DE880461C - Elektronenstrahlerzeuger, insbesondere fuer Wanderfeldroehren mit magnetischem Querfeld - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Einrichtungen zur Bündelung von Elektronenstrahlen bei Vorhandensein eines zu den Ebenen der Elektronenbahnen senkrecht verlaufenden Magnetfeldes und unter der Annahme einer durch die Raumladung begrenzten Emission der Kathode.

Solche Strahlen werden beispielsweise in Wanderfeldröhren mit magnetischem Querfeld verwendet. Bei diesen Röhren kommt es nämlich darauf an, Elektronenstrahlen von geringer Dicke zu erzielen, welche einen kräftigen Strom zwischen zwei auf verschiedenen Potentialen gehaltenen Leiterflächen übertragen, wobei der Strahl durch die Anwesenheit eines gleichförmigen Magnetfeldes stabilisiert wird, welches zu diesen Flächen parallel und zu dem Strahl senkrecht verläuft.

Gegenstand der Erfindung ist ein Elektronenstrahlerzeuger, der solche Strahlen aus einer breiten Äquipotentialkathode bei Anwesenheit eines gleichförmigen Magnetfeldes erzeugen kann. Man hat schon Einrichtungen ausgebildet, welche in den Wechselwirkungsraum einer Wanderfeldröhre Strahlen richten können, die einen sehr geringen Strom übertragen; bei der Berechnung dieser Einrichtungen wurden die Wirkungen der Raumladung nicht berücksichtigt.

Die Erfindung bezieht sich auf Einrichtungen dieser Art, welche jedoch für sehr kräftige Strahlen berechnet wurden, und zwar unter Berücksichtigung der Raumladung. Diese Raumladung spielt in der Tat eine um so größere Rolle, je höher die Elektronendichte ist. Wenn man die Elektronenemission durch Raumladungswirkungen beschränkt, macht man sie außer-

dem stabiler, und der Schottky-Effekt wird herabgesetzt, ■ "

Ein derartiger Elektronenstrahlerzeuger kann, ausgehend von der Untersuchung der ebenen Diode mit Magnetfeld, durch ein Verfahren bestimmt werden, welches demjenigen entspricht, das Pierce für die Diode benutzt hat (vgl. Pierce, »Rectiline as electron flow in beams«, Journal of Physics 1940, Bd. 9, Nr. 8, S. 548 bis 555).

Eine derartige Diode wird durch zwei unbegrenzte leitende Ebenen gebildet, von denen die eine emittiert und die Rolle einer auf dem Potential 0 gehaltenen Kathode spielt, während die andere die Rolle einer auf dem Potential F₀ gehaltenen Anode spielt. Bei Abwesenheit eines magnetischen Feldes gehen die von der ebenen Kathode emittierten Elektronen von der Kathode zu der Anode. Legt man ein gleichförmiges Magnetfeld an, dessen Kraftlinien zu den beiden Ebenen parallel ■ sind, so zeigt die Rechnung, daß, wenn das Feld zunimmt, die Bahnen sich krümmen, um bei einem bestimmten Wert des Feldes die Anode zu tangieren; bei weiter zunehmendem Feld nähern sich die Bahnen mehr und mehr der Ebene der Kathode, wobei sie weiterhin ein und dieselbe Ebene, die sogenannte Konvergenzebene, tangieren und bei der Berührung mit dieser Ebene einen Wendepunkt aufweisen. In der Nähe dieser Ebene besteht eine sehr große Stromdichte.

Nach dem Grundgedanken der Erfindung wird der Strahl, der bisher als unbegrenzt angenommen wurde, durch zwei seiner Bahnen, die als äußerste Bahnen betrachtet werden, begrenzt und ein Elektronenstrahlerzeuger ausgebildet, welcher die gleiche Wirkung ergibt wie die beiden unbegrenzten weggefallenen Strahlteile, so daß der Strahlerzeuger die gleiche Wirkung ergibt wie eine Quelle eines unbegrenzten Strahls. Anders ausgedrückt, durch die Erfindung wird ein Strahlerzeuger geschaffen; welcher in 'der Nähe der Strahlränder eine Verteilung des Feldes und des Potentials hervorruft, die mit derjenigen übereinstimmt, welche sich bei unbegrenzten Strahlen einstellen würde.

