DE883938C

DE883938C - Elektronen-Entladungseinrichtung

Info

Publication number: DE883938C
Application number: DENDAT883938D
Authority: DE
Inventors: John Robinson Pierce; Arthur Lee Samuel
Original assignee: Western Electric Co Inc
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1939-12-02
Publication date: 1953-06-11
Also published as: FR881705A; FR52414E; DE862640C; US2268165A; GB545689A; US2268196A; NL72884C; GB545835A; US2245581A; US2268195A; US2268197A; NL68166C; BE444002A; US2268194A; BE444006A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Elektrodensysteme für Elektronen-Entladungseinrichtungen, insbesondere auf Elektrodensysteme zur Erzeugung konzentrierter Elektronenstrahlen, welche in Kathodenstrahlröhren u. dgl. Verwendung finden können, nach Patent 862 640.

Zu einer befriedigenden Wirkungsweise solcher Elektronen-Entladungseinrichtungen ist es erforderlich, daß ein großer Teil der Elektronen, die von der Elektronenquelle ausgehen, innerhalb des Strahls konzentriert wird und daß diese Elektronen gleiche Wege.

durchlaufen, so daß sie leicht beeinflußt werden können. Der Entwurf von Elektrodensystemen zur Erzeugung derartiger Strahlen beruhte bisher in der Hauptsache auf Erfahrung und auf ziemlich mangelhafter theoretischer Analyse.

Insbesondere hat man den Anteil der Raumladung entweder völlig vernachlässigt oder nur nebensächlich behandelt, wobei man wohl im Hochspannungsgebiet und für kleine Raumladungsfelder in der Praxis genügend genaue Ergebnisse erhielt. Bei Elektronen-

Emissionseinrichtungen genügen derartige Voraussetzungen nicht mehr, und die" praktischen Ergebnisse weichen beträchtlich von den in der Theorie vorausgesagten Ergebnissen ab, wenn nicht die Raumladung in Rechnung gesetzt wird.

Gegenstand der Erfindung ist es, diese Schwierigkeiten zu beseitigen und ein Verfahren zur Herstellung von Elektronen-Emissionseinrichtungen mit einer genau vorauszusehenden Wirkungsweise zu schaffen.

Die Elektronen-Entladungseinrichtung nach dem Patent 862 640 besteht aus einer Elektronen-Emissionsfläche und einem Paar Elektroden, die in Achsrichtung mit dieser Fläche liegen und mit Mittelbohrungen versehene gegenüberstehende, schalenförmige Flächen besitzen, die derart ausgebildet und in einem solchen Abstand angeordnet sind, daß bei vollständiger Raumladung an allen Punkten in dem Strahl die Komponente des elektrischen Feldes, die zu einer Normalen der Emissionsfläche senkrecht steht, im wesentlichen Null ist.

Das Potential an jeder Normalen zu der Emissionsfläche ändert sich mit dem Abstand von dieser Fläche, wenigstens für einen, wesentlichen Teil des Abstandes zwischen der Emissionsfläche und der am weitesten entfernten Elektrode in einer vorausbestimmten Art, beispielsweise so, wie sich das Potential zwischen unendlichen parallelen und ebenen oder zwischen konzentrischen zylindrischen Elektroden ändert. Als Ergebnis der Erfindung wird der Aufbau von Elektronen-Emissionseinrichtungen nach dem Patent 862 640 weiter ausgebildet und vereinfacht, wobei gleichzeitig ihr Wirkungsgrad vergrößert wird und ihre Form genau errechnet werden kann.

Erfindungsgemäß sollen die gegenüberliegenden Flächen der beiden Elektroden Äquipotentialbündeln eines Feldes entsprechen, welches der Gleichung von Laplace zwischen den gegenüberliegenden Flächen entspricht, und in welchen das Potential längs einer Linie normal zur Emissionsfläche über einen wesentlichen Teil des Abstandes zwischen dieser Fläche und der am weitesten von ihr entfernten Elektrode variiert, und zwar in Übereinstimmung mit einer bekannten Lösung der Raumladungsgleichung für geradlinige Bewegung von Elektronen, beispielsweise zwischen unendlichen parallelen Ebenen oder konzentrischen Zylindern.

Eine Elektronen-Emissionseinrichtung, die eine flache Schicht von Elektronen ergibt, kann aus einer ebenen Kathode mit einer schalenförmigen, unmittelbar von der Kathode ausgehenden Elektrode bestehen, die einen Winkel von etwa 67,5° mit der Normalen zur Kathodenfläche bildet, während eine zweite gewölbte Elektrode, die in einem Abstand von der Kathode und in Achsrichtung zu ihr angeordnet ist, eine Oberfläche

aufweist, welche der Gleichung -~ = (cos⁴'³ Θ) —*'*

entspricht, wobei D den Abstand zwischen der Emissionsfläche und der zweiten Elektrode und r und Θ Polarkoordinaten darstellen.

