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Einrichtung zur Erzeugung eines Strahles von positiven Ionen oder
von Elektronen Für zahlreiche Apparate benötigt man einen Ionen- oder Elektronenstrahl
großer Intensität. So wird beispielsweise für Röntgenröhren ein Elektronenstrahl
großer Intensität gebraucht; für Atomkernzertrümmerungsanlagen und Neutronenquellen
braucht man hingegen einen Ionenstrahl großer Intensität. Bei den meisten. Anordnungen
dieser Art werden die Ionen, und Elektronen in einem Raum von verhältnismäßig hohem
Druck durch eine Gasentladung erzeugt. Dieser Raum verhältnismäßig hohen Drucks
steht durch einen Kanal oder eine Blende mit einem Raum niedrigeren Drucks in Verbindung,
in dem die Ionen- oder Elektronenstrahlen unter Umständen erst nach abermaliger.
Beschleunigung verwendet werden. Bei Elektronenstrahlen befindet sich der Kanal
oder die Blende in der Anode, bei Ionenstrahlen in der Kathode. Zur Aufrechterhaltung
des Drucks in dem Raum höheren Drucks wird in diesen dauernd Gas eingeführt, während
aus dem Raum niedrigeren Druck das Gas dauernd abgepumpt wird; denn in diesem Raum;
darf der Druck einen bestimmten maximalen Wert nicht überschreiten. Bei den Anordnungen
mit
Nachbeschleunigung ist dieser maximale Druck dadurch bestimmt,
daß keine selbständige Entladung in dem N achbeschleunigungsraum auftritt. Bei den
Anordnungen für Abbildungszwecke ist er dadurch bestimmt, daß die durch den Gasgehalt
verursachte Streuung des Strahls die Schärfe der Abbildung gerade nicht stört. In
allen diesen Anordnungen strömt also dauernd Gas von dem Raum höheren Drucks in
den Raum niedrigeren Drucks. Wenn in dem Raum höheren Drucks eine Gasentladung unterhalten
wird, treten die Ionen bzw. Elektronen durch den Kanal in Form eines Strahls in
den Raum niedrigeren Drucks ein.
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Bei dieser Form der Entladung erhält der größere Teil der Ladungsträger
eine der vollen Röhrenspannung entsprechende Geschwindigkeit. Es ist ferner die
Raumladungsdichte, insbesondere in der Nähe der Kathode, relativ klein. Der stationäre
Betrieb der Entladung beruht darauf, daß die relativ schnellen Ionen, die auf die
Kathode auftreffen, dort Elektronen auslösen und die Elektronen ihrerseits wieder
im Gasraum durch Zusammenstoß mit Atomen oder Molekülen Ionen erzeugen. Dabei wird
im Mittel von jedem Elektron weniger als i Ion erzeugt. Diese Art der Entladung
ist ferner dadurch gekennzeichnet, daß die Ionen- und Elektronendichte längs der
Achse der Entladungsbahn am größten ist und nach dem Rande sehr stark. abnimmt.
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Wenn man daher z. B. die in dem Raum höheren Drucks erzeugten Ionen
in den Raum niedrigeren Drucks austreten lassen will, so ist es notwendig, in der
Kathode eine Öffnung in Achsrichtung der Entladungsbahn anzubringen. Die positiven
Ionen, die nicht durch diesen Kanal austreten, sondern auf die Kathode auftreffen,
treffen bei dieser Anordnung bevorzugt auf das die Öffnung umgebende Gebiet der
Kathode auf. In dieser Zone findet daher in erster Linie die Elektronenauslösung
durch das Aufprallen positiver Ionen statt.
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Bei einer Anordnung mit gegebener Pumpgeschwindigkeit darf wegen des
maximalen Drucks, der im Raum niedrigeren Drucks nicht überschritten werden darf,
höchstens eine ganz bestimmte Gasmenge von dem Rauem höheren Drucks in den Raum
niedrigeren Drucks in der Zeiteinheit strömen. Ist der Druck im Raum höheren Drucks
z. B. durch die Art der Entladung gegeben, so muß man die Größe des Kanals, d. h.
seinen Durchflußwiderstand, so wählen, daß der maximale Druck im Raum niedrigeren
Drucks nicht überschritten wird. Durch die Größe des Kanals wird aber auch zugleich
die Größe des durchgehenden Ionen- bzw. Elektronenstroms b°-grenzt. Es hat sich
nun gezeigt, daß man im Raum niedrigeren Drucks dann die größten Elektronen- bzw.
