DE904447C - Elektronen- bzw. Ionenstrahlroehre mit bandfoermigem Strahlbuendel - Google Patents

Description

Es sind bereits Elektronenstrahlröhren bekannt, die ein bandförmiges Elektronenstrahlbündel aufweisen, welches mittels Ablenkplatten über mehrere Auffangelektroden hin und her gelenkt wird. Solche Röhren können z. B. als Elektronenschalter angewendet werden. Diesen Röhren haftete bisher grundsätzlich der Nachteil an, daß sie nur mit verhältnismäßig hohen Anodenspannungen und kleinem Strahlstrom betrieben werden konnten, weil anderenfalls die Raumladung im Strahl eine so starke Divergenz des Strahllbündels zur Folge hat, daß die Röhre praktisch nicht mehr brauchbar ist. Mit niedrigen Anodenspannungen und hohem Strahlstrom arbeitende Röhren sind aber sehr erwünscht, weil die niedrige Anodenspannung eine hoheSteuerempfindlichkeit und der große Strählstrom einen starken Strom im Anodenkreis gewährleistet. Ein starker Strom im Anodenkreis ermöglicht wiederum die Verwendung kleiner Arbeitswiderstände, wodurch eine weitgehende Frequenzunabhängigkeiit erreicht wird. Den Bau solcher Röhren ermöglicht die Erfindung auf folgende Weise: Eine Elektronenbzw. Ionenstrahlröhre mit bandförmigem Strahlbündel enthält ein elektronenoptisches Immersionssystem und darauf folgend ein elektrisches und/oder magnetisches, zeitlich konstantes Querfeld. Zur Erzielung der notwendigen Fokussierung bei starken Strahlströmen (Raumladungskonstante k — > 0,5) ist erfindungsgemäß die Apertur des Strahlbündels an der Eintrittsstelle in das zeitlich konstante Querfeld in Abhängigkeit von der Raumladung so gewählt, daß in der gewünschten Brenn-

ebene (Auffangelektrode) ein scharfer Strich entsteht. Diesem zeitlich konstanten Querfeld oder diesen Querfeldern· wird das zur Ablenkung des Strahles erforderliche Feld überlagert. So kann z. B. bei Verwendung eines kombinierten statischen und magnetischen Querfeldes den sowieso erforderlichen Ablenkplatten neben einer konstanten Gleichspannung auch die Steuerspannung zugeführt werden. Durch Anwendung der vorgenannten Maßnahmen ίο gelingt es, starke StraMströme sdlbst bei niedrigen Anodenspannungen einwandfrei scharf zu fokussieren, so daß nunmehr der Bau einer Elektronen- bzw. Ionenstrahlröhre mit niedrigen Anodenspannungen und hohem Strahlstrom möglich ist. Die Erfindung soll an Hand eines Schaubildes näher erläutert werden i([Abb. ^τ)· Dort ist ein homogenes Magnetfeld zugrunde gelegt, in das ein paralleles Teilchenbündel homogener Geschwindigkeit und Masse an einer durch den Polarwinkel φ = ο gekennzeichneten Stelle eintritt. Die Achse eines solchen Bündels ist bekanntlich ein Kreis vom Radius a, er ist in Abb. 1 auf die Abszissenachse abgerollt. Der radiale Abstand irgendeiner außeraxialen Teilchenbahn von dieser Achse ist mit y »5 bezeichnet und in Abb. 1 als Ordinate aufgetragen. Ist nun die Raumladungskonstantek.= o, d.h. ist keine Raumladung vorhanden, so tritt in bekannter Weise bei achsparallelem Strahleintritt in das magnetische Querfeld eine Fokussierung zu einem scharfen Strich nach Durchlauf en eines Viertelkreises bei π/2 ein. Die Bahn irgendeines Teilchens des Bündels ergibt sich in dem Schaubild als Kosinuslimie, die im Punkt y₀, der Eintrittsstelle in das magnetische Feld, beginnt. Diese Kosinuslinie α schneidet erstmalig die Achse bei π/2, an welcher Stelle sich ein erster Fokussierungspunkt befindet. Steigt nun die Raumladung im Strahl durch Vergrößern der Strahlstromstärke an (k >o), so tritt wegen der immer stärker werdenden gegenseitigen Abstoßung der Teilchen die Fokussierung an einer späteren Stelle ein. Die Kurve b zeigt dies für eine Raumladungskonstante k = 0,5 und läßt erkennen, daß bei dieser Raumladungskonstante gerade noch eine Fokussierung möglich ist, da die Bahn die Abszissenachse in Punkt π tangiert. Wird jetzt die Raumladiungskonstante noch größer, d.h. man arbeitet mit noch stärkeren Strahlströmen, so tritt keine Fokussierung der Elektronen zu einem scharfen Strich mehr ein, wie die Kurven c-e für k > 0,5 eindrucksvoll zeigen. Bei einer Raumladungskonstante k !> ι tritt überhaupt keine Vereinigung des Elektronen- bzw. Ionenbündels mehr ein, son^ dern nach Durchlaufen eines vollen Kreises haben die Elektronen wieder den gleichen Abstand von der Achse wie beim Eintritt in das Querfeld. Auffällig an den gesamten Kurven a-e ist, daß mit Ausnahme der Kurve c die Periode der Kosinusfunktion vollkommen erhalten bleibt und sie lediglich gegenüber der Abs'ziissenachse in der ^-Richtung verschoben und hinsichtlich ihrer Amplitude verändert ist.