Für eine Elektronen-Emissionseinrichtung, die einen Elektronenstrahl mit zylindrischer oder konischer Begrenzungsfläche erzeugen soll, sind die zusammenwirkenden Flächen der beiden in Achsrichtung mit der Kathode liegenden Elektroden Rotationsflächen, In einer Abart, welche insbesondere für schnelle Herstellung bestimmt ist, sind die Elektrodenflächen so ausgebildet, daß die Erzeugende der einen Fläche eine Gerade und die Erzeugende der anderen Fläche eine Gerade und ein Kreisbogen sind.

Da in manchen Fällen die zur Bestimmung der Elektrodenform erforderliche mathematische Analyse ausserst verwickelt ist, kann die gewünschte Form empirisch mit Hilfe eines elektrolytischen Gefäßes bestimmt werden. Bei diesem Verfahren werden zwei formbare Metallstreifen, die nach den Erzeugenden der Elektrodenflächen gebildet sind, und ein Isolationsstreifen in .einen Elektrolyten getaucht, der sich in einem Behälter mit schrägem, isolierendem Boden befindet, wobei die Streifen an dem Gefäßboden in der gleichen Weise angeordnet werden, wie die Elektroden mit Bezug auf den Elektronenstrahl angebracht werden sollen und wobei der Isolationsstreifen die Strahlbegrenzungsfläche darstellt. Alsdann wird eine Spannung an die Metallstreifen gelegt, die alsdann' verformt werden, bis das Potential an dem Isolationsstreifen in der gewünschten Weise abweicht.

Durch die nachfolgende Beschreibung und durch die Zeichnungen wird eine genauere Erläuterung der Erfindung gegeben:

Fig. ι ist eine perspektivische Darstellung einer Elektronenstrahl-Entladungseinrichtung gemäß einer Aus- go führung nach der Erfindung, wobei ein Teil des Mantels herausgebrochen ist, um den Elektrodenaufbau deutlicher zu zeigen;

Fig. 2 ist eine graphische Darstellung der Gestalt der Erzeugenden einer Anzahl von Elektrodenflächen in einem Elektrodensystem gemäß der Erfindung, das zur Erzeugung einer parallelen geradlinigen Bewegung der Elektronen in einer Elektronenstrahl-Entladungseinrichtung dient ;

Fig. 3 ist eine vergrößerte Teilansicht einer Elektronen-Emissionseinrichtung im Schnitt;

Fig. 4 ist eine weitere graphische Darstellung der Gestalt von Erzeugenden für Elektrodenoberflächen in einem Elektrodensystem nach der Erfindung, das zur Erzeugung eines konvergierenden Elektronenstrahls dient, in welchem die Elektronen geradlinige Wege durchlaufen;

Fig. 5 ist ein Schnitt durch ein Elektrodensystem mit Elektroden, deren gegenüberliegende Flächen durch Erzeugende der Form in Fig.4 gebildet sind;

Fig. 6 ist die perspektivische Ansicht eines Apparates zur Bestimmung der erforderlichen Form eines Elektrodensystems nach der Erfindung, zusammen mit einer schematischen Darstellung des zugehörigen elektrischen Stromkreises;

Fig. 7 ist ein vergrößerter Schnitt einer weiteren Elektronen-Emissionseinrichtung und

Fig. 8 die Draufsicht eines Apparates zur Bestimmung der Form von Elektrodenflächen gemäß Fig. 7.

Die Elektronen-Entladungseinrichtung der Fig. 1 besteht aus einem evakuierten Rohr 10 mit den vom Stiel χι getragenen Elektroden, der in den Preßteil 12 ausläuft, in welchem die Einführungsleitungen befestigt sind.

Der Elektrodenaufbau mit der Kathode, der Modulationselektrode 17, der Anode 18, den beiden Ab-

■lenkungsplatten 19, 20 und der Scheibe 21 wird zwischen den Isolationsständern 13 getragen, die an starren Drähten 14 befestigt sind, welche von der an den Stiel 11 angeklemmten Metallhülse 16 gehalten werden.

Die im Hauptpatent beschriebenen Einrichtungen erzeugen sämtlich eine dünne flache Schicht von Elektronen. In vielen Fällen, beispielsweise in Kathodenstrahlröhren, ist ein Elektronenstrahl mitkreisförmigem Querschnitt erwünscht, welcher auf einen Brennpunkt gebracht werden kann; in diesem Falle wird die Strahlbegrenzungsfläche zylindrisch oder konisch. In den Fig. 3 und 5 sind Elektronen-Emissionseinrichtungen zur Erzeugung derartiger Strahlen dargestellt.

