DE927590C - Strahlentransformator - Google Patents

Description

(WiGBl. S. 175)

AUSGEGEBEN AM 12. MAI 1955

W 684 VIIIcJ2ig

Strahlentransformator

Unter der Bezeichnung Strahlentransformator ist eine Einrichtung bekannt, bei welcher Elektronen in einer Vakuumröhre zu einem mehrmaligen Umlauf in einem mittels Induktion, d. h. mittels eines sich zeitlich ändernden magnetischen Flusses hergestellten elektrischen Wirbelfeld gezwungen werden. Zur Aufhebung der Fliehkraft dient dabei ein weiteres, mit dem genannten Indufciionsfktß parallel und gleichgerichtetes magnetisches Feld, das Steuerfeld genannt worden ist. Auf diese Weise können außerordentlich schnell bewegte Elektronen, nämlich solche von nahezu der Lichtgeschwindigkeit hergestellt werden. Wenn das sich ändernde magnetische Feld axialsymmetrisch verläuft, wie z. B. das Feld zwischen zwei kreisförmigen parallelen Magnetpolen, so bilden die elektrischen Wirbel Kreise, und die Elektronen verlaufen unter bestimmten Bedingungen kreisförmig. Die Elektronen folgen dabei den Kraftlinien des elektrischen Wkbelfeldes, wenn die nach außen wirkende Zentrifugalkraft und die nach der Achse des magnetischen Flusses hin gerichtete und auf ihr senkrecht stehende sogenannte Lorentzkraft, d. h. die Kraftwirkung, welche ein bewegtes Elektron, das ja einen galvanischen Strom darstellt, in einem magnetischen Feld erfährt, einander aufheben. Eine weitere Bedingung dafür, daß die Elektronen kreisförmige Bahnen in senkrecht zum sich ändernden magnetischen Fluß liegenden Ebenen durchlaufen, besteht darin, daß bei ungewollten Abweichungen aus der Kreisbahn Kräfte wirksam werden, welche die Elektronen auf die Kreisbahn zurücktreiben. Es ist bereits bekannt, eine derartige Stabilisierung der Elektronenbewegung in der radial zum Bahnkreis liegenden Richtung mittels des genannten magnetischen Steuerfeldes zu bewirken. Es ist außerdem bekannt, die

Polschuhe derart kegelförmig auszubilden, daß der Luftspalt zwischen den Polschuhen mit zunehmender Entfernung von der Achse des Flusses immer größer wird und die Kraftlinien des magnetischen Flusses daher nach außen konvex gekrümmt verlaufen. Hierdurch wird, sofern die magnetische Feldstärke weniger stark als umgekehrtproportional dem Abstand von der Flußachse abnimmt, neben der Stabilisierung in axialer Richtung auch noch ίο eine Stabilisierung in radialer Richtung erreicht. Schließlich ist es bekannt, " mittels elektrischer Felder stabilisierende Kräfte auf die Elektronen auszuüben. Hierbei werden Rohre vorgesehen, welche von den Elektronen in Längsrichtung durchlaufen werden und welche durch Längsschlitze in vier Teile geteilt sind, die paarweise Potentiale von entgegengesetzten Polaritäten aufweisen. Als Ergänzung kann je eine positiv geladene ringförmige Elektrode zwischen zwei Rohren vorhanden sein, welche ebenfalls von den Elektronen durchsetzt wird.

Gemäß der Erfindung soll eine wirksamere Stabilisierung der Elektronenbahnen und dadurch ein geringerer Querschnitt der Vakuumröhre oder auch die Möglichkeit, größere Stromstärken im Kreisstrom zu, erreichen, beleinemStrafolmtransformator mit einer Mehrzahl von ringförmigen Elektroden, welche längs der Kreisbahn angeordnet sind und von den Elektronen durchsetzt werden, dadurch geschaffen werden, daß diese Elektrpden, in Elektronenlauf richtung gesehen, dicht auf einanderf algen und abwechselnd positives und negatives Potential aufweisen.

