DE965056C - Einrichtung zur Unterdrueckung der Sekundaerelektronen bei einer Elektronenroehre, deren Elektronenstrahl senkrecht zu gekreuzten statischen elektrischen und magnetischen Feldern verlaeuft - Google Patents

Description

AUSGEGEBEN AM 29. MAI 1957

C 9358'VIIIa /21g

Die Erfindung bezieht sich auf Elektronenröhren mit einer Elektronen emittierenden Kathode, die einen Elektronenstrahl in den Raum zwischen zwei parallelen Elektroden, die auf verschiedenen Gleichpotentialen liegen, aussendet, wobei Mittel vorgesehen sind, um in diesem Raum ein magnetisches Feld zu erzeugen, dessen Kraftlinien sowohl zu dem hierin herrschenden elektrischen Gleichfeld als auch zum Weg des Elektronenstrahls senkrecht stehen.

Bekanntlich hat ein solches Magnetfeld die Wirkung, den Elektronenstrahl in Richtung auf die Elektrode mit dem niedrigeren Gleichpotential (negative Elektrode) hin zu krümmen. Aus diesem und anderen Gründen bombardiert ein gewisser Teil der Elektronen des Strahls diese Elektrode. Diese Bombardierung kann eine Sekundäremission hervorrufen. Wenn die von dieser Sekundäremission herrührenden Elektronen die im allgemeinen in Röhren dieser Art vorgesehene Sammelelektrode für den Elektronenstrahl erreichen, entsteht zwischen der Sammelelektrode und der negativen Elektrode ein unerwünschter Strom, der Verluste durch Erwärmung verursacht. Es ist darum vorteilhaft, diesen Strom zu unterdrücken.

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Es ist bereits vorgeschlagen worden, zu diesem Zweck parallel zur negativen Elektrode ein in geeigneter Weise vorgespanntes Unterdrückungsgitter vorzusehen, das diejenigen Elektronen aufhält, welche die negative Elektrode zu erreichen streben. Tedoch wird dadurch nur der Strom zwischen der Sammelelektrode und der negativen Elektrode durch einen Strom ersetzt, der zwischen dem Unterdrückungsgitter und der Sarnmelelektrode übergeht, wodurch das fragliche Problem nicht gelöst wird.

Die Erfindung hat eine Röhre zum Ziel, die von diesem Nachteil frei ist. Erfindungsgemäß ist die Elektronenröhre, deren Elektronenstrahl senkrecht zu gekreuzten statischen elektrischen und magnetischen Feldern zwischen zwei einander gegenüberstehenden und zueinander parallelen Elektroden verläuft, mit einer Einrichtung zur Unterdrückung der durch den Aufprall von (Primär-) Elektronen auf die auf niedrigerem Gleichpotential liegende Elektrode entstehenden Sekundärelektronen versehen, die dadurch gekennzeichnet ist, daß sie aus Elektronenfallen besteht, die in dem Teil der auf niedrigerem Gleichpotential liegenden Elektrode vorgesehen sind, welcher der anderen, auf höherem Gleichpotential liegenden Elektrode gegenüberliegt.

Vorzugsweise besitzen diese Fallen die Form von Rinnen in der Oberfläche der Elektrode, deren Richtung parallel zu den Kraftlinien des magnetischen Feldes verläuft.

Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung an Hand der Zeichnungen. Hierin zeigt

Fig. ι einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäß ausgebildete Elektronenröhre,

Fig. ι a einen Querschnitt durch die Röhre nach Fig. ι,

Fig. 2 eine Einzelheit der Röhre nach Fig. 1,
Fig. 3 und 5 einen Längsschnitt durch andere Ausführungsarten erfindungsgemäß ausgebildeter Röhren,

Fig. 4 eine Einzelheit der Röhre nach Fig. 3,
Fig. 6 einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäß ausgebildete Wanderfeldverstärkerröhre,

Fig. 7 und 8 Querschnitte senkrecht zur Achse von zwei Ausführungsbeispielen für erfindungsgemäß ausgebildete Magnetrons und

Fig. 9 einen Achsenschnitt durch einen Einzelteil der Röhre nach Fig. 8.

