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Einrichtung zur Erzeugung eines Strahles von positiven Ionen oder
von Elektronen Für zahlreiche Apparate benötigt man einen Ionen- bzw. Elektronenstrahl
großer Intensität. So wird beispielsweise für Elektronenmikroskope, Braunsche Röhren,
Fernsehröhren, Röntgenröhren u. dgl. ein Elektronenstrahl großer Intensität gebraucht;
für Atomkeruzertrümmerungsanlagen und Neutronenquellen braucht man hingegen einen
Zonenstrahl großer Intensität. Bei den meisten Anordnungen dieser Art werden die
Ionen und Elektronen in einem Raum von verhältlnismäßig 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, indem die Ionen- bzw. 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 dieser dauernd
Gas eingeführt, während aus dem Raum niederen Drucks 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 Nachbeschleunigungsraum 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 niedren 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 erzeugen. Dabei wird im
Mittel von jedem Elektron weniger als- z Ion erzeugt.. Diese Art der Entladung ist
ferner dadurch charakterisiert, daß die Ionen- und Elektronendichte längs. der Achse
der Entladungsbahn am größten ist und nach dem Rand sehr stark abnimmt.
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Wenn man daher z. B. die in dem Raum höheren Drucks erzeugten Ionen
in den Raum niederen Drucks austreten lassen will, so ist es notwendig, in der Kathode
eine Öffnung ,in der Achsrichtung der Entladungsbahn anzubringen. Dii.e 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 Pumpgeschw.indigkeit darf wegen
des maximalen Drucks, der im Raum niederen Drucks nicht überschritten werden darf,
höchstens eine ganz bestimmte Gasmenge von dem Raum höheren Drucks in den Raum tieferen
Drucks in der Zenteinheie 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 Dürchflußwiderstand,
so wählen, daß: der maximale Druck im Raum niederen Drucks nicht überschritten wird.
Durch die Größe des Kanals wird aber auch zugleich die Größe des, durchgehenden
Ionen- bzw. Elektronenstroms begrenzt. Es: hat sich nun gezeigt, daß man ,im Raum
niederen Drucks dann die größte 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 ferner gezeigt, daß bei gegebener Stromstärke und
gegebener Form des Entladungsgefäßes der Druck, bei der die Entladung betrieben
werden 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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Im allgemeinen werden solche Entladungsröhren aus Gründen der Stabilität,
Wärmeleitung, Ausheizbarkeit und Lötbarkeit aus Eisen hergestellt. In einigen Fällen
wurde auch Aluminium benutzt. Das Eisen zeigt jedoch unter dem Aufprall positiver
Ionen nur eine sehr kleine Elektronenemission, und auch die Elektronenemission des
Aluminiums ist nur verhältniGmäßig gering.
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Zur Erzielung eines. Elektronen- bzw. Ionenstrahls wird in einer Einrichtung
zur Erzeugung eines Strahls von großer Intenslitiät, bei der zunächst in einem Gasentladungsraum,
dessen Kathode aus einem elektronenemittierenden Stoff besteht, positive Ionen und
Elektronen erzeugt werden, und bei der aus dem Gasentladungsraum der Strahl von
positiven Ionen oder von Elektronen austritt, erfindungsgemäß die Kathode des Gasentladungsraums
bzw. ihre Oberflächenschicht zum mindesten in dem Teil, auf dem die durch die Gasentladung
erzeugten positiven Ionen bevorzugt auftreffen, aus einem Werkstoff, beispielsweise
Magnesium und Beryllium, hergestellt, dessen Elektronenemission bei den gleichen
Betriebsbedingungen unter dem Einfiuß auftreffender positiver Ionen größer ist als
die des Aluminiums. Ferner haben sich als besonders geeignet für diesen Werkstoff
Legierungen von Magnesium und Beryllium miteinander oder mit dritten Metallen erwiesen.