Zu diesem Zweck bestimmt man gemäß der Erfindung die Form der ÄquipotentiaUinien längs der Bahn, die man als Grenzbahn gewählt hat, durch Rechnung oder durch die als elektrolytische Wanne bekannte Versuchsanordnung, und man verwirklicht eine veränderliche und zweckentsprechend gewählte Anzahl dieser Äquipotentiallinien mit Hilfe von aus einem unmagnetischen Metall hergestellten Flächen, so daß diese Flächen sich der Form dieser ÄquipotentiaUinien anschmiegen.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung an Hand der Zeichnung. In der Zeichnung zeigt

Fig. ι eine ebene Diode mit Magnetfeld im Schnitt nach einer zu dem Vektor des magnetischen Feldes senkrecht verlaufenden Ebene mit der allgemeinen Form des Elektronenstrahls,

Fig. 2 einen Längsschnitt der allgemeinen Form der Elektronenstrahlerzeuger gemäß der Erfindung,

Fig. 3 den Längsschnitt eines Ausführungsbeispiels einer Wanderfeldröhre mit magnetischem Querfeld von ebener Form mit einem Elektronenstrahlerzeuger gemäß der Erfindung,

Fig. 4 dieselbe Röhre im Schnitt nach einer senkrecht zu Fig. 3 verlaufenden Ebene,

Fig. 5 den Grundriß einer Ausführung eines erfindungsgemäßen Elektronenstrahlerzeugers für eine Wanderfeldröhre mit magnetischem Querfeld in Kreisform.

In Fig. ι bezeichnet 1 die in der Zeichenebene liegende Spur der auf dem Potential 0 gehaltenen leitenden Ebene, die mit einer emittierenden Fläche bedeckt ist und die Rolle der Kathode spielt. Dementsprechend bezeichnet 2 die auf dem Potential F₀ gehaltene leitende Ebene, welche die Rolle der Anode spielt. 3 und 4 bezeichnen zwei Bahnen des Strahls, während 5 die sogenannte Konvergenzebene ist.

Der Gang der Berechnung, welcher zur Ausbildung des erfindungsgemäßen Strahlerzeugers geführt hat, ist der folgende: Zunächst sei bemerkt, und es läßt sich durch die Rechnung zeigen, daß, wenn man in eine ebene Diode nach Fig. 1 ein gleichförmiges Magnetfeld B mit zu den beiden leitenden Ebenen parallelen Kraftlinien einführt und dieses Feld von dem Wert Null anwachsen läßt, die Elektronenbahnen sich krümmen und bei einem bestimmten Wert dieses Feldes die Anode tangieren, was der Sperrgrenze des ebenen Magnetrons entspricht. Bei weiterem Anwachsen der Feldstärke nähern sich die Elektronenbahnen immer mehr der Kathode, wobei sie weiterhin ein und dieselbe Ebene, die sogenannte Konvergenzebene, tangieren und an der Berührung dieser Ebene einen Wendepunkt aufweisen. Diese Ebene liegt um so näher an der Kathode, je stärker das magnetische Feld ist. Die Gleichungen der Elektronenbahnen bis zur Konvergenzebene werden dann nach der Berechnungsweise ausgedrückt, die von Brillonin angegeben wurde (vgl. »Physical Review«, Sept. 1941, S. 385). Diese Berechnung ist für einen unbegrenzten Strahl gültig und liefert die Bahnen in einem System von besonderen Koordinaten.

' Die Erfindung betrifft einen Elektronenstrahlerzeuger, der so ausgebildet ist, daß, wenn man den Elektronenstrahl auf den zwischen zwei Bahnen gelegenen Teil begrenzt, der Wegfall der unbegrenzten, außerhalb dieser Bahnen gelegenen Teile die Form der verbleibenden Bahnen nicht verändert, und zwar auf Grund der Mitwirkung dieses Strahlerzeugers. Um dies zu erreichen, muß der Strahlerzeuger ein System von elektrischen Feldern in der Weise hervorbringen, daß die Komponenten der elektrischen Felder und die Potentiale längs der Elektronenbahnen unverändert bleiben, obwohl die Wirkung dieses Strahlerzeugers an Stelle der Wirkung der weggefallenen unbegrenzten Teile des 'Strahls tritt. Dies muß insbesondere bei den äußersten Bahnen des Strahls zutreffen.