Ionenstrahlenintensität erhält, wenn man die Gasentladung bei möglichst geringem
Druck brennen läßt, da man dann die Weite des Kanals größer bzw. seine Länge kürzer
wählen kann als bei einer Entladung mit höherem Druck. Es hat sich weiter gezeigt,
daß bei gegebener Stromstärke und gegebener Form des Entladungsgefäßes der Druck,
bei dem die Entladung betrieben «-erden kann, im wesentlichen durch das Material
der Kathode bestimmt ist. Je größer die Elektronenemission des Kathodenmaterials
pro auftreffendem Ion ist, bei um so kleinerem Druck brennt die Entladung unter
sonst gleichen Bedingungen.
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Zur Erzielung einer starken Elektronenemission unter dem Einfluß auftreffender
positiver Ionen ist es notwendig, die Kathode an der Stelle, die dem auftreffenden
Ionenstrom bevorzugt ausgesetzt ist, aus einem hierfür besonders geeigneten Werkstoff
herzustellen. Da die Kathode durch den auftreffenden Ionenstrom sehr stark erhitzt
wird, ist es oft notwendig, sie zu kühlen oder einen @V'erkstoff zu wählen, der
eine hohe thermische Beanspruchung aushält. Die Kühlung ist in einfacher Weise nur
dann durchzuführen, wenn die Kathode zugleich einen Teil der Gefäßwand bildet; in
diesem Fall kommen also für die Herstellung der Kathoden nur Werkstoffe in Frage,
die erstens einwandfrei vakuumdicht sind und sich mit den übrigen Teilen der Gefäßwand
vakuumdicht verbinden lassen. Es scheiden daher aus der Reihe der für die Kathode
an sich vorteilhaften Werkstoffe wegen dieser zusätzlichen Forderung eine große
Anzahl aus. Die Gefäßwand ließe sich beispielsweise sehr gut aus Eisen herstellen,
das jedoch verhältnismäßig wenig Elektronen unter dem Einfluß auftreffender positiver
Ionen aussendet. In dieser Hinsicht verhält sich Aluminium, Magnesium, Beryllium
sehr viel günstiger. Aus diesen ZVerkstoffen lassen sich jedoch nur schwer Wandungsteile
für thermisch hochbeanspruchte Entladungsgefäße herstellen.
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Es hat sich nun gezeigt, daß bei einer Einrichtung zur Erzeugung eines
Strahls von positiven Ionen oder von Elektronen, bei der zunächst in einem Gasentladungsraum,
dessen Kathode aus einem Elektronen emittierenden Stoff besteht, positive Ionen
und Elektronen erzeugt werden und bei der aus dem Gasentladungsra.um der Strahl
von positiven Ionen oder von Elektronen austritt, erfindungsgemäß nur der Teil dieser
Kathode oder seine dem Gasentladungsraum zugekehrte Oberflächenschicht, der den
auftreffenden positiven Ionen der Gasentladung bevorzugt ausgesetzt ist, aus einem
Werkstoff hergestellt ist, der
unter dem Einfluß auftreffender positiver
Ionen der Gasentladung je auftreffendes Ion mehr Elektronen aussendet als die übrige
Kathode des Gasentladungsraumes bz.w. deren Oberflächenschicht. Es hat sich als
besonders zweckmäßig erwiesen, die Kathode und gegebenenfalls auch die übrige Gefäßwand
zum größten. Teil aus Eisen, herzustellen und einen Aluminiumkörper in diese Kathode
nur an der Stelle einzusetzen, an der die positiven Ionen bevorzugt aufprallen und
dadurch Elektronen erzeugen. Wenn es sich darum handelt, einen Strahl positiver
Ionen zu erzeugen, empfiehlt es sich im allgemeinen, die Anordnung so zu treffen,
daß der stark Elektronen emittierende Werkstoff den zum Austritt des Ionenstrahls
dienenden Kanal ringförmig umgibt.
