CH282861A - Einrichtung zur Erzeugung eines Elektronenstrahls. - Google Patents

Description

  Einrichtung zur Erzeugung eines Elektronenstrahls.    Die Erfindung bezieht sich auf eine Ein  richtung     zur    Erzeugung eines Elektronen  strahls (Elektronenkanone), die dadurch ge  kennzeichnet ist,     dass    die emittierende     Hohl-          fläehe    einer Kathode, deren Krümmung vom  Zentrum zum Rande zunimmt, gegenüber  einer Zusatzelektrode angeordnet ist, die  einen konvergierenden     Durchlass    besitzt, wo  bei die Zusatzelektrode gegenüber der Ka  thode auf einer positiven     Gleichvorspannung     gehalten ist,

   so     dass    durch die emittierende  Hohlfläche der Kathode freigesetzte Elek  tronen durch den     Durehlass    hindurchgehen  und einen Strahl mit einer     Quersehnittsfläehe     bilden, die erheblich kleiner als der Flächen  inhalt der emittierenden     Hohlfläehe    ist.  



  Die Elektronenkanone kann überall ver  wendet werden, wo ein wohldefinierter  Elektronenstrahl hoher Intensität erwünscht  ist. Einige Beispiele hierzu werden später ge  geben, darunter auch die Anwendung der  Elektronenkanone in einer     Kraftverstärker-          röhre.     



  Ausführungsbeispiele der erfindungsge  mässen Elektronenkanone sind im folgenden  an Hand der beiliegenden Zeichnung näher  erläutert. Es zeigen:       Fig.   <B>1</B> einen Querschnitt der Elektronen  kanone,       Fig.    2 und<B>3</B> konstruktive Methoden zur  Halterung der Kathode und       Fig.    4 eine Triode mit einer solchen  Elektronenkanone.    Die Elektronenkanone besteht aus zwei  speziell geformten Elektroden, nämlich aus  einer Kathode mit emittierenden -und nicht  emittierenden Teilen und einer     zudätzlichen     Elektrode.

   Formgebung und relative Lage  von Kathode und Zusatzelektrode sind ver  antwortlich für die gewünschten Eigenschaf  ten der Kanone und diese Informationen sind  deshalb in Einzelheiten gegeben in     Fig.   <B>1.</B>  Die Dimensionen in dieser Figur sind nur  relativ. Die absolute Grösse der ganzen An  ordnung kann verändert werden, ohne die  Werte für den     Strahlstrom    zu verändern, der  <B>3</B>  dem V 2 -Gesetz folgt. Ebenso ändert sich  hierbei nicht die     Stromverdiehtung,    das ist  das Verhältnis der emittierenden     Kathoden-          oberfläehe    zum engsten Strahlenquerschnitt.

    Ihr Betrag ist in der Grössenordnung von  <B>230.</B> Für feste     Anodenspannung    hingegen  verändert sich die     Strahlstromdichte    im sel  ben Masse, wie das System vergrössert wird.  Eine praktische Grösse der Elektronenkanone  erhält man, wenn man die     Dimensionen-          zahlen    der     Fig.   <B>1</B> als Millimeter annimmt.  



  In     Fig.   <B>1</B> ist die emittierende Fläche der  Kathode mit<B>1</B> bezeichnet und stellt -eine  Hohlfläche dar, deren Krümmung in     dssr     Mitte am geringsten ist und nach dem Rande  hin zunimmt. Genauer ausgedrückt, ist die  gezeigte Oberfläche Teil eines     Rotationsellip-          soids,    in dem das     Aehsenverhältnis        1,3-1    be  trägt, Wie gezeigt, hat diese Hohlfläche eine      Tiefe von<B>6,13</B> und einen Durchmesser von  <B>18,6,</B> wobei die grosse     Ellipsoidachse   <B>18,85</B>  und die kleine     Ellipsoidachse    14,5 ist.

   Diese  Zahlen haben     nur    relative Bedeutung, wie  schon erwähnt. Der nicht emittierende Teil  der Kathode besteht aus den nicht emittieren  den Flächen 2 und<B>3.</B> Fläche 2 ist die eines  Kegels mit dem     Öffnungswinkel   <B>22,50.</B> Die  Fläche<B>3</B> ist eben, senkrecht     zur        Symmetrie-          und    Rotationsachse<B>5</B> und     erstreekt    sich ein  wärts nach der positiven Elektrode 4. Die  Kathodenteile<B>1</B> und<B>2-3</B> haben immer das  gleiche elektrische Potential, jedoch ist es  unter Umständen nötig, sie     thermiseh    zu  isolieren, wie später gezeigt wird.  