In der Fig. 3 besteht die Elektronen-Emissionseinrichtung aus einer indirekt geheizten Kathode mit dem Heizelement 56, der Kappe 54 und der Grundfläche 55, die mit einem Emissionsstoff überzogen ist.

Die Elektrode 52 besteht aus zwei abgestumpften Kegeln 52° und 52^δ, mit ungleichen Winkeln. Die Oberfläche 57 der Elektrode 53, welche der Elektrode 52 gegenüberliegt, ist gewölbt. Die Gestalt dieser Elektroden, welche dazu dienen, die Elektronen, die von der Fläche 55 der Kathode ausgehen, in einen parallelen, geradlinigen Strahl zu bringen, wird später noch beschrieben.

Die Elektronen-Emissionseinrichtung der Fig. 5 ist ■geeignet, einen konvergierenden Elektronenstrahl zu erzeugen. Sie besteht hauptsächlich aus den gleichen Elektroden der Fig. 3, die jedoch eine abweichende Form und Oberflächengestaltung besitzen. Die Elektronen-Emissionsfläche 150 des Kathodenteils 140 ist nach Art eines Kugelsegmentes geformt. Die strahlformende Elektrode 120 ist mit einer gewölbten Fläche i20^a, I2O⁶ versehen, während die andere Elektroden eine Fläche 170 besitzt. Diese Flächen weisen eine besondere Form auf, die noch später beschrieben wird. Die Elektrode 130 hat auch zwei gleichachsige zylindrische Bohrungen 180, 190, die durch eine gedrosselte Öffnung 200 in Verbindung stehen.

Im wesentlichen können die Felder, welche zur Erzeugung einer geradlinigen Bewegung der Elektronen innerhalb einer zylindrischen oder konischen Begrenzung erforderlich sind, nach bekannten Lösungen der Raumladungsgleichungen bestimmt werden, für welche die Gleichung von Po iss on und die Bewegungsgesetze von Newton anzuwenden sind, wobei lediglich die elektrostatischen Kräfte in Rechnung gesetzt werden.

Die Bedingung für den gewünschten geradlinigen Elektronenfluß innerhalb des Strahls ist, daß die Felder außerhalb des Elektronenstroms die Gleichung von Laplace erfüllen und mit der Lösung der Raumladungsgleichungen innerhalb des Strahls übereinstimmen, und zwar über das zylindrische oder konische Strahlbündel, wobei das Feld außerhalb des Strahls spannungsmäßig dem Feld innerhalb des Strahls entspricht und einen Nullgradienten senkrecht zur Begrenzungsfläche des Strahls auf-

fio weist.

Für den FaIJ einer parallelen Elektronenbewegung zwischen zwei Äquipotentialgrenzen, z. B. Elektronenflächen, kann bei der Annahme eines Elektronenflusses in Richtung ζ die Gleichung von Poisson folgendermaßen geschrieben werden:

δ² ψ
δ ζ²

P₀ /2—■
ψ m

δχ

(ι)

(2)

Hierbei bedeutet φ das Potential gegenüber der Elektronennullgeschwindigkeit, / die Stromdichte, P₀ die Dielektrizitätskonstante eines Vakuums, e die Elektronenladung, m die Elektronenmasse und x, y die Richtungen senkrecht zu der Richtung des Elektronenflusses und der gegenseitigen Richtung.

In dem Falle eines derartigen parallelen Elektronenflusses in einem Strahl von konstantem gleichförmigem Querschnitt zwischen zwei gegenüberliegenden Äquipotentialflächen, wobei der Fluß zu der Achse der Flächenrichtungen parallel ist, muß das Feld außerhalb des Strahls eine axial-symmetrische Lösung der Gleichung von Laplace sein, welche über das Strahlbündel die Bedingungen erfüllt:

= f{z)

δφ lh

= 0.

(3)

(4)

Hierbei bedeutet ζ den Abstand längs des Strahls, f (z) eine Lösung der Gleichung (1) und r den Abstand senkrecht zu dem Strahlbündel.