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Die Beschränkung des stark Elektronen emittierenden Werkstoffs auf
einen Teil der Kathode hat zudem den Vorteil, daß infolge der örtlich bevorzugten
Erzeugung von Elektronen eine zusätzliche Konzentrationswirkung eintritt. Diese
Maßnahme unterstützt also die zur Konzentrierumg des Ladungsträgerstrahls vorgesehene
Einrichtung. Die Konzentrierung wird beispielsweise durch eine entsprechende Formgebung
der Elektroden bewirkt.
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Es hat sich gezeigt, daß die Elektronenemission .unter dem Einfluß
positiver Ionen besonders groß ist, wenn diese unter einem möglichst geringen Winkel
auf die Oberfläche der Kathode auftreffen. Es bietet daher in manchen Fällen Vorteile,
die Kathode an der Stelle, an der die positiven Ionen bevorzugt auftreffen, so auszubilden,
daß die Ionen unter einem Winkel, der kleiner ist als go°, wenn möglich streifend
auftreffen. Dieser Teil der Kathode wird zu diesem Zweck beispielsweise als Hohlkonus
ausgebildet, dessen größte Öffnung an der Eintrittsstelle des Ionenstrahls ist.
Die Mantellinie dieses Konus wird in der Regel nicht einte Gerade sein müssen. Bei
der Formgebung dieses Teils der Kathode ist zu berücksichtigen, daß ;sie auf die
Konzentration des Ladungsträ.gerstrahls einen wesentlichen Einfluß hat. Es kann
also nicht nur auf den Winkel, den die auftreffenden Ionen mit der Kathodenoberfläche
bilden, Rücksicht genommen werden. Wenn es sich darum handelt, einen Strahl positiver
Ionen zu erzielen, empfiehlt es sich, zum mindesten den Eingang des Kanals, aus
dem die positiven Ionen, in dem. Raum niedrigeren-Drucks austreten, konisch auszubilden,
derart, daß die, größte Öffnung an der Seite des Raumes höheren Drucks sich befindet.
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Bei Ionenstrahlen großer Konzentration und Geschwindigkeit besteht
die Gefahr, daß die Wandung des Kanals durch auftreffende Ionen angegriffen wird.
Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, zum Schutz gegen diesen Angriff die Kanalwand
selbst aus einem widerstandsfähigen Werkstoff, beispielsweise aus Molybdän oder
Tantal, herzustellen. Die Elektronenemission der Kathode unter dem Einfluß auftreffender
Ionen wird dadurch nur unwesentlich vermindert, da nur der dem Raum höheren Drucks
zugekehrte Rand des Einsatzes aus widerstandsfähigem Werkstoff eine geringfügige
Verminderung der Elektronenemission zur Folge hat. Es ist aus diesem Grunde unter
Umständen zweckmäßig, die Wandstärke des Einsatzes an der dem Raum höheren Drucks
zugekehrten Seite geringer zu wählen als an der entgegengesetzten Seite.
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Die Abbildungen zeigen in zum Teil schematischer Darstellung Ausführungsbeispiele
der Erfindung. Der Raum höheren. Drucks i, der mit dem Raum niedrigeren Drucks z
durch den Kanal 3 verbunden ist, enthält die Anode d und die Kathode 5. Diese ist
mit dem Zylinder 6 vakuumdicht verbunden. Die Anode und die Kathode sind durch den
ringförmigen Isolator 7 voneinander getrennt. Die Gaszufuhr erfolgt durch das Rohr
B. Der im Raum höheren Drucks gebildete Strahl positiver Ionen. g tritt durch den
Kanal 3 in den Raun niedrigeren Drucks ein. In diesem wird er durch das Feld zwischen
der Kathode 5 und der Elektrode io beschleunigt. Er trifft auf den Auffänger i i
auf und dient dort beispielsweise zur Erzeugung von Neutronen. Der niedrige Druck
wird in dem Raum :2 durch die bei 12 angeschlossene Hochvakuumpumpe trotz des bei
8 dauernd zugeführten Gases aufrechterhalten.