Eine Ausführungsform der Erfindung wird an Hand der Abb. 1 und 2 der Zeichnung erläutert. In Abb. ι ist durch den strichpunktierten Kreisbogen 10 der Bahnkreis der Elektronen dargestellt/ Die Wandung der Vakuumröhre ist mit 11 bezeichnet und schraffiert angedeutet. Innen an der Röhrenwand sind, wie auch aus Abb. 2, welche eine Ansicht eines Schnittes durch die Röhre, in der Richtung der Tangente an den Bahnkreis gesehen, darstellt, her vorgebt, an den Ansätzen! 12 zwei leitende Schienen 13 und 14 befestigt. Diese Schienen besitzen demnach Kreisform, und zwar ist der Durchmesser der Schiene 13 größer als derjenige der Schiene 14, wenn die Achse des Flusses bei 15 durch die Zeichenebene hindurchgeht. An jeder der Schienen 13 und 14 sind nun eine Anzahl von Ringelektroden befestigt, und zwar an der Schiene 13 die Ringelektroden 16 -und an der Schiene 14 die Ringelektroden 17, wie es auch in Abb. 2 erkennbar ist. Die Achse des magnetischen Flusses ist in Abb. 2 mit 15 bezeichnet ebenso wie in Abb. x. Die Ringelektroden 16 und 17 sind auf abwechselnd positive und negative Potentiale aufgeladen. Dabei kann z. B. das Potential aller Elektroden 16 positiv gegenüber dem Potential der letzten Elektrode des Einführungsrohres für den Elektronenstrom in die Kreisbahn sein und das Potential aller Elektroden negativ gegenüber dieser letzten Elektrode. Vorzugsweise sollen jedoch die negativen Elektroden auf dasselbe Potential gelegt werden wie dasjenige an der letzten Elektrode des Einführungsrohres, und die positiven Elektroden erhalten somit alle eine entsprechend größere Potentialdifferenz gegen diese letzte Einführungselektrode. Man kann dann mit einer kleineren Spannung zur Beschleunigung des in die Kreisbahn einzuführenden Elektronenstromes auskommen, da die Potentialdifferenz zwischen den positiven Elektroden und der letzten Einführungselektröde ebenfalls noch eine Beschleunigung der Elektronen bei ihrem Eintritt in die Kreisbahn bewirkt. Die Spannungen für die Elektroden 16 und 17 werden über die Leitungen 18 und 19, welche durch die Röhrenwand hindurchgeführt sind, zugeführt.

Um eine möglichst starke Stabilisierungswirkung zu erreichen, ist die Potentialdifferenz zwischen den positiven und negativen Linsenelektroden mögliehst groß zu machen.

Man kann diese Spannung bis an die Grenze des innerhalb des Vakuums zulässigen Wertes bringen, wenn man die Außenwand der Kreisröhre mit einem auf festem Potential, ζ. B. auf dem Potential der negativen oder der positiven Elektroden (oder auf dem Mittelwert dieser Potentiale) liegenden leitenden Überzug versieht, ohne Gleitentladungen auf der Außenseite der Kreisröhre befürchten zu müssen. Wenn man in dieser Weise die Spannung zwischen den Elektroden bemiißt, so ergeben sich Stabilisierungskräfte, die, wie eine einfache Rechnung zeigt, bei gleicher, in der Größenordnung der Linsenspannung Hegender Amfangsspannung etwa hundertmal so groß werden wie bei den bisherigen S tabilisieruiigsmethoden.