Wenn φ = O und

oz

= O bei ζ — O ist, ent-

sprechend dem durch die Raumladung bestimmten Fluß von der Kathode bei ζ = O, so stellt sich die genaue Lösung der Gleichung (1) folgendermaßen dar:

(5)

wobei

A=

V 2,33

In einer Elektronen-Emissionseinrichtung zur Erzeugung eines konvergierenden Elektronenstrahls mit konischer Zone muß das Feld außerhalb des Strahls eine axial-symmetrische Lösung der Gleichung von Laplace sein, für welche der Potentialgradient senkrecht zu der konischen Strahlbegrenzungsfläche Null ist und das Potential längs der Strahlbegrenzungsfläche sich mit einer Lösung der Raumladungsgleichungen für geradlinige Elektronenbewegung zwischen konzentrischen Kugeln ändert. Die erforderliche Potentialänderung längs des Strahlbündels kann durch die Beziehung ausgedrückt werden:

(6)

wobei = ( * V
\ 29,34· ίο"⁶/

i bedeutet den Strom zwischen vollkommen konzentrischen Kugeln und α² eine Funktion des Verhältnisses

— ; r ist die Entfernung der Emissionsfläche der Ka-

thode vom Krümmungsmittelpunkt und r₀ der Halbmesser der Kathode. Die besonderen Werte von α² kann man auf bekanntem Wege erhalten.

In beiden Fällen der erwähnten Elektronenbewegung, also in den Fällen der parallelen, geradlinigen

ίο ■ und der konvergierenden Strahlen hängt die Potentialänderung längs des Strahlbündels von der Form der Emissionsfläche der Kathode und von den gegenüberliegenden Flächen der strahlformenden Elektroden ab. Die -Bestimmung der erforderlichen Form mit Hilfe einer Lösung der Raumladungsgleichungen ist sehr verwickelt und führt nur zu mehr oder weniger mangelhaften Annäherungen an das Optimum. Gemäß der Erfindung wird dagegen die Bestimmung der erforderlichen Elektrodenform wesentlich erleichtert.

Es wird hervorgehoben, daß in den beiden angeführten Fällen der Strahl und die Elektrodenflächen der Emissionseinrichtung Rotationsflächen sind. Daher wird jeder Sektor des Feldes, der von Ebenen durch die Symmetrieachse und die Elektrodenflächen begrenzt ist, die Felder zwischen den Elektroden kennzeichnen.

Ein Apparat zur Bestimmung der erforderlichen Elektrodenform, gemäß der Erfindung ist in Fig. 6 dargestellt und besteht aus einem Gefäß 62 mit dem schrägen Boden 63 aus Isolationsmaterial. Das Gefäß enthält einen Elektrolyt 64, z. B. Wasser. Auf der schrägen Fläche 63 ist ein geradliniger Isolationsstreifen 65 mit mehreren parallelen Leitern 66 angebracht. An dem Isolationsstreifen 65 sind zwei biegsame Metallstreifen 67, 68 befestigt, die in Schlitzen des Isolationsstreifens angebracht sind.

Wie in Fig. 6 dargestellt, wird eine Spannung an die Metallstreifen 67, 68 gelegt, und zwar durch einen Oszillator 69, an dessen Klemmen ein geeichtes Potentiometer 70 angeschlossen ist. Eine Anzeigevorrichtung, z. B. ein Telephonempfänger 71, ist mit einem Schleifkontakt des Potentiometers 70 verbunden und kann an jeden einzelnen Leiter 66 angeschlossen werden.

Der Isolationsstreifen 65 stellt das Strahlbündel in einem Elektrodensystem dar, dessen Symmetrieachse A-A durch den Rand des Elektrolyts 64, d.h. also durch die Wasserlinie auf der schrägen Fläche 63, gebildet wird. Die Metallstreifen 67 und 68 bilden die gegenüberliegenden Flächen der Elektroden 5² und 53.

Insofern als die schräge Fläche 63 aus Isolationsmaterial besteht, ist kein Potentialgradient in dem Elektrolyt senkrecht zu dieser Fläche oder zu der Fläche des Elektrolyts vorhanden. Da gleichfalls der Streifen 65, der das Strahlbündel darstellt, aus Isolationsmaterial besteht, ist kein Potentialgradient senkrecht zu dieser Fläche vorhanden. Mithin ergibt sich, daß die beiden Bedingungen erfüllt sind, nämlich —- = -^- = O gemäß der Gleichung (2) bzw. (4), die für das Entstehen eines Feldes' erforderlich sind, Welches in einem geradlinigen Elektronenfluß auftritt.

Das Potential, das dem Stromfluß in einem gleichförmigen Elektrolyt zugeordnet ist, genügt der Gleichung von Laplace und erfüllt daher auch die Bedingung, daß das Potential außerhalb des Strahls ebenfalls der Gleichung von Laplace genügen muß. Mithin bleibt nur noch übrig, die Elektrodenform zu bestimmen, welche sich bei der vorgeschriebenen Potential verteilung längs des Strahlbündels ergibt.