Das Problem führt dazu, daß ein Potential so bestimmt werden muß, daß es außerhalb des Strahls der Laplaceschen Gleichung AV = 0 genügt und an den Rändern des Strahls einen solchen Wert annimmt, daß das Potential selbst und sein Gradient in der zu der äußersten Bahn normalen Richtung denselben Wert annehmen wie das Potential und das

normale Feld innerhalb des Strahls und an dieser äui3ersten Bahn. Dieses Problem ist ein Sonderfall eines Problems, welches von Cauchy gelöst wurde und darin besteht, daß in der Nähe eines Punktes eines Randes eine Lösung F für die Laplacesche Gleichung AV = ο zu suchen ist, wenn man gleichzeitig die Werte von F und eine ihrer Ableitungen auf dem Rand kennt. Es sind Lösungen möglich, welche durch Rechnung in angenäherter Form zu erhalten ίο sind. Mit Hilfe der elektronischen Wanne kann man leicht die genaue Form der Äquipotentiallinien außerhalb und in der Nähe des Strahls ermitteln. Nach dem Grundgedanken der Erfindung werden diese Äquipotentiallinien durch Flächen aus einem unmagnetischen Metall verwirklicht und auf ein passendes Potential gebracht.

Fig. 2 zeigt im Längsschnitt eine Ausführungsform eines gemäß der Erfindung ausgebildeten Elektronenstrahlerzeugers. 21 ist eine auf das Potential V_c gebrachte Emissionskathode, während 22 eine auf dem Kathodenpotential gehaltene Elektrode ist, welche als Wehnelt-Elektrode dient. In dem in der Nähe der Kathode gelegenen Bereich unterliegt die Elektronen-Strömung einem besonderen Gesetz. Wegen der geringen Geschwindigkeit der Elektronen ist die Wirkung des magnetischen Ouerfeldes wenig merklich. Aus diesem Grunde bildet diese Elektrode einen Winkel von 67,5° mit dem Strahl, einen Winkel, der von Pierce für eine ebene Diode ohne Magnetfeld gefanden wurde, was sich im Hinblick auf den obenerwähnten Umstand leicht erklärt. Es ist ferner zu bemerken, daß die Kathode sich nicht auf dem Potential 0, sondern auf einem negativen Potential V_c befindet.

Die Elektronen treten, nachdem sie diesen Bereich in der Nähe der Kathode verlassen haben, in einen Bereich ein, wo die Wirkung des magnetischen Feldes merklich ist; dieser Bereich würde dem Wechselwirkungsraum einer Wanderfeldröhre entsprechen. 23 ist die auf das Potential 0 gebrachte Elektrode. Diese Elektrode nimmt in der Nähe des Strahls die Form einer Äquipotentiallinie an, eine Lösung des Problems von Cauchy, setzt sich dann in der ebenen Bodenfläche 31 fort und geht in die auf das Potential 0 gebrachte leitende Ebene der Fig. 1 über, um den erforderlichen Übergang zwischen den beiden Betriebsbereichen mit verschiedener Strömung zu schaffen. 24 bezeichnet eine weitere Elektrode, die auf ein positives Potential F₂ gebracht ist. 25 bezeichnet den Elektronenstrahl. Der erforderliche Übergang wird ebenfalls durch die Form der auf das Potential F₀ gebrachten Platte 27 erreicht. Ihr Ende 30 ist nämlich in dem Bereich des eigentlichen Strahlerzeugers erhöht, wo sie sich noch der Form einer Äquipotentiallinie nach der Problemlösung von Cauchy anschmiegt. Der Teil 30 schließt sich etwa an die Elektrode 28 an, welche auf das Potential F₁ angenähert an, jedoch kleiner als F₀ gebracht ist und in einem gekrümmten Teil 29 endigt. Fig. 2 zeigt die Form des Elektronenstrahls 25, der sich in der Nähe der Konvergenzebene konzentriert.

Fig. 3 zeigt im Schnitt ein Ausführungsbeispiel einer ebenen Wanderfeldröhre mit magnetischem Querfeld und einem Elektronenstrahlerzeuger gemäß der Erfindung.

ι ist der Röhrenfuß, 2 der Heizdraht, 3 die Kathode; 4 sind die erfindungsgemäßen Bündelungselektroden, welche an dem Potential der Kathode liegen und die Rolle der Wehnelt-Elektrode spielen; 5 ist der vakuumdichte Kolben; 6 ist die Bündelungselektrode mit dem Potential F₁; 7 ist die Eingangsantenne für die Welle, die in der Verzögerungsleitung mit Blenden 9 fortgepflanzt werden soll; 12 ist die Einführungsantenne des Ausgangskreises der Verzögerungsleitung; 13 ist die Anode oder Sammelelektrode der Röhre; 14 ist das Isolierstück, welches den Kathodenleiter 8 der Verzögerungsleitung trägt; 15 ist der Elektronenstrahl.