  Die Elektrode 4 hat eine     Tor-Lisoberfläche,     deren     Radias   <B>3</B> Einheiten beträgt, um die  sich eine     konisehe        Oberfräehe    mit dem<B>Öff-</B>  nungswinkel     4011        tangentiell    anschliesst. Diese  Elektrode füllt im wesentlichen die Öffnung  im nicht emittierenden Kathodenteil<B>3.</B>  Elektrode 4 hat ein positives Potential in     be-          zug        auf    die Kathode.  



  Mit der oben beschriebenen Form und  relativen Lage der Elektroden ist die     Elek-          tronenstrombegrenzung    durch die punktier  ten Linien in     Fig.   <B>1</B> gezeigt. Der Strahl     ver-          lässt    die Kanone als paralleles Bündel und ist       "on    grosser Intensität. Sein Querschnitt ist  ungefähr<B>1/230</B> der emittierenden Kathoden  oberfläche. Mit einer Spannung von<B>1000</B> Volt  an Elektrode 4 beträgt der     Strahlstrom    140       Milliampere.     



  Die hier beschriebene Elektronenkanone  hat eine Anzahl von Anwendungen, zum Bei  spiel in     Klystrons,        Wanderwellenröhren    und  andern Röhren zur Erzeugung und Ver  stärkung kurzer Wellen. Der Vorteil     ver-          gliehen    mit bekannten Anordnungen liegt in  der hohen Stromdichte und der hohen     Strahl-          qualität    mit parallelen Elektronenbahnen und  gleichförmiger Intensitätsverteilung über den       Strahlquerschnitt.     



  Eine andere Anwendung für die Elek  tronenkanone ist in Fernsehröhren, besonders       l'rojektionsröhren.    Vorteile hierfür sind:<B>(1)</B>  hohe Stromdichte, (2) keine Störung der  emittierenden Fläche durch     Ionenbeselluss,    da    Ionen, die in das System eintreten, durch die  Elektrode 4 auf einen kleinen Fleck in der  Mitte der Kathode fokussiert werden, wäh  rend die Elektronen von der gesamten emit  tierenden Fläche kommen, und<B>(3)</B> der  Brennpunkt der Elektronen liegt fest im  Raum und deshalb ändert sieh der Brenn  punkt auf dem Schirm nicht, wenn der Elek  tronenstrom in seiner Intensität moduliert  wird durch Anwendung einer     Modulations-          spannung    an Elektrode 4.

   In bekannten  Systemen     beeinflusst    das Steuern der Strom  stärke den     Brennfleek.    Diese Schwierigkeit  wird vermieden durch Verwendung der be  schriebenen Elektronenkanone in Fernseh  röhren.  



  Weitere Beispiele der Verwendung der  Elektronenkanone sind in Röntgenröhren für  äusserst kurzzeitige     -L#lomentphotographie,    wo  bei für sehr kurze Zeit hohe Ströme ge  braucht werden, und in Glühlampen grosser  Flächenhelligkeit besonders für Projektions  zwecke in Kinos. Im letzteren Falle wird der  Strahl auf ein Glühmaterial hohen Schmelz  punktes und geringen     Dampfdriiekes    fokus  siert, zum Beispiel     Tantalkarbid.     



  Eine andere Anwendung der Elektronen  kanone liegt in der     Hoehtemperaturbehand-          lung    von Oberflächen fester Körper. Ein  fester Körper, der in den Brennpunkt der  Elektronenkanone gebracht wird, kann in  sehr kurzer Zeit<B>(10-6</B> Sek.) auf Tempera  turen von mehreren tausend Grad erhitzt  werden. Eine sehr dünne Lage von     Lingefähr     <B>0,01</B> min wird geheizt und kühlt dann sehr  schnell ab wegen der kleinen Wärme  kapazität und der hohen Wärmeleitung ins  Innere des festen Körpers.