Durch die Erfindung wird nun auch bei starken. Strahlströmen (k !> 0,5) eine Fokussierung in beliebigem Abstand, z. B. im Abstand^/2 erzwungen.

Dies geschieht dadurch, daß man den Elektronenbzw. Ionenstrahl beim Eintritt in das magnetische Querfeld nicht mehr parallel zur Achse verlaufen läßt, sondern bereits den Teilchen eine ganz bestimmte Eintrittsrichtung gibt, die durch die Größe der Raumladungskonstante k gegeben ist. Eingehende Untersuchungen haben ergeben, daß man den erforderlichen Eintrittswinkel in einfacher Weise, z. B. für die Kurve e entsprechend einer bestimmten Strahlstromstärke, dadurch ermitteln kann, daß man den aus den Strecken o-y₀ und ο-π/2 gebildeten rechten Winkel mit den Endpunkten der Schenkel y₀ und π/2 an die Kurve e anlegt und so lange verschiebt, bis die beiden Schenkel den Koordinatenachsen parallel verlaufen. Inder Albb. 1 sind die Endpunkte der Schenkel des so verschobenen rechten Winkels mit o', y₀' und π/2' be- zeichnet. Der sich dann zwischen der Strecke o'-y₀' und der Tangente an die Kurve e im Punkte y₀' ergebende Winkel d ist dann der Neigungswinkel a, unter welchem die Bahn der am Punkt y₀ in das Querfeld eintretenden- Elektronen bzw. Ionen gegen die Abszissenachse geneigt sein muß, damit die Teilchen durch den Punkt π/2 hindurchgehen. Die sich ergebende Elektronen- bzw. Ionenbahn ist durch die Kurve f dargestellt. Das Mittel, um den Eintrittswinkel derart einzustellen, ist durch die erfindungsgemäß dem Querfeld vorgelagerte Immersionslinse gegeben, deren Brechkraft durch Variieren ihrer Linsenspannungen entsprechend eingestellt wird. Für die zwischen ο und 3J₀ in das Querfeld eintretenden Teilchen ergibt sich ein entsprechend kleinerer Winkel. Trotzdem werden sämtliche zwischen dem Punkt ο und dem Punkt y₀ eintretenden Teilchen im Punkt 51/2 fokussiert, wenn man dem Randstrahl, der durch y₀ hindurchgeht, die ermittelte Neigung gibt, weil ja jede Linse die Eigenschaft hat, die Randstrahlen stärker als die zentralen Strahlen zu brechen.