Die erforderliche Potentialverteilung längs des Strahlbündels kann nach den Gleichungen (5) und (6) bestimmt werden. Die Elektrodenform, welche für die Entstehung dieser Potentialverteilung erforderlich ist, kann alsdann durch Biegen oder Verformen der Streifen 67, 68 und durch Spannungsmessung an den Leitern 66 bestimmt werden. Die passende Verteilung wird man erhalten, wenn die Streifen 67, 68 eine solche Form besitzen, daß das Potential an jedem Leiter 66 dem besonderen Potential angepaßt ist, welches durch das geeichte Potentiometer 70 angegeben wird. Das Anzeigen kann hierbei durch das Abhören eines Tonzeichens in dem Empfänger 71 erfolgen.

Die erforderlichen Elektrodenflächen werden dann durch Rotationsflächen gebildet, deren Erzeugende der Form der Streifen 67, 68 entspricht, die in der beschriebenen Art bestimmt ist, und zwar entsprechend der vorgeschriebenen Potentialverteilung längs des Isolationsstreifens 65.

Es sei hervorgehoben, daß bei der Bestimmung der erforderlichen Elektrodenform für eine Elektronen-Emissionseinrichtung zur Erzeugung eines parallelen, geradlinigen Strahls der Isolationsstreifen 65 parallel zu der Wasserlinie oder der Symmetrieachse A-A angebracht wird. Bei der Bestimmung der erforderlichen Elektrodenform für eine Elektronen-Emissionseinrichtung zur Erzeugung eines konvergierenden Elektronenstrahls wird der Streifen 65 derart angebracht, daß eine Fortsetzung seiner Fläche, welche das Strahlbündel darstellt, die Achse A-A in dem Krümmungsmittelpunkt der Emissionsfläche 150 (Fig. 5) der Kathode schneidet und mit der Achse einen Winkel bildet, welcher dem Winkel des konisehen Strahlbündels in dem einzelnen Fall entspricht. Die Form der Elektrodenfläche ändert sich naturgemäß mit dem von dem konischen Strahlbündel eingeschlossenen Winkel. .

Es sei erwähnt, daß die Form der Elektrodenfläche von dem Potential und dem Abstand abhängig ist, die beide durch Bedürfnisse des praktischen Aufbaues und Betriebes bestimmt werden. Indessen ist diese Form unabhängig von der absoluten Größe des eingeschlossenen Potentials und von der Einheit, in welcher der Abstand gemessen wird. Die Elektrodenform für jedes gewünschte Potential und jeden Elektrodenabstand kann in der oben beschriebenen Weise bestimmt werden.

Eine Anzahl geeigneter Erzeugender für verschiedene Elektrodenflächen zur Erzeugung eines parallelen Elektronenstrahls sind in Fig. 2 dargestellt. Bei einer solchen Einrichtung ist es zweckmäßig, zwei strahlformende Elektroden zu verwenden, von denen die eine (52) Kathoden- oder Nullpotential und die andere (53) ein positives Potential φ₀ oder einen Bruchteil

von ψ υ mit Bezug auf die Kathode besitzt. In Fig. 2 sind die Ordinaten als Verhältnis — aufgetragen, wobei

r den Abstand von der Strahlachse und r₀ den HaIbmesser der Emissionsfläche 55 der Kathode darstellt.

Die Abszissen sind nach dem Verhältnis — aufgetragen,

wobei ζ die Entfernung längs des Strahls von der Kathode bedeutet.

In Fig. 2 ist die Linie 0 die Erzeugende der Fläche 52°, 52^b der Elektrode 52 in Fig. 3, wenn die Elektrode 52 mit Null- oder Kathodenpotential betrieben wird. Es sei hervorgehoben, daß der Teil 52" dieser Erzeugenden eine gerade Linie darstellt, welche mit der Normalen zur Kathodenfläche 55 einen Winkel von 67,5° bildet. Diese Beziehung hat sich als notwendig herausgestellt, damit der Elektronenfluß senkrecht zur Kathodenfläche 55 in der Nähe ihres Randes ist. Eine zufriedenstellende Elektronen-Emissionseinrichtung erhält man, wenn die Erzeugende des Teiles 52* der Fläche der Elektrode 52 eine Gerade ist, die mit der Normalen zu der Kathodenfläche 55 einen Winkel von 74° 5' bildet. Obgleich bei einer genauen Bestimmung der Form für die Elektrodenflächen 52", 52* festgestellt wird, daß die Erzeugende nicht genau aus zwei geraden Linien zusammengesetzt ist, so kann die Abweichung von dieser Genauigkeit bei Verwendung einer Erzeugenden der durch die Linie ο in Fig. 2 dargestellten Form, praktisch vernachlässigt werden.
Die Fläche 57 der Elektrode 53 ist eine Rotationsfläche, die durch Kurven gemäß A₁-A_i in Fig. 2 erzeugt werden, wobei in den einzelnen Fällen die verwendete Kurve von der relativen Größe des Potentials abhängig ist (<p₀ oder der angegebene Teil hiervon in Fig. 2), das auf die Elektrode 53 zur Anwendung kommen soll.