Fig. ι zeigt eine Röhre mit zwei parallelen Elektroden ι und 2, zwischen denen mittels einer Spannungsquelle V₁₁ ein elektrisches Feld E aufrecht-• erhalten wird, wobei die Elektrode 1 positiv (Anode) und die Elektrode 2 negativ ist. Ein durch die Pole 101 und 102 (Fig. ia) erzeugtes Magnetfeld H durchsetzt den Raum zwischen den Elek^L troden in einer zur Zeichenebene von Fig. 1 senkrechten Richtung. Eine Emissionskathode 3, die durch einen Heizfaden, der von einer Spannungsquelle V_c gespeist wird, geheizt wird und mittels der Spannungsquelle V₃ in bezug auf die Elektrode 2 negativ vorgespannt wird (wobei die Spannung V_s erheblich kleiner als V_a ist), sendet Elektronen aus, deren Bahnen unter dem Einfluß der Felder E und H auf die Elektrode 2 zu gekrümmt sind. Am Ende der Bahn des Elektronenstrahls ist eine Sammelelektrode 4 angebracht, die beispielsweise über ein Amperemeter 6 mit der Anodenspannungsquelle V_a verbunden ist Das Ganze befindet sich in einem evakuierten Kolben 5. Erfindungsgemäß sind in der negativen Elektrode 2 Sekundärelektronenfallen 8 angebracht. In Fig. ι sind diese Fallen als Rinnen oder Aussparungen gezeichnet, die in dieser Elektrode in zum Magnetfeld paralleler Richtung vorgesehen sind. Zwei dieser Fallen sind in Fig. 2 in vergrößertem Maßstab dargestellt. Die Tiefe p der Rinnen ist um ein Mehrfaches größer als ihre Breite d. Das elektrische Gleichfeld kann demnach innerhalb jeder Rinne als nicht vorhanden und im Raum zwischen den Elektroden 1 und 2 als annähernd konstant angesehen werden. Die Breiten d sind wiederum um ein Mehrfaches größer als die Dicken α der Zähne zwischen den Rinnen. Wenn in-erster Annäherung angenommen wird, daß alle Elektronen dieKathode 3 in zu ihr senkrechter Richtung verlassen und daß infolgedessen die auf Zykloidenbahnen die Elektrode 2 erreichenden Elektronen eine zur letzteren senkrecht gerichteteAufprallgesc.hwindigkeit haben, treten die Elektronen in die in Fig. 2 gezeigte Rinne mit einer Geschwindigkeit ein, welche dem Potential V_s der Elektrode 2 entspricht, sowie mit einer Richtung, die zu den Seitenwänden der Rinne parallel ist. Wenn Elektronen (mit einer gewissen Anfangsgeschwindigkeit) allein der Wirkung des magnetischen Feldes H unter Ausschluß jedes elektrischen Feldes unterworfen werden, beschreiben sie bekanntlich Kreise, deren Radius in cm sich aus folgender Formel ergibt:

R = 3,37 ^ ^T/

Hierbei ist V₅ in Volt und H in Gauß auszudrücken. Die konkave Seite der Elektronenbahnen ist im Raum zwischen den Elektroden 1 und 2 der Elektrode 2 zugekehrt. Daher ist die Bahn eines Elektrons in der Rinne, die sich an die Bahn im Raum zwischen den Elektroden 1 und 2 anschließt, ein Kreisbogen, zu welchem die Elektronengeschwindigkeit am Eingangspunkt M (Fig. 2) des Elektrons in die Rinne tangential ist, wobei das Elektron längs des Kreisbogens in Richtung auf die Wand c der Rinne fortschreitet. Um also zu gewährleisten, daß ein Primärelektron die Rinne nicht verlassen kann, ist es erforderlich, daß es die in Richtung auf das Elektronenstrahlerzeugungssystem gelegene Wand c der Rinne trifft. Wenn also d die Breite der Rinne ist, muß dafür gesorgt werden, daß d<2R ist, wobei 2 R der Durchmesser des vom Elektron beschriebenen Kreises ist. In diesem Falle tritt ein Aufprall sicher ein. Wenn V_s = 300 Volt und H = 500 Gauß gewählt wird, ergibt sich R zu 0,116 cm. Es genügt also, if < 0,232 cm zu machen.

Die auf die Wände c der Fallen auftreffenden Primärelektronen erzeugen Sekundärelektronen, deren Anfangsgeschwindigkeit einer Beschleunigungsspannung V_sec entspricht. Eine Untersuchung des Energiespektrums der Sekundärelektronen zeigt nun, daß die überwiegende Mehrzahl (90%) der Sekundärelektronen die emittierende Fläche mit Geschwindigkeiten verläßt, deren entsprechendes Potential V_sec kleiner als 20 Volt ist, wenn V_s größer als 50 Volt wird. Diese Sekundärelektronen verlassen die Wand c mit einer Anfangsgeschwindigkeit, die stets gegen den Boden der Rinne oder höchstens horizontal gerichtet ist. Um zu gewährleisten, daß sie zu dieser Wand c zurückkehren, genügt es also, wenn r der Radius ihrer Bahn ist, d > 2 r zu wählen.
Mit den angenommenen Zahlenwerten ergibt sich

%vj 1/20
r = -^ο--·^-Λ— ₌ 0,03 cm;

5°o

d wird man also so wählen, daß

0,06 cm < d < 0,232 cm ist,

beispielsweise d = 0,2 cm.