Genaue rechnerische Untersuchungen haben ergeben, daß der Abstand zwischen der Eintrittsebene und der Brennlinie, die sich ergeben würde, wenn das Querfeld nicht vorhanden wäre, durch die Beziehung

f =

— sin K φ

K²

j · a² \

cos K ψ

gegeben ist. In dieser Gleichung ist bei Verwendung eines rein magnetischen Querfeldes K — 1 und bei Verwendung eines rein elektrischen Querfeldes K = ]/2 zu setzen, k ist die Raumladungskonstante, und die Größe α ist der gewählte Radius der Kreisbahn der Bündelachse.

Die Raumladungskonstante feg für Elektronen bestimmt sich aus folgender Gleichung:

Hierin bedeutet y₀ die Stromdichte, gemessen ander Eintrittsstelle in das Querfeld in A/cm², und U die Elektronengeschwindigkeit, gemessen in Volt.

Für Ionen errechnet sich die Raumladungs^ konstante kj aus der Beziehung

i λΙ ^μ

^1o \ WTz

Hierin bedeutet wiederum J₀ die Stromdichte an der Eintrittsstelle in das Querfeld, gemessen in A/cm² und U die Teilchengeschwindigkeit in Volt. M ist die Massenzahl und Z die Wertigkeit.

ίο Ein Ausführungsbeispiel einer Elektronenstrahlröhre gemäß der Erfindung zeigt die Abb. 2. Hierin bedeutet 1 eine Glühkathode; 2 und 3 sind weitere Elektroden eines anschließenden Immersionssystems, z. B. in Form von zwei mit einem Schlitz versehenen Blenden. Durch geeignete Wahl ihrer Spannungen wird den Randstrahlen an der Eintrittsstelle in das nicht dargestellte, die Zeichenebene senkrecht durchsetzende magnetische Querfeld die erforderliche Neigung gegeben. Am Ende des Quer-

ao feldes befinden sich zwei Auffangelektroden 5 und 6, von denen die Elekrade 5 z. B. als Schlitzblende ausgebildet sein kann. Die Steuerung des bandförmigen Strahles erfolgt durch Querablenkung mittels der beiden Ablenkplatten 7 und 8, denen die Steuerspannung in bekannter Weise zugeführt wird. Die sich mit einer solchen Röhre ergebende Anodenstromänderung I_a an der Auffangelektrode 6 in Abhängigkeit von der Steuerspannung U_st zeigt die Abb. 3.

Die Erfindung ist nicht auf das Ausführungsbeispiel beschränkt. Zum Beispiel kann' eine Fokussierung an jeder beliebigen Stelle durch entsprechendes Einstellen der Strahlapertur erzielt werden, so daß auch andere Bahnwinkel als 71/2 angewendet werden können. An Stelle einer Kreisbahn kann auch eine geradlinige Bahn verwendet werden.

In diesem Falle muß im Falle der Anwendung eines magnetischen Querfeldes ein zusätzliches, zeitlich konstantes elektrostatisches Ablenkfeld verwendet werden, welches die durch das magnetische Querfeld bewirkte Ablenkung des Strahles gerade rückgängig macht. Die Fokussierung bleibt davon unberührt. Diesem zusätzlichen, zeitlich konstanten statischen Ablenkfeld kann gleichzeitig das Steuerfeld überlagert werden, indem den Ablenkplatten zusätzlich die Steuerspannung zugeführt wird.

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Elektronen- bzw. Ionenstrahlröhre mit bandförmigem Strahlbündel, mehreren Auffangelektroden und Steuerung durch Querablenkung des Strahlbündels, gekennzeichnet durch ein Immersionssystem, auf das ein zeitlich konstantes elektrisches und/oder magnetisches Querfeld folgt, durch eine solche Stromstärke, daß die Raumladungskonstante im Strahlbündel an der Eintrittsstelle in das Querfeld größer als 0,5 ist, und durch eine solche Wahl der Strahlapertur an der Eintrittsstelle in Abhängigkeit von der Strahlstromstärke, daß am Ort der Auffangelektroden ein scharfer Brennstich entsteht.

2. Elektronen- bzw. Ionenstrahlröhre nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung eines kombinierten zeitlich konstanten elektrisch magnetischen Querfeldes den Ablenkplatten neben einer konstanten Gleichspannung die Steuerspannung zugeführt wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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