Charakteristische Erzeugende für die Elektrodenflächen, von denen die eine Nullpotential und die andere positives Potential besitzen, sind für eine 4.0 Elektronen-Emissionseinrichtung gemäß Fig. 5 zur Erzeugung eines konvergierenden Elektronenstrahls in Fig. 4 dargestellt. In dieser Figur, welche die Erzeugenden für eine Elektroden-Emissionseinrichtung zur Herstellung eines Strahls mit konischer Begrenzung veranschaulicht, dessen Elemente einen Winkel von 14° mit der Symmetrieachse des Elektronensystems bilden, bedeutet r₀ den Krümmungsradius der Kathodenfläche 150 und D die axiale Entfernung zwischen der Kathodenfläche 150 und der Fläche 170, welche die Achse schneidet. Naturgemäß hängt die Form der Erzeugenden von dem Winkel des gewünschten konischen Strahlbündels ab.

In beiden Fällen, d. h. also bei parallelen und konvergierenden Elektronenstrahlen, übt die Öffnung in der positiven Elektrode 52 bzw. 120, in welche der Strahl eintritt, auf den Strahl die Wirkung einer divergierenden Linse aus. Die Größe der Divergenzwirkung kann aus der Formel für die Brennweite einer durch eine gleichförmige Öffnung gebildeten Linse errechnet werden, nämlich

f =

₄V

(7) wobei E₁ und E₂ die Felder an den beiden Seiten der Öffnung und V das Potential an der Öffnung darstellen.

Im Falle eines parallelen Elektronenstrahls, der durch Elektroden mit Flächen gemäß den Formen der Fig. 2-hervorgerufen wird, sind das Potential und das Feld auf der linken Seite (in Fig. 2) der Öffnung in der Elektrode 53 durch die Gleichung (5) gegeben. Auf der rechten Seite der Öffnung kann der Raum praktisch als feldfrei bezeichnet werden. Mithin wird die Brennweite der durch die Öffnung geformten Linse (bei D als Wert von ζ an der Öffnung) betragen

-4 Ψ

■i AD'h
3

(8)

Insofern, als die Elektronenbahnen zwischen der Kathode und der Öffnung parallel sind, ist die Brennweite unmittelbar nach dem Durchtritt durch die Öffnung gleich der Brennweite f. Mithin divergieren die Elektronenbahnen jenseits der Öffnung von einem Punkt im Abstand 3 D hinter der Öffnung oder 2 D von der Kathodenfläche.

Im Falle eines "konvergierenden Strahls kann die Brennweite jenseits der Öffnung aus der Gleichung (8) bestimmt werden, wobei für φ und φ' die Werte aus go

einer Darstellung von -ψ nach -^- erhalten werden.

Wenn der Strahl das Ende der Öffnung 180 nach der Kathodenfläche 150 zu erreicht, konvergiert er nach dem Krümmungsmittelpunkt der Kathode zu in einem gs Abstand r₀ — D = r_a. Nach dem Durchtritt durch die Öffnung konvergiert der Strahl auf einen Punkt in der Entfernung l_a jenseits der Öffnung, wobei l_a durch die Beziehung gegeben ist

(9)

Der Kreuzungspunkt liegt auf einer Entfernung l_a jenseits des Einlaßendes der Öffnung oder auf den Abstand I = l_a -f- D von der Kathode.

Es sei erwähnt, daß genaue Ergebnisse für die Brennlänge aus der oben gegebenen Gleichung nur erhalten werden, wenn der Abstand zwischen Kathode und Elektrode 130 das Mehrfache des Durehmessers der Öffnung 180 beträgt.

Es sei auch ferner hervorgehoben, daß für einen

Wert von — = 0,29 der von der Öffnung ausgehende

Strahl im wesentlichen parallel ist.

Obwohl Elektronen-Emissionseinrichtungen mit bisher zwei strahlformenden Elektroden beschrieben worden sind, können derartige Einrichtungen auch für mehr als zwei Elektroden hergestellt werden, und wenn die Elektrode 52 nach der Beschreibung auch Kathodenpotential besitzen soll, so ist es möglich, auch ein veränderliches Potential zur Anwendung zu bringen, um den Elektronenstrahl zu modulieren.