Sekundärelektronen mit geringer Geschwindigkeit, die bei weitem den größten Teil des Emissionsspektrum einnehmen, haben nur eine geringe Chance, eine Tertiäremission hervorzurufen. Andererseits sind die Sekundärelektronen mit verhältnismäßig hoher Geschwindigkeit (10% der Gesamtzahl der Elektronen) imstande, beim Auftreffen auf die Wand c der Falle Tertiärelektronen zu erzeugen. Diese Tertiärelektronen kehren zur selben Wand c der Falle zurück wie die Primär- und Sekundärelektronen.

Es sei nun der ungünstigste Fall betrachtet, d. h. der Fall, wo die Primärelektronen in der Rinne in einer Entfernung R von der Wand c ankommen und wo die Sekundär- und Tertiärelektronen senkrecht zu dieser Wand mit der höchstmöglichen, durch das Potential V_s gelieferten Geschwindigkeit emittiert werden. Wenn die Tiefe der Falle gleich 5 R ist, kehren alle Tertiärelektronen auf die Wand c zurück. Wenn man also sicher sein will, daß alle Tertiärelektronen auf die Wand c zurückkehren, genügt es, der Falle eine Tiefe 5 R zu geben. Wenn auch noch die Quaternärelektronen auf die Wand c zurückkehren sollen, muß die Tiefe ρ zu J R gewählt werden, also im obigen Beispiel 8 mm. In der Praxis kann diese Tiefe geringer sein, da es nicht unerwünscht ist, daß die Elektronen möglicherweise nicht nur durch die Wand c, sondern auch durch den Boden der Falle und die Wand b (Fig. 2) absorbiert werden, bis hinauf zu einer gewissen Höhe der letzteren über dem Boden. Die obigen Angaben zeigen, daß die Anzahl schneller Quaternärelektronen vernachlässigbar ist, d^!. h. daß die Falle praktisch alle durch die verschiedenen aufeinanderfolgender Sekundäremissionen erzeugten Elektronen wirksam absorbiert hat.

Es ist jedoch wichtig, daß die Primärelektronen den oberen Bereich der Wand b nicht treffen, denn wenn dies geschehen würde, könnten die Sekundärelektronen aus der Falle entweichen und die Sammelelektrode erreichen. Dies ist dann möglich, wenn der Einfallswinkel der Primärelektronen auf die negative Elektrode erheblich kleiner als 90⁰ ist. Nun ist dieser Winkel mit dem elektrischen Feld £.im Raum zwischen den Elektroden 1 und 2, dem magnetischen Feld H und dem Potential V_s durch folgende Formel verknüpft:

= ]/n_l38 -^

Hierbei ist E in V/cm, H in Gauß, V_s in Volt ausgedrückt. Dieser Winkel ist gleich π, wenn V_s = ο wird. Um zu gewährleisten, daß die Primärelektronen die Wand b nicht treffen, genügt es, der Rinne eine Neigung Θ in Richtung auf das Elektronenstrahlerzeugungssystem hin zu geben (Fig. 4). Fig. 3 zeigt die mit Rinnen nach Fig. 4 versehene Röhre der Fig. 1.

Fig. 5 zeigt eine Ausführungsform, die insofern von Fig. ι abweicht, als noch ein Gitter 7 in der Nähe der negativen Elektrode parallel zu der Oberfläche der Oberkanten der Fallen angebracht ist. Dieses Gitter kann entweder auf das Potential der letzteren oder auf ein Gleichpotential V_g gebracht sein, das geringer als V_s ist. Die Verwendung solcher Gitter ist bei Röhren bekannt, deren negative Elektrode keine Fallen aufweist. Erfindungsgemäß ist das Gitter so angeordnet, daß die freien Räume zwischen den Gitterdrähten mit den Eiugangsöffnungen der Fallen zusammenfallen, so daß die den Gitterdrähten gegenüberliegenden Vorderseiten der Zähne durch die Gitterdrähte gegen den Aufprall ankommender Elektronen abgeschirmt sind.

Ein anderes Mittel, um Sekundäremission von ioo diesen Vorderseiten zu verhindern, besteht darin, auf ihnen einen Überzug aus einer Substanz mit niedrigem Sekundäremissionsfaktor, beispielsweise Graphit, anzubringen. Der Körper der negativen Elektrode kann aus einem Metall mit einem beliebigen Sekundäremissionsfaktor, beispielsweise Kupfer, bestehen. Die Erfindung -bietet besondere Vorteile bei Wanderfeldröhren mit gekreuzten elektrischen und magnetischen Feldern, da im Wechselwirkungsraum solcher Röhren die Sekundärelektronen nicht in der zur Verstärkung günstigen Phase sind, so daß ihre Anwesenheit den Wirkungsgrad solcher Röhren herabsetzt.