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Es ist nicht unbedingt notwendig, die ganze Kathode aus diesem Werkstoff
herzustellen. Es genügt vielmehr, bei der soeben beschriebenen Anordnung ein je
nach der Breite der Entladungsbahn mehr oder weniger großes Stück der Umgebung der
Kanalöffnung aus diesem Werkstoff herzustellen bzw. mit ihm zu überziehen, während
der übrige, praktisch unwirksame Teil der Kathode aus einem möglicherweise nach
anderen Gesichtspunkten ausgewählten Werkstoff hergestellt ist, der unter dem Einfluß
auftreffender positiver Ionen weniger Elektronen emittiertL Bei einer Reihe von
Werkstoffen, beispielsweise beim Magnesium, nimmt die Elektronenemission, die durch
auftreffende positive Ionen veranlaßt wird, miststeigender Temperatur erheblich
ab. Es bietet daher bei! diesen Werkstoffen Vorteile, die Kathode durch entsprechende
Ausbildung oder besondere Kühlvorrichtungen betriebsmäßig auf einer niedrigen Temperatur
zu halten. Je nach dem Gasinhalt und dem verwendeten Kathodenmaterial besteht unter
Umständen; die Gefahr; daß sich diese gekühlten Teile mit Gas beladen, das während-
des Betriebs unregelmäßig und schwer kontrollierbar angegeben wird. Um diesen Übelstand
zu beseitigen, empfiehlt es sich, die Kühlung nach der Inbetriebnahme zunächst kurzzeitig
zu vermindern oder ganz auszuschalten, so daß die Temperatur der genannten Teile
ausreichend ansteigt, um eine Entgasung zu bewirken und die Kühlung erst wieder
auf den betriebsmäßigen Wert zu steigern, wenn die Einrichtung für ihren eigentlichen
Verwendungszweck, nämlich die Erzielung von Ladungsträgern, benutzt werden soll.
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Aridere Werkstoffe, beispielsweise Beryllium, weisen unter dem Einfluß
auftreffender positiver Ionen bei höherer Temperatur eine größere Elektronenemission
als bei, niedriger auf. Es Ist also
bei solchen Kathoden nicht zweckmäßig,
die Temperatur durch zusätzliche Kühlung niedrig zu halten. Eine besondere Heizung
ist nicht erforderlich, falls die Kathode durch die Entladung bereits ausreichend
erhitzt wird. Kathoden aus solchen Werkstoffen werden daher mit Vorteil auch dann
verwendet, wenn die Einrichtung aus anderen Gründen nur schwer mit einer zusätzlichen
Kühlung versehen werden könnte.
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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 dem einten Winkel, der kleiner als 9o° ist', 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 eine Gerade sein müssen. Bei
der Formgebung dieses Teils der Kathode ist zu berücksichtigen, daß sie auf die
Konzentration des Ladungsträgerstrahls 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 den Raum niederen 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 untrer
'Umständen zweckmäßig, die Wandstürke 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 niederen Drucks :2 durch
den Kanal 3 verbunden ist, enthält die Anode q. 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 9 tritt durch den
Kanal 3 in den Raum niederen Drucks ein. In diesem wird er durch das zwischen der
Kathode 5 und der Elektrode io bestehende Feld beschleunigt. Er trifft auf den Ruffänger
i i auf und dient dort beispielsweise zur Erzeugung von I"Teutronen. 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 9 isst der Werkstoff der Kathode
5 von Bedeutung. Diese ist erfindungsgemäß aus einem Werkstoff hergestellt, der
unter dem Einfluß der auftreffenden Ionen stärker als Aluminium Elektronen aussendet.
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Abb.2 zeigt als weiteres Ausführungsbeispiel eine Kathode 1q., die
ganz mit einem unter dem Aufprall von positiven Ionen stärker als Aluminium Elektronen
aussendenden Überzug 15 versehen ist. Bei den in Abb. i 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. i und 2 Ist dieser, im allgemeinen nur verhältnismäßfig
dünnwandige Teil der Kathode mit 26 bezeichnet.
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Abb.3 zeigt als weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung einen Teil
eines Entladungsrohres, das zur Erzeugung eines Elektronenstrahls dient. In dem
Raum hohen Drucks 16, der durch eine Bohrung 2¢ in der Anode i9 mit dem Raum 17
niederen Drucks in Verbindung seht, befindet sich die Kathode 18, die von der Anode
i9 durch den Isolator 20 getrennt ist. Die positiven Ionen, die auf die Kathode
i8 auftreffen, lösen aus ihr Elektronen aus, die zum Teil als Elektronenstrahl 23
durch die Bohrung 24 in den Raum niederen Drucks austreten. Die Kathode wird erfindungsgemäß
mit einer Oberflächenschicht 21 versehen, die in höherem Maße als, Aluminium unter
dem Einfluß aufprallender positiver Ionen Elektronen zu emittieren imstande ist.
Unter Umständen ist es zweckmäßig, nicht nur eine Oberlächenschich,% sondern, wie
in Abb. q. angedeutet, in die ganze Kathode 22 aus, einem solchen. Werkstoff mit
hoher Elektronenemission herzustellen. Diese Einrichtung zur Erzeugung eines Eleletronenstrahls
kann beispieW weise bei Elektronenstrahlröhren für Oszillographen, Elektronenmikroskope
u. dgl. Verwendung finden.
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In der Abb. 3 ist der für die Strahlenerzeugung wesentliche Teil gemäß
der Erfindung dargestellt und der Raum 17, ;in dem der Elektronenstrahl angewendet
wird, nur angedeutet.