Eine weitere Bauart von Elektronen-Emissionseinrichtungen, die zur Erzeugung eines konischen, konvergierenden Strahls geeignet sind, ist in Fig. 7 veranschaulicht. Sie besteht aus zwei Ringträgern 76, yy,

welche mit einem Isolationsring 78 durch starre Drähte 79 mechanisch verbunden sind und in einem festen Abstand gehalten werden. Der Ringträger 76 ist in einer Rille in dem zylindrischen Teil 74 der ersten strahlformenden Elektrode befestigt, welche mit einer Ringfläche 80 von bogenförmigem Querschnitt versehen ist, die über dem Rand des einen Endes der Kathode angeordnet ist.

Die Kathode besteht aus einem gewölbten Teil 73·, einem zylindrischen Teil 81, der auf dem Ringträger 76 aufsitzt und an ihm sowie an dem zylindrischen Teil der Elektrode 74 befestigt ist. Sie besteht ferner aus dem Glühfaden 82, der in Isolationsmaterial 83 eingebettet und in der Nähe der Endwandung 73 der Kathode angeordnet ist, wobei die Fläche 73* dieser Wandung mit einem Elektronen-Emissionsmaterial bedeckt ist. Die Zuführungsleiter 84 für den Glühfaden 82 sind teilweise von einer Isolationshülse 85 umgeben. Der Faden 82 und die Isolation 83 können hierbei von einem schalenförrnigen Abschlußglied 86 getragen werden, das an der zylindrischen Wandung 81 befestigt ist.

Zwischen dem Ringträger 76 und dem Abschlußglied 86 befinden sich zwei gewölbte Ablenkungsplatten 87 aus Metall, welche dazu dienen, die vom Faden 82 erzeugte Hitze zurückzuhalten und hier- - durch einen hohen · Kathodenwirkungsgrad sicherzustellen. Die Ablenkungsplatten sind an der Isolationshülse 85 angebracht und durch einen Metallring 88 im Abstand gehalten, an welchem sie auch befestigt sind.

Starre Träger, z. B. Drähte 89, gehen von dem Ringträger 76 aus und sind an einer der Ablenkungsplatten 87 befestigt.

Die strahlformende Elektrode 74 besitzt einen zylindrischen Teil, der an dem Ringträger j6 befestigt und mit in Achsrichtung symmetrischen Flächen 74° und 74^s von noch zu beschreibender Gestalt versehen ist.

Die strahlformende Elektrode 75 ist gleichachsig zu der Kathode 73 und der Elektrode 74 durch eine ringförmige Metallplatte 90 gehalten, welche von einem Metallzylinder 91 getragen wird, der an dem Ringträger 77 befestigt ist.

Zur Erzeugung des gewünschten konvergierenden Elektronenstrahls ist die Emissionsfläche 73° der Kathode nach einem Kugelsegment gebildet, und die Flächen 74", 74^s und 75^a, 75* besitzen eine derartige Form und gegenseitige Beziehung, daß alle Elektronen, die von der Fläche 73° ausgehen, geradlinige Bahnen durchlaufen, welche nach einem Punkt auf der Achse A-A in der Richtung der Elektroden der Elektronen-Emissionseinrichtung konvergieren.

In diesem Falle kann die erforderliche Potentialveränderung längs des Strahlbündels durch die Gleichung

ausgedrückt werden, wobei φ das Potential, K eine

Konstante und α² eine Funktion von — darstellen.

■ ν

r ist der Abstand vom Krümmungsmittelpunkt der Emissionsfläche 73° der Kathode und r₀ der Krümmungshalbmesser dieser Emissionsfläche. Die Konstante K kann durch die Beziehung ausgedrückt werden:

κ _β

29,34 · io

wobei i den zwischen zwei konzentrischen Kugeln fließenden Strom darstellt. Die Werte von α² für die

einzelnen Werte von — werden in bekannter Weise r

bestimmt.

Die Form der Flächen 74", 74* und 75°, 75^s können mit Hilfe des oben beschriebenen elektrolytischen Behälters 92 mit dem Elektrolyten 93, z. B. Wasser, bestimmt werden. Wie in Fig. 8 dargestellt, ist die Wasserlinie auf dem schrägen Boden mit A-A bezeichnet und entspricht der Achse der Elektronen-Emissionseinrichtung. Der Isolationsstreifen 94 stellt die Begrenzung des Elektronenstrahls dar und ist derart angebracht, daß er mit der Achse A-A einen Winkel bildet, der gleich ist jenem Winkel, den die Elemente des konischen Strahlbündels mit der Achse der Einrichtung bilden.