Mit A-B ist die Schnittebene der Fig. 4 bezeichnet, welche im Schnitt die Röhre umgeben von ihren Elektromagnet-Polstücken 17 zeigt. Dieselben Bezugszeichen beziehen sich auf die gleichen Teile wie in Fig. 3.

Fig. 5 zeigt im Grundriß eine Ausführungsform des Elektronenstrahlerzeugers gemäß der Erfindung in Anwendung bei einer Wanderfeldröhre mit magnetischem Querfeld in Form eines Umdrehungszylinders. Die Kathode 3, die Sammelelektrode 13 und der Strahl 15 befinden sich innerhalb des vakuumdichten Röhrenkolbens 5. Es sind die beiden Teile 10 und 11 der Wehnelt-Elektrode dargestellt, die mit der Bodenfläche 21, welche den inneren Teil der Röhre bildet, verbunden ist. Die Verzögerungsleitung liegt innerhalb und ist bei 9 schematisch dargestellt. Die Verbindungsteile zwischen dem Strahlerzeuger und dem Wechselwirkungsraum bestehen aus den profilierten Teilen 19 und 20. Ferner sind zwei Bündelungselektroden 18 dargestellt.

Der erfindungsgemäße Aufbau des Elektronenstrahlerzeugers hat den Vorteil, daß er Strahlen von großer Stärke liefert, da diese Strahlerzeuger etwa 30mal mehr konvergieren als die Strahlerzeuger, die auf Grund von zykloidalen Elektronenbahnen ausgebildet werden (d. h. wenn man in der Berechnung die Raumladung nicht berücksichtigt). Ihre Emission ist, da sie durch die Raumladung begrenzt wird, stabiler als diejenige der Strahlerzeuger, welche bei Sättigung des Heizfadens arbeiten, und die Geräuschschwankungen oder Schottky-Effekte sind demnach geringer. Andererseits ist ein weiteres Kennzeichen der Erfindung die Möglichkeit, die Leistung des Elektronenstrahls zu no verändern, indem man das Potential der Kathode oder einer Hilfselektrode verändert. Schließlich läßt sich Dank der Verwendung von Elektroden mit passendem Profil ein guter Anschluß der Strahlform zwischen zwei Betriebsbereichen mit verschiedener Strömung erreichen.

Claims (6)

1. PATENTANSPRÜCHE:

   i. Elektronenstrahlerzeuger, insbesondere für Wanderfeldröhren mit magnetischem Querfeld, mit einer emittierenden Kathode zur Erzeugung des Elektronenstrahls, welcher einen kräftigen Strom zwischen zwei parallelen, auf verschiedene Potentiale gebrachten Elektroden überträgt, die den Wechselwirkungsraum bilden, dadurch ge-

   kennzeichnet, daß aus- einem unmagnetischen Metall bestehende Profilflächen vorgesehen sind, die auf je ein verschiedenes Potential zwischen dem Potential der Emissionskathode und derjenigen der beiden den Wechselwirkungsraum bildenden Elektroden gebracht sind, welche sich auf dem höheren Potential befindet, und den Strahl umgeben, wobei diese Flächen mit der mittleren Bahn des Elektronenstrahls Winkel bilden, die so gewählt sind, daß die Wirkung der Strahlteile ersetzt wird, die bei Abwesenheit dieser Flächen außerhalb der Grenzen des mit diesem Strahlerzeuger erzeugten Bündels vorhanden wären.
2. 2. Anordnung nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die Profimäche, die auf das geringere Potential gebracht wird, die Rolle der Wehnelt-Elektrode spielt.
3. 3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die den Wechselwirkungsraum bildenden Elektroden eben und parallel sind.
4. 4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die den Wechselwirkungsraum bildenden Elektroden nach der Seite der Kathode durch Profimächen verlängert sind, welche den Profilflächen des Strahlerzeugers entsprechen.
5. 5. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die den Wechselwirkungsraum bildenden Elektroden koaxiale Zylinder bilden.
6. 6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die den Wechselwirkungsraum bildenden zylindrischen Elektroden nach der Seite der Kathode durch Profilflächen verlängert sind, welche den Profilflächen des Strahlerzeugers entsprechen.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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