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Einrichtung zur Erzeugung eines oder mehrerer Elektronenstrahlbündel
ohne Gaskonzentration mittels Glühkathode Bei den verschiedensten Arten von Hochvakuumelektronenstrahlröhren,
wie Kathodenstrahloszillographen und Braunschen Röhren, zu Meßzwecken, ferner Röntgenröhren,
bei allen Röhren zur Bildzerlegung und Bilderzeugung, tritt immer wieder das gleiche
Problem auf, einem Kathodenstrahlbündel möglichst großer Leistung an irgendeiner
Stelle einen möglichst geringen Strahlquerschnitt zu geben. Um dies zu erreichen,
hat man bisher die Elektronenquelle selbst möglichst punktförmig ausgebildet und
sie durch eine Elektronensammeloptik (Spule, Elektroden oder Raumladung) im Nutzquerschnitt
abgebildet. Eine solche punktförmige Ausbildung der Elektronenquelle oder gegebenenfalls
die Bestrahlung einer 'kleinen Blende begrenzt natürlich den Strahlstrom in unerwünschter
Weise.
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Um auch den Strom einer großflächigen Kathode, also eines Elektronenstrahlbündels
großen Ausgangsquerschnitts in einem sehr kleinen Brennfleck sammeln zu können,
schlägt die Erfindung Systeme vor, bei denen eine als ebene oder gekrümmte Fläche
ausgebildete Kathode zusammenwirkt mit einer zum Durchlaß des Strahlenbündels etwa
siebartig ausgebildeten, entsprechend geformten parallelen, konzentrischen oder
gegebenenfalls koaxialen Anode sowie mit einer oder mehreren hinter der Anode angeordneten
Sammeloptiken. Die Elektroden haben eine gegenseitige feste Spannung, die e2n Vielfaches
der Austrittsspannung der Elektronen aus der Kathode sein muß. Die Strahlen treten
dann alle annähernd senkrecht aus der Gegenelektrode aus.
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Es ist bekannt, bei einer Hochvakuumröntgenröhre mit kalter Kathode
eine durchlöcherte Anode in kleinem Abstand von der Kathode anzuordnen, wobei die
Fläche der durchlöcherten Anode konzentrisch der Kathodenoberfläche ist. Die Anordnung
hat den Zweck, bei Anlegen der gewünschten Röhrenspannung ohne jedes weitere Hilfsmittel
Elektronen aus der Hohlspiegelfläche der Kathode herauszuholen und die Elektronenstrahlen
zu zentrieren.
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Es ist ferner bekannt, Glühkathodenröhren mit großflächigen, z. B.
aus Draht, kugelförmig gewundenen Kathoden herzustellen; derartige Röhren wurden
aber bisher nicht zur Erzeugung eines Elektronenstrahls verwendet, sondern lediglich
als Dreielektrodenröhren, in denen der Anodenstrom durch ein zwischengeschaltetes
Gitter veränderlicher Spannung gesteuert werden sollte. _ Die Erfindung bezweckt,
Großflächenglühkathoden in Elektronenstrahlröhren so auszugestalten, daß die von
ihr ausgehenden Elektronen ein bder mehrere Strahlenbündel von möglichst genau paralleler
odeer möglichst genau kegeliger Form bilden, dessen Intensität dem Strahlenbündel
einer punktförmigen Kathode überlegen ist.
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Zu dem Zweck werden erfindungsgemäß die Elektroden so ausgebildet
und angeordnet, daß eine als ebene oder gekrümmte Fläche ausgebildete Kathode einer
entsprechend geformten Anode (ebenen, konzentrischen oder
koaxialen
gegenübersteht, die als vielfach durchbrochene Fläche (Gitter, Netz oder vielfach
gelochtes Blech) ausgebildet ist, und daß hinter der Anode eine oder mehrere Sammele
optiken angeordnet sind, die das oder die Strahlenbündel in gegenüber der zugehörigen
Kathodenfläche sehr kleine Querschnitte sammeln.
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Die Kathoden- und Anodenflächen können dabei verschiedene Form haben.