Wie 'oben beschrieben, wird die Form der Elektroden durch Änderung der Form der Metallstreif en 96, 97 festgestellt, bis das Potential längs des Isolationsstreifens 94 sich in der vorgeschriebenen Weise ändert, was an den Leitern 95 gemessen wird. Die Elektroden 74, 75 werden alsdann so ausgebildet, daß die Erzeugenden der gegenüberliegenden Flächen die Form und gegenseitige Beziehung der Streifen 96, 97 besitzen.

Es wird betont, daß diese gegenüberliegenden Flächen eine Anzahl von Formen besitzen, von denen die meisten verhältnismäßig verwickelt sind. Gemäß der Erfindung erhalten indessen diese Flächen eine solche Gestalt, daß ihre Erzeugenden aus geraden Linien oder aus geraden Linien und Kreisbögen bestehen.

Im vorliegenden Falle wurde festgestellt, daß die für eine geradlinige Elektronenbewegung erforderlichen Felder entstehen, wenn die Fläche 73⁰ ein Kugelsegment darstellt, die Elektrode 74 mit Kathodenpotential, die Elektrode 75 mit positivem Potential gegenüber der Kathode arbeitet und die Erzeugenden der Flächen 74", 74* und 75 ^b gerade Linien und die Erzeugende der Fläche 75° einen Kreisbogen bilden, uo Mit einer besonderen Ausführungsform, bei welcher der eingeschlossene Winkel des Strahlbündels 84° beträgt und sich das Potential längs des Strahlbündels

nach der Gleichung (6) für einen Wert von — = 1,88

ändert, bilden die Flächen 73" und 75™ Segmente konzentrischer Kugeln. Die Elemente des abgestumpften Kegels 74° liegen unter einem Winkel von 67,5° zur Normalen x-x der Emissionsfläche 73® an ihrer Peripherie, und es sind die Flächen 74^s und 75* iao ringförmig, wobei ihre Ebenen senkrecht zur Symmetrieachse A-A stehen.

Claims

PaTENTANSPBÜCHE:

i. Elektronen-Emissionseinrichtung nach Patent 862640, dadurch· gekennzeichnet, daß die

gegenüberliegenden Flächen der beiden Elektroden Äquipotentialbündeln eines Feldes entsprechen, welches der Gleichung von Laplace zwischen den gegenüberliegenden Flächen entspricht, und in S welchen das Potential längs einer Linie normal zur Emissionsfläche über einen wesentlichen Teil des Abstandes zwischen dieser Fläche und der am weitesten von ihr entfernten Elektrode variiert, und zwar in Übereinstimmung mit einer bekannten ίο Lösung der Raumladungsgleichung für geradlinige Bewegung von Elektronen, beispielsweise zwischen unendlichen parallelen Ebenen oder konzentrischen Zylindern.
2. Einrichtung nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die gegenüberliegenden Flächen der Elektroden Rotationsflächen darstellen.
3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Emissionsfläche ein Kugelsegment darstellt und die bekannte Lösung der Raumladungsgleichung für geradlinige radiale Bewegung der Elektronen zwischen konzentrischen Kugeln bestimmt ist.
4. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die gegenüberliegenden Flächen der Elektroden Kegelstumpfflächen sind.
5. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Erzeugende der einen von den gegenüberliegenden Flächen eine gerade Linie und die Erzeugende der anderen Fläche eine gerade Linie und einen Kreisbogen darstellen.
6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Emissionsfläche konkav ist und die beiden Elektroden die Elektronen von der Emissionsfläche in konvergierende geradlinige Bahnen mit einem konischen Bündel konvergieren, längs dessen das Potential im wesentlichen nach der Beziehung Φ = K (α²)"^!- variiert, wobei K eine Konstante, α² eine bekannte Funktion von

—5-, r_Q den Krümmungsradius der Emissionsfläche

und r den Abstand vom Krümmungsmittelpunkt der Emissionsfläche darstellt.
7. Einrichtung nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Form der Fläche der Elektroden mit Hilfe eines elektrolytischen Behälters bestimmt wird, wobei zwei verformbare Metallstreifen, deren Schnitte die Erzeugenden der Elektrodenflächen darstellen, und ein Isolationsstreifen in einen Elektrolyt getaucht werden, der sich in dem mit schrägem isolierendem Boden versehenen Behälter befindet, und wobei die Metallstreifen an dem Behälterboden in der gegenseitigen Lage aufgestellt werden, in welcher die Elektroden mit Bezug auf den Elektronenstrahl angebracht werden, und wobei ferner der Isolationsstreifen das Strahlbündel darstellt, während ein Potential an die Metallstreifen gelegt wird, welche so lange verformt werden, bis das Potential längs des Isolationsstreifens in der gewünschten Weise variiert.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

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