Fig. 6 zeigt eine Verstärkerröhre dieser Art, die mit einer negativen Elektroden gemäß der Erfindung ausgerüstet ist. Sie unterscheidet sich von der in Fig. 3 gezeigten Röhre im wesentlichen nur dadurch, daß die dortige Anodenplatte 1 durch eine Verzögerungsleitung 9 mit einem Eingang 11 für die Zuführung der zu verstärkenden Wellen und einem Ausgang 12 für die Abnahme der verstärkten Wellen ersetzt ist. Der Kolben 5 ist aus Metall anstatt aus isolierendem Material, während die negative Elektrode 2 von dem Kolben durch Querstege 10 isoliert ist. Die Fallen 8 sind wie in Fig. 3 geneigt.

Die Erfindung ist auch auf Magnetrons anwendbar. Zwei Beispiele solcher erfindungsgemäß aufgebauter Magnetrons sind in Fig. 7 und 8 gezeigt.

Fig. 7 zeigt ein Magnetron mit einer Anode 13, die Resonatoren 14 und einen Ausgang 15 aufweist. Die Kathode besteht aus einer Anzahl von Heizfäden 16, die um den negativen Zylinder 17 herum angeordnet sind. In letzterem sind die Fallen 18 angeordnet, deren Breite dem Raum zwischen zwei Heizfäden entspricht. Der Zylinder 17 kann auf demselben Gleichpotential wie die Heizfäden liegen, gegebenenfalls aber, wie in Fig. 7 dargestellt, wird dieser Zylinder auf ein leicht positives Potential in bezug auf die Heizfäden gebracht, um die Fokussierung der Primärelektronen auf die Fallen zu verbessern. Die Speisung von den Spannungsquellen V_a, V_s und V_c wird durch die Zuführungen 19, 20 und 21 bewirkt.

Die Ausführungsart nach Fig. 8 unterscheidet sich von derjenigen nach Fig. 7 darin, daß die Primäremission von zwei indirekt geheizten ringförmigen Kathoden 22 ausgeht, die in dem in Fig. 9 dargestellten Längsschnitt sichtbar sind. Jede Kathode besteht (Fig. 9) aus einem emittierenden Ring 22, der durch eine Heizwicklung 23 geheizt wird, wobei die beiden Heizwicklungen mittels eines Leiters, der sich durch eine axiale Bohrung 24 im Zylinder 17 hindurch erstreckt, in Reihe geschaltet sind. Im übrigen unterscheidet sich das Magnetron nicht von demjenigen nach Fig. 7 und enthält insbesondere in derselben Weise angeordnete Fallen 18, d. h., die als Fallen dienen-■den Rinnen 18 verlaufen parallel zu der Längsachse der Röhre.

Claims (7)

1. Patentansprüche:

   i. Einrichtung zur Unterdrückung der Sekundärelektronen, die bei einer Elektronenröhre, deren Elektronenstrahl senkrecht zu gekreuzten statischen elektrischen und magnetischen Feldern zwischen zwei einander gegenüberstehenden und zueinander parallelen Elektroden verläuft, durch den Aufprall von (Primär-) Elektronen auf die auf niedrigerem Gleichpotential liegende Elektrode entstehen, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Unterdrückung der Sekundärelektronen aus Elektronenfallen besteht, die in dem Teil der auf niedrigerem Gleichpotential liegenden Elektrode vorgesehen sind, welcher der anderen, auf höherem Gleichpotential liegenden Elektrode gegenüberliegt.
2. 2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fallen aus zur Richtung des Magnetfeldes parallelen Rinnen bestehen.
3. 3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt der Rinnen ein Parallelogramm bildet.
4. 4. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt der Rinnen ein Rechteck bildet.
5. 5. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Wände der Rinnen in Richtung auf das Elektronenstrahlerzeugungssystem hin. geneigt sind.
6. 6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche der Wände der Fallen mit einem Material mit niedrigem Sekundäremissionsfaktor überzogen sind.
7. 7. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß im Raum zwischen den beiden Elektroden ein negativ vorgespanntes Drahtgitter, dessen Drähte parallel zu den 75 Rinnen verlaufen, derart angebracht ist, daß die Drähte etwas über den zwischen den einzelnen Rinnen stehengebliebenen Wänden zu stehen kommen.

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   In Betracht gezogene Druckschriften:
   USA.-Patentschrift Nr. 2 414 121.

   Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

   © 609 737/302 12.56 (709 524/247 5. 57)