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Bei ebener Ausbildung der Kathode kann durch die Sammeloptik das kleine
Bild des unendlich fernen Querschnittes des nach rückwärts verlängerten Strahlenbündels
erzeugt werden. Bei konzentrischen oder koaxialen Anordnungen, bei denen die Kathode
den kleineren Krümmungsradius hat, entwirft die Sammeloptik das Bild des kleinen
engsten Querschnittes des rückwärts verlängerten Strahlenbündels, so daß die Strahlen
von einem virtuellen Punkt ausgehen. Wenn dagegen die Kathode den größeren Kriinimungsradius
hat, könnte auch ohne dahintergeschaltete Sammeloptik ein reeller kleiner Strahlquerschnitt
im Krünimungsinittelpunkt entstehen. Es ist jedoch vorteilhaft, an diese Stelle
eine Blende zu setzen, die wiederum durch eine Sammeloptik. im -Nutzquerschnitt
abgebildet wird.
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In den Abbildungen ist das Wesen der Erfindung in einigen Ausführungsformen
dargestellt. Abb. i zeigt im Gegensatz zu Abb. 2 bis 12 eine bisher gebräuchliche
Form. In den schematischen Abb. i bis 12 sind etnitfierende Flächenteile (gestrichelt
gezeichnet) mit a., sonstige metallische Kathodenteile mit b, durchlässige,. von
Elektronen durchflogene Metallteile der Anode (punktiert gezeichnet) mit c und sonstige
metallische Anodenteile mit d bezeichnet. Linien mit einer Pfeilspitze bedeuten
elektrische Kraftlinien, solche finit Doppelpfeilspitze Randbahnen von Elektronen
der Nutzstrahlen. Abb. i -neigt, wie bei bisher gebräuchlichen Anordnungen die von
der Glühkathode (etwa einer flach gewickelten, geheizten Drahtspirale) ausgehenden
elektrischen Kraftlinien sich nach den Rändern der durchbohrten trichterförmigen
Anode zusammendrängen, so daß vor der Anodenöffnung ein kraftlinienarmer Raum entsteht,
welcher einer Ausbildung des Nutzstrahls in der erfindungsgemäß angestrebten Weise
abträglich ist. Abb. 2 zeigt, wie durch die Ausbildung der Anode als über die ganze
Fläche für Elektronen durchlässige, durchbrochene Metallteile der kraftlinienarme
Raum vor der Anodenöffnung der Abb. i durch gerade Kraftlinien erfüllt wird, die
bei der Ausbildung der Anode in Abb. z als eine die kugelkalottenförmige Kathode
konzentrisch umgebende Kugelfläche vom gemeinsamen Mittelpunkt der beiden Flächen
zu kommen scheinen. In Abb.3 hat im Gegensatz zu Abb. 2 die kugelförmige Kathodenfläche
den größeren Krümmungsradius, so daß die im wesentlichen geradlinigen Kraftlinien
zwischen Kathoden- und Anodenfläche hier nach dem hinter der Anodenfläche liegenden
gemeinsamen Mittelpunkt zusammenlaufen. In diesem Mittelpunkt schneiden sich aber
auch hier die Bewegungsbahnen der Strahlelektronen, so daß der Strahl an dieser
Stelle einen außerordentlich kleinen Ouerschtlitt hat. Durch Anbringung einer Blende
an dieser Stelle (Mittelpunktsblende) kann inan dein Strahlquerschnitt eine scharfe
Begrenzung geben, was in manchen Fällen erwünscht ist. Abb. q. zeigt nochmals die
Schaffung eines im wesentlichen aus geraden Kraftlinien bestehenden Beschleunigungsfeldes
vor der Anodenöffnung durch Ausbildung der Anoden als durchbrochene Metallteile,
jetzt aber mit parallel-ebener Ausführung von Kathodenanodenfläche, wodurch (las
elektrische Kraftlinienfeld homogen wird. Durch eine solche Anordnung soll ein paralleler
Verlauf des Nutzstrahls erzielt und damit die Uöglichl@eit geschaffen «-erden, d'cs('s
parallele Strahlenbündel durch eilte optisch wirkende Sammelvorrichtung in einein
Brennpunkt zu vereinigen.