Um bei der erfindungsgemäßen Stabilisierung durch Elektronenlinsen die Einführung des Elektronenstromes in die Kreisbahn von einer weit außerhalb desGleichgewi'dhitslcreiiisesi liegenden Stelle aus zu ermöglichen, sollen gemäß der weiteren Erfindung die Ringelektroden an der Einführungsstelle einen größeren Durchmesser haben und schwächere Stabilisierungskräfte erzeugen, als an den übrigen Stellen der Kreisbahn, wobei aber die Linsenachse mit der Röhrenachse überall zusammenfallen soll und die Stabilisierungskräfte der Linsen an der Einführungsstelle in der Bewegungsrichtung der Elektronen plötzlich abnehmen und sodann langsam wieder zunehmen. Eine derartige Ausbildung der Linsenelektroden ist in Abb. 3 dargestellt, und zwar ist dabei der Bahnkreis 10 durch eine gerade gestreckte strichpunktierte Linie angedeutet, und dieLinsenellektroden 16 und 17 sind zeichnerisch etwas einfacher dargestellt als in Abb. 1 und 2. Wenn die Abstände zwischen den positiven und negativen Linsenelektroden in der Richtung der Linie 10 überall dieselben sind und auch stets gleiche Potentialdifferenzen zwischen den Linsenelektroden liegen, d. h. alle Elektroden auf demselben Potential liegen und auch alle Elektroden 17 sich auf demselben (aber von 16 verschiedenen) Potential befinden, so werden bei einer Vergrößerung der Elektrodendurchmesser für gleiche Abstände von der Achse die Stabilisierungskräfte geringer. Das Elektroneneinlaßrohr ist in

Abb. 3 mit 20 bezeichnet. Es können innerhalb dieses Einlaßrohres ebenfalls Elektronenlinsen eingebaut werden, die jedoch nur zur Beschleunigung und zur Fokussierung des in die Kreisröhre einzuführenden Elektronenstromes dienen und in Abb. 3 nicht mit dargestellt sind. Sofern sich am Kreisumfang nur eine Einführungsstelle für die Elektronen befindet, hat die Kreisröhre mit den Linsenelektroden beispielsweise die in Abb. 4 dargestellte Form (wobei die Ausgestaltung der Röhre zum Zwecke der Ausführung des beschleunigten Elektronenstromes jedoch noch nicht dargestellt ist und auch die Linsenelektroden weggelassen sind), und sofern sich zwei Einführungsstellen am Kreisumfang befinden, die in Abb. 5 dargestellte. In dieser ist die eine Einführungsstelle wieder mit 20 bezeichnet und die zweite Einführungsstelle mit 21.

Zur Erläuterung der Wirkungsweise der Durchmesservergrößerung der Linsenelektroden an der Einführungsstelle sei auf die Abb. 6 Bezug genommen. In dieser sind die Linien 22 ungefähr die Äquipotentiallinien des auf die Elektronen einwirkenden stabilisierenden! Kraftfeldes (nicht etwa die Äquipotentiallinien des elektrischen Feldes der Linsenelektroden). Ein Elektron, welches an der Einführungsstelle 21 in die Kreisröhre eingeführt wird, erfährt dabei zunächst von dem Augenblick an, in welchem es die Äquipotentiallinie 22' durchsetzt, bis zu dem Augenblick, in welchem es auf der Linie 22" angekommen ist, eine Beschleunigung etwa in der Einlaufrichtung. Durch die Stabilisierungskräfte der Linsen wird es sodann bei einem Umlauf eine mehr oder weniger große Anzahl von Transversalschwingungen, d. h. von Schwingungen, die senkrecht zur Linie 10 verlaufen, ausführen, wobei, sofern die Transversalgeschwindigkeit des Elektrons im Punkte P₁ Null ist, die unterhalb der Achse 10 gelegene Äquiipotenti'alilinie 22'", welche das entgegengesetzt gleiche Potential wie 22" hat, nicht überschritten werden kann, da auf dieser das Elektron wieder die Transversalgeschwindigkeit Null angenommen hat. - Diese Transversalschwingungen, die wegen des Fehlens jeder Dämpfung völlig ungedämpft verlaufen würden, können dazu führen, daß nach einem Umlauf das Elektron gerade eine ganze Anzahl von Schwingungen durchlaufen hat, d. h. auf dem Punkte P₂ angekommen ist. Die potentielle Energie der Transversalschwingung, die es in diesem Punkte besitzt, wird nun dadurch vermindert, daß wegen der plötzlichen Erweiterung, welche die Äquipotentiallinien an dieser Stelle haben, eine Kraft mit einer in der Richtung der Bahnkreistangente liegenden Komponente auf das Elektron einwirkt. Hierdurch wird also die Schwingungsenergie zugunsten einer Beschleunigung in der Kreistangentenrichtung vermindert, so daß die Transversalschwingungen bei öfterer Wiederholung dieses Vorgangs allmählich gedämpft werden. Man sieht also, daß die Durchmesservergrößerung der Linsenelektroden an der Einführungsstelle zwei verschiedene Wirkungen hat. Die erste Wirkung besteht darin, daß man die Möglichkeit gewinnt, einen Elektronenstrom in die Kreisbahn einzuführen und doch den ganzen Kreisumfang mit elektrischen Linsen besetzen kann. Die zweite Wirkung besteht darin, daß die Transversalschwingungen, welche die in die Kreisbahn eingeleiteten Elektronen ausführen, bei mehrmaliger Wiederholung des Umlaufs allmählich gedämpft werden.