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Für die Bildung des Ionenstrahls g ist in erster Linie der mittlere
Teil der Kathode 5 von Bedeutung. Dieser Teil ist daher bei vorliegender Einrichtung
aus einem Werkstöff hergestellt, der unter dem Einfluß auftreffender Ionen bevorzugt
Elektronen aussendet. Bei dem Ausführungsbeispiel ist deshalb in der Mitte ein Einsatz
13 vorgesehen, der den Kanal 3 zum Austritt des Ionenstrahls enthält. Der übrige
Teil der Kathode ist aus einem Werkstoff hergestellt, der in geringerem Maße unter
dem Einfluß der auftreffenden Ionen Elektronen aussendet und der sich gut vakuumdicht
mit dem die Gefäßwand bildenden Teil 6 verbinden läßt. Der Einsatz 13 kann beispielsweise
von unten im Bedarfsfall ausgewechselt werden.
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Abb. z zeigt als weiteres Ausführungsbeispiel eine Kathode 1q., die
ganz aus einem unter dem Aufprall von positiven Ionen verhältnismäßig wenig Elektronen
aussendenden Werkstoff hergestellt ist, der sich mit dem Wandungsteil 6 vakuumdicht
verbinden läßt.
Die dem Ionenaufprall bevorzugt ausgesetzte Mittelzone
des Kathodenkörpers 14 ist mit einer Oberflächenschicht 15 versehen, die unter dem
Einfluß auftreffender positiver Ionen stärker als der umgebende Teil der Kathode
Elektronen aussendet. Bei den in Abb. 1 und 2 dargestellten Einrichtungen ist es
unter Umständen zweckmäßig, die Wandung des Kanals 3 aus einem Werkstoff hoher Widerstandsfähigkeit
gegen auftreffende Ionen, vorzugsweise Molybdän oder Tantal, herzustellen. In den
Abb. 1 und a ist dieser im allgemeinen nur verhältnismäßig dünnwandige Teil der
Kathode mit 26 bezeichnet.
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Abb.3 zeigt als weiteres Ausführungsbeispiel einen Teil eines Entladungsrohrs,
das zur Erzeugung eines Elektronenstrahls dient. In dem Raum hohen Drucks 16, der
durch eine Bohrung 24 in der Anode ig mit dein Raum 17 niedrigeren Drucks in Verbindung
steht, befindet sich die Kathode 18, die von der Anode ig durch den Isolator 2o
getrennt ist. Die positiven Ionen, die auf die Kathode 18 auftreffen, lösen aus
ihr Elektronen aus, die zum Teil als Elektronenstrahl durch die Bohrung 24 in den
Raum niedrigeren Drucks austreten. Der mittlere Teil der Kathode wird von den positiven
Ionen in erster Linie bevorzugt getroffen. Dieser Teil wird deshalb in der Einrichtung
der vorliegenden Art mit einer Oberflächenschicht 21 versehen, die in höherem Maße
als die Umgebung unter dem Einfluß aufprallender positiver Ionen Elektronen zu emittieren
imstande ist. Unter Umständen ist es zweckmäßig, nicht nur eine Oberflächenschicht
an dieser Stelle vorzusehen, sondern, wie in Abb. q. angedeutet, in die Kathode
22 ein mittleres Stück 23 aus einem solchen Werkstoff mit hoher Elektronenemission
einzusetzen. Der Elektronenstrahl25 geht in erster Linie von diesem mittleren Teil
der Kathode aus. Diese Einrichtung zur Erzeugung eines Elektronenstrahls kann beispielsweise
bei Elektronenstrahlröhren für Oszillographen, Elektronenmikroskope u. dgl. Verwendung
finden. In der Abb. 3 ist nur der für die Strahlenerzeugung wesentliche Teil dargestellt
und der Raum 17, in dem der Elektronenstrahl angewendet wird, nur angedeutet.