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Abb. 5 zeigt für ein homogenes, Abb. 6 für ein konzentrisches Kraftlinienfeld,
wie durch Fortsetzen der Kathoden- und Anodenfläche über die emittierende Kathodenfläche
bzw. über die von Llektrorien durchflogene Anodenfläche hinaus auch noch die vorn
Rand der emittierenden Kathodenfläche ausgehenden bzw. die auf den Rand der von
Elektronen durchflogenen, durchbrochenen Anodenfläche zulaufenden Kraftlinien geradlinig
gemacht werden können. In den Abb. 2 bis q können diese Rltndkraftlinien noch nicht
geradlinig sein. Während in Abb. j die emittierende Kathodenfläche und. die elektronendurchlässige
Anodenfläche als Kreisscheibe bzw. in den Abb.6 und 7 als Kugelkalotten ausgebildet
sind, sind diese Flächen in Abb. S als Kugelkalotten bzw. in Abb. g als Ringflächen
ausgebildet. Abb. io zeigt Anodentragkörper mit verschieden geformten, radialen
Schlitzen. Abb. I I zeigt die Verbindung mehrerer emittierender Kathodenflächen
mit einer durchbrochenen Anodenfläche. Abb. i z zeigt die Verbindung zweier Glühkathodenröhren
irgendeiner der beschriebenen Arten zur Erzeugung eines gemeinsamen Nutzstrahlquerschnittes.
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Die Abb. i3a und id.a bzw. 131) und iqb zeigen eine Draufsicht
bzw. eine Seitenansicht von Ausführungsformen der Glühkathoden für die erfindungsgemäße
Anordnung.
In welcher Weise diese Kathoden z. B. aus Blech gestanzt
werden, zeigt Abb. 15 für eine Kreisringkathode und Abb. 16 für eine Kathode in
Form einer Doppelspirale, die für eine Kugelkalottenglühkathode gemäß Abb. 14.a,
14b Verwendung findet.
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Die Heizung der Kathode kann auch durch auf die Rückseite der Kathode
auftreffende Elektronen erfolgen. Diese Heizungsart ist zur Erreichung des durch
die Erfindung angestrebten, ungestörten homogenen bzw. konzentrischen Strahlverlaufs
förderlich, da anderenfalls unter Umständen die Magnetfelder der Heizströme ein
Abweichen von dein durch das elektrische Feld gegebenen Strahlverlauf verursachen.
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Es kann ferner eine der Anode flächengleiche Steuerelektrode vorgesehen
sein, wenn, wie z. B. bei Fernsehröhren, eine Helligkeitssteuerung erwünscht ist.
Die Steuerung erfolgt also durch Ändern eines-elektrischen Längsfeldes.
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Eine solche Intensitätssteuerung bewirkt keine Änderung in der geometrischen
Gestalt der Elektronenbahnen, so daß die Gestalt des Nutzstrahls und damit die Größe
des Nutzquerschnitts von der Steuerung unabhängig bleibt. Aus dein gleichen Grund
wird die Abhängigkeit des Stroms im Nutzstrahl von der Steuerspannung einfacher
und ebenso die Beziehung zwischen der Steuerspannung und der Stromdichte im Nutzquerschnitt.
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Die Erfindung ist im ganzen Bereich der technisch für derartige Zwecke
in Frage kommenden Spannungen verwendbar. Die Anwendbarkeit der Erfindung ist von
der Emissionsdichte sowie von der Art der Elektronenauslösung an der Kathode unabhängig.
Die Heizung der Glühkathode kann direkt durch Heizstrom, indirekt durch eine Heizspirale.
oder aber durch Aufprall von Elektronen auf die Kathodenfläche erfolgen.
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Eine weitere Anwendungsmöglichkeit der Erfindung ist die Wärmeerzeugung
innerhalb kleinster Räume durch Auftreffen des intensiven Strahls schneller Elektronen
und kleinsten Querschnittes auf die des zu erwärmenden Materials.