Aus dem letzteren Grunde kann es auch zweckmäßig sein, die Elektronenlinsen auch an Stellen, an denen keine Elektronen in die Kreisbahn eingeführt werden, in derselben Weise auszubilden wie an den Einführungsstellen. Wenn die Beschleunigungsröhre also nur eine einzige Einlaßstelle für den Elektronenstrom besitzt, kann es doch vorteilhaft sein, sie so, wie in Abb. 5 dargestellt, auszubilden. Die Stelle 20 dient dann zur Einführung, und die Erweiterungsstelle 21 (die bei zuerst besprochener Benutzung der Röhre nadh Abb. 5 ebenfalls zur Einführung des Elektronenstroms diente) hat dann lediglich den Zweck, die Transversalschwingungen zu dämpfen.

Es ist nun noch zu erläutern, wie man die Linsenelektroden an derjenigen Stelle, an welcher der Elektronenstrom aus der Kreisbahn abgeleitet werden soll, ausbilden muß. An dieser Stelle müssen die Linsenelektroden ebenfalls einen größeren Durchmesser erhalten; es muß jedoch, im Gegensatz zu der Einführungsstelle, dafür gesorgt werden, daß die stabilisierenden Kräfte an der Ausführungsstelle dieselben sind wie an den zwischen den Einführungsstellen und den oben bereits erwähnten Stellen liegenden Punkten des Kreisumfangs, an denen die Linsenelektroden lediglich zum Zwecke der Dämpfung von Transversalschwingungen in derselben Weise ausgebildet sind, wie an den Einführungsstellen selbst. Wenn man an den Ausführungsstellen den Abstand der Linsenelektroden voneinander verkleinert, die Spannung zwischen den Elektroden jedoch unverändert läßt, so verlaufen die Äquipotentiallinien des stabilisierenden Kraftfeldes so, wie in Abb. 7 dargestellt, in welcher der Einfachheit halber die Anordnung und die Äquipotentiallinienverlauf nur oberhalb der Achse 10 dargestellt ist. Die Richtung des austretenden Elektronenstromes ist 23.

Um an der Ausführungsstelle für den Elektronenstrom die auf der Kreisbahn umlaufenden Elektronen zu einem Verlassen des Bahnkreises zu zwingen, werden, wie in Abb. 8 angedeuitest, beiderseits der Kreisbahn zwei Plattenelektroden 24 und 25 angebracht und über einen Schalter 26 und eine Spannungsquelle 27 miteinander verbunden, wie die Abb. 9 zeigt. Um den Elektronenstrom auszuführen, muß dieser Schalter dann geschlossen werden, so daß die Platten 24 und 25 die in Abb. 9 durch Plus- und Minuszeichen angedeuteten Potentiale annehmen. Wenn man die Linsenelektroden aus einem Widerstandsmaterial oder aus sehr dünnen Metallbelegungen auf einer Unterlage aus Isolierstoff anfertigt, gilt im Augenblick der Schalterschließung für die sich dann abspielenden Vorgänge annähernd das in Abb. 10 gezeichnete Ersatzschaltbild. In Abb. 10 ist die Reihenschaltung dreier Kondensatoren 28, 29, 30 dargestellt, wobei dem Konden-

sator 29 noch ein Wirkwiderstand 31 parallel geschaltet ist. Je eine Belegung der Kondensatoren 28 und 30 entspricht den Plattenelektroden 24 und 25 in den Abb. 8 und 9. Die jeweils gegenüberstehende Belegung von 28 und 30 entspricht denjenigen Teilen der aus Widerstandsmaterial gefertigten Linsenelektroden, welche den Platten 24 und 25 unmittelbar benachbart sind. Die beiden Platten des Kondensators 29 entsprechen den eben erwähnten

