Emission den höchsten Wert erreicht. Dies hängt wahrscheinlich damit zusammen, daß sich die positive Ladung erst aufbauen muß.

2. Die Emission bleibt auch nach Fort- »ao nähme des Primärelektronenstrahles noch länere Zeit bestehen. Das beruht vermutlich

darauf, daß der hohe Widerstand der dünnen Isolierschicht verhindert, daß die positive Ladung sofort neutralisiert wird. Es muß hier darauf hingewiesen werden, daß offenbar die herausgezogenen Elektronen keimen großen Beitrag zur Neutralisation der positiven Oberflächenladung-liefern. Wahrscheinlich schießen die Elektronen genau so durch die positive OberfLächenladung· hindurch, wie durch ίο ein Gitter in einer Verstärkerröhre.

3. Eine Zunahme der Spannung an der Ausgangselektrode 3 verursacht ein schnelles Ansteigen des zu ihr übergehenden Elektronenstromes. Dies kann dadurch bedingt sein, daß ein höheres Potential an der Ausgangselektrode auch eine höhere Ladung an der Oberfläche der Elektrode nach der Erfindung hervorruft.

4. Läßt man Licht auf die Oberfläche fallen, während auch der Primär elektronenstrahl auffällt, dann nimmt die Menge der zur Ausgangselektrode 3 übergehenden Elektronen ab. Vermutlich beruht dies auf einer Abnahme des Widerstandes der Aluminiumoxydschicht und auf der daraus folgenden Abnahme der Oberflächenladung. Diese Erklärung ist aber eine reine Annahme und wurde experimentell noch nicht geprüft. Licht, das nach dem Abschalten des Primärelektronenstrahles auf die Oberfläche fällt, ruft einen noch schnelleren Abfall der Emission hervor. Auch dies wird mit der lichtelektrischen Leitfähigkeit der Oxydschicht erklärt. Unterbricht man den Elektronenstrahl und schaltet die an der Ausgangselektrode liegende Spannung zu irgendeinem darauffolgenden Zeitpunkt für einen Augenblick aus, dann stellt man beim neuerlichen Einschalten dieser Spannung fest, daß die Emission der Elektrode nach der Erfindung fast auf Null abgenommen hat. Öffnet man den Kreis aber nicht, dann hätte die Emission ihren hohen Wert beibehalten. Offenbar hat das Öffnen des Kreises und das daraus folgende Fortnehmen des Ausgangselektrodenpotentials zur Folge, daß die normalerweise durch die positive Oberflächenschicht in den Außenraum gelangenden Elektronen nun zur Oberflächenschicht gehen und sie neutralisieren.

So Man hat ein Bestebenbleiben der Elektronenemission nach der Fortnahme des Primärelektronenstrahls noch nach 24 Stunden festgestellt. Die höchste Zahl für das Verhältnis von herausgelösten Elektronen zu den Primärelektronen, welche bis jetzt festgestellt wurde, lag etwa bei 3000.

Auf Grund der vorstehenden Beschreibung ist nun auch klar, weshalb das Einführen von Cäsium mit folgender Oxydation eine stark vergrößerte Elektronenemission verursacht gegenüber dem Fall einer unbehandelten Aluminiumoxydoberfläche. Diese Auslösung von Sekundärelektronen ist bei der oxydierten Cäsiumschicht auf einer Aluminiumoxydunterlage zweifellos viel größer als bei einer reinen Aluminiumoxydoberfläche. Infolgedessen wird durch ein ankommendes Primärelektron eine mit Cäsium behandelte Oberfläche auf ein höheres positives Potential aufgeladen als eine unbehandelte, was eine reichlichere Elektronenemission in Gestalt von Feldelektronen zur Folge hat.

Die erfindungsgemäße Elektrode läßt sich auch in Gleichrichtern verwenden, bei denen eine ergiebige und unveränderliche Elektro nenquelle erwünscht ist.

Eine weitere Anwendung kann die Erfindung auf dem Fernsehgebiet finden. Besonders in Verbindung mit den Mosaikschirmen, wie sie bei Kathodenstrahlsenderöhren zur Umwandlung eines optischen Bildes in einen Zug von elektrischen Impulsen benutzt werden. Man könnte die bei solchen Schirmen bis jetzt benutzten Silberpartikel durch erfindungsgemäß behandelte Aluminiumpartikel er- ⁸S setzen. Die Aluminiumpartikel lassen sich dann mit einem feinen Lichtpunkt abtasten, während heute statt dessen gewöhnlich ein Kathodenstrahl benutzt wird.

Es ist zwar gesagt worden, daß Vorzugsweise elektrolytisch oxydiertes Aluminium als Elektrodenmaterial benutzt wurde. Das heißt aber nicht, daß die Erfindung darauf beschränkt ist; denn tatsächlich kann das Aluminium auch nach anderen Verfahren oxy- ^9S diert sein. Man fand ferner, daß auch Beryllium, Magnesium und Silicium reichlich Sekundärelektronen bei Aufprall von Primärelektronen abgeben, wenn sie mit einer sensibüisierten isolierenden Schicht ihres jeweiligen Oxydes versehen werden. Immerhin ist die Emission nicht so befriedigend wie - bei Aluminiumoberflächen. Schließlich zeigt auch eine auf einer leitenden Oberfläche aufgebrachte und sensibilisierte Schicht aus Zinksilicat den gleichen Effekt.

Claims (6)

1. Patentansprüche:

   ι . Sekundäremissionsfähige Elektrode, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus einer ^tI0 mit einer sehr dünnen, hochisoliereiiden Schicht von etwa 10-" bis 3 · 10-⁵ cm Dicke überzogenen Metallunterlage aus Aluminium, Magnesium, Beryllium oder Silicium besteht. ^u
2. 2. Sekundäremissionsfähige Elektrode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der hochisolierende Überzug aus Ziriksilicat oder dem vorzugsweise auf elektrolytischem Wege erzeugten Oxyd der Metallunterlage besteht.
3. 3.- Sekundäremissionsfähige Elektrode

   nach Anspruch ι, dadurch gekennzeichnet, daß auf den hochisolierenden Überzug eine ι Molekül dicke, später zu oxydierende Schicht eines Alkalimetalls, vorzugsweise Cäsium, aufgebracht ist.
4. 4. Verfahren zur Herstellung einer sekundäremissionsfähigen Elektrode nach Anspruch 1 oder 2. dadurch gekennzeichnet, daß die Metallunterlage mit dem hochisolierenden Überzug und einer darauf niedergeschlagenen Alkalimetallschicht etwa ι ο Minuten auf 200° C erhitzt und nach Abkühlung reinem Sauerstoff ausgesetzt wird.
5. 5. Verfahren zur Herstellung einer sekundäremissionsfähigen Elektrode nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine für mehrere Elektroden ausreichende Metallplatte sensibilisiert und nach Fertigstellung zerschnitten wird.
6. 6. Sekundäremissionsfähige Elektrode nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß sie als Mosaikschirm für Fernsehsenderöhren ausgebildet ist.

   Hierzu ι Blatt Zeichnungen

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