Teilen der Linsenelektroden, während der Widerstand 31 demjenigen Teil der Linsenelektroden entspricht, der die den Platten 24,25 gegenüberstehenden Teile verbindet. Wenn zwischen die Platten 24 und 25 in Abb. 8 durch die Schließung des Schalters

26 die Gleichspannuog27 gelegt wird, so teilen sich im ersten Augenblick die an den Kondensatoren 28, 29 und 30 liegenden Spannungen entsprechend den Kapazitäten auf. Der Kondensator 29 entlädt sich sodann über den Widerstand 31 schnell wieder, wie in Abb. 11 dargestellt, in der bei t₀ der Schalter 26 geschlossen werden möge und u die Spannung an 29 bedeutet, so daß die Ladung an 29 schnell· wieder verschwindet und der Elektronensitrom ame der Kreisbahn abgeleitet wird, obwohl diese Kreis-

bahn durch die Linsenelektroden gegen elektrostatisoheBeeinnussung mittels außerhalb der Linsenelektroden liegender Platten abgeschirmt zu sein scheint. Da der gesamte Elektroneninhalt des Kreisstromes die Platten 24, 25 in sehr kurzer Zeit durchläuft, kann man trotz der Entladung über 31 die Spannung an den Platten für den Ablenkungsvorgang als praktisch konstant annehmen.

Claims (6)

1. PATENTANSPRÜCHE:

   i. Strahlentransformator, bei welchem Elektronen auf einer kreisförmigen Bahn zu mehrmaligem Umlauf in einem mittels Induktion hergestellten elektrischen Wirbelfeld gezwungen werden, mit einer Mehrzahl von ringförmigen Elektroden, welche längs der Kreisbahn angeordnet sind und von den Elektronen durchsetzt werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden, in Elektronenlaufrichtung gesehen, dicht aufeinanderfolgen und abwechselnd positives und negatives Potential aufweisen.
2. 2. Strahlentransformator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden auf der Innenseite der Röhrenwand angeordnet sind, während die Außenwand mit einem auf festem Potential befindlichen leitenden Überzug versehen ist.
3. 3. Strahlentransformator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringelektroden an der Einführungsstelle für die Elektronen einen größeren Durchmesser haben und schwächere Stabilisierungskräfte erzeugen, wobei die Linsenachse mit der Röhrenachse überall zusammenfällt und die Stabilisierungskräfte der Linsen an der Einführungsstelle in der Bewegungsrichtung der Elektronen plötzlich abnehmen und sodann langsam wieder zunehmen.
4. 4. Strahlentransformator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektronenlinsen auch an Stellen, wo keine Elektronen eingeführt werden, in derselben Weise ausgebildet sind wie an den Einführungsstellen, so< daß eine Abschwächuhg der stabilisierenden Kräfte zum Zwecke der Dämpfung von Transversalschwingungen der Elektronen vorhanden ist.
5. 5. Strahlentransformator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Linsenelektroden an der Ausführungsstelle der Elektronen einen größeren Durchmesser erhalten, dabei aber die anderen Bestimmungsstücke der Linsen derart geändert werden, daß die stabilisierenden Kräfte an der Ausführungsstelle dieselben sind wie an den zwischen den Einführungsstellen und den Stellen gemäß Anspruch 5 liegenden Stellen der Elektronenbahn.
6. 6. Strahlentransformator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Linsenelektroden aus einem Widerstandsmaterial oder aus sehr dünnen Metallbelegungen hergestellt werden und außerhalb der Linsenelektroden besondere Ablenkelektroden zur Ausführung der Elektronen aus der Kreisbahn angeordnet sind.

   Angezogene Druckschriften:
   USA.-Patentschrift Nr. 2 193 602;
   Archiv für Elektrotechnik, Bd. 21, 1928, S. 387.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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