   Durch ein     konti-          nuierliehes    Betreiben der     Elektronenhanone     mit kurzen intensiven Impulsen und durch  langsame Bewegung des Werkstückes können  auch grosse Oberflächen     ten-iperaturbehandelt     werden. Diese Temperaturbehandlung kann  benutzt werden, um extrem feinkristalline       Straktur    zu erzeugen durch Schmelzen einer  dünnen Lage des Materials an der Ober  fläche. Dieser     Prozess        lässt    sieh auch ver  wenden zum überziehen eines Materials mit      einem andern mit höherem Schmelzpunkt,       zum    Beispiel Aluminium mit Stahl oder  Kupfer mit Wolfram.

   Das     Überzugsmaterial     kann auf die Oberfläche gebracht werden  durch Galvanisieren, durch     Aufdamfung,     durch     Kathodenzerstäubung    oder durch Auf  sprühen und wird dann durch den Elek  tronenstrom     gesehmolzen,    wobei     Legierungs-          bilduno,    oder chemische Reaktion mit dem  Grundmaterial vermieden wird durch die  Schnelligkeit des Prozesses.

   Der schnelle       Ileiztin,Ysvor--an--    mit dem Elektronenstrahl  <B>C</B> kn<B>C,</B>  kann auch verwendet werden zur     Herstellum,     von Legierungen von Materialien, die sieh  sonst nicht legieren lassen wegen zu hoher       Flilehtigkeit    einer Komponente.  



  Eine weitere     Anwendun-    findet die  Elektronenkanone in einer neuartigen     Kraft-          verstärker-Triode,    die alle Vorteile einer       Pentode    hat, die ausserdem frei ist von Gitter  strom, selbst bei stark positivem Gitter, die  deshalb geringe Energie zum Steuern  braucht, die frei ist von sekundärer oder ther  mischer Emission an     Critter    und Anode, und  die sieh durch geringe     Elektrodenkapazität     auszeichnet.  



  Die Einzelheiten einer solchen Röhre er  kennt man aus     Fig.4.    Elektrode 4 dient als  Steuerelektrode. Die Kathode ist geerdet. Die  Steuerelektrode ist über die Sekundärwick  lung des Transformators 20     und    über die       Vorspannungsquelle    21 und das     Potentio-          nieter    22 mit Erde verbunden. Das zu ver  stärkende Signal wird der Primärwicklung  des Transformators 20 zu 'geführt. Die Anode  <B>23</B> ist ein geschlossener Hohlkörper mit einem       konisehen    Ansatz, an dessen Ende sich eine  Öffnung 24 befindet.

   Diese     öffnung    steht der  Öffnung der Elektrode 4 gegenüber     und    der  Elektronenstrom tritt durch sie in das Innere  des Anodenhohlraumes.<B>27</B> ist die Vakuum  hülle, der Röhre. Sie kann mit der Anode<B>23</B>  verschmolzen sein, oder sie kann gross genug  sein, -um die Anode ganz zu umhüllen. Die  Elektronen treten ungefähr parallel in die  Anode ein und streuen dann infolge der       Baumladeabstossung.    Die Anode wird mittels  der     Spannungsquelle   <B>25</B> auf ein positives    Potential gebracht.

   Die Verbindung erfolgt  über die Primärwindung des     Ausgangstrans-          iormators   <B>26.</B> Das verstärkte Ausgangssignal  wird aus der Sekundärwicklung dieses Trans  formators entnommen.  



  In einem Verstärker dieser Art treffen  keine Primärelektronen die Steuerelektrode 4,  es sei denn in     übersteueTtem    Zustand, wenn  die Anode negativer als die Kathode wird. Es  gibt daher keinen Gitterstrom. Da keine  Primärelektronen die Steuerelektrode treffen,  werden auch keine sekundären oder     thermi-          sehen    Elektronen ausgelöst. Es     lässt    sich ein  relativ hoher     Gitterableitwiderstand    verwen  den, der die Steuerelektrode schützt und der  ein stabiles Arbeiten der Röhre     als        Oszillator     bedingt.  



  Störende     Sekundäreinission    kann auch an  der Anode nicht stattfinden, da die Primär  elektronen die Anode von innen treffen, und  die ausgelösten Sekundärelektronen ihren  Weg durch die kleine     öffnung    nicht finden  können. Da Sekundäremission weder am  Gitter noch an der Anode     möglieh    ist, kann  man eine     Oxydkathode    mit grosser Emission  bei geringer Heizleistung ohne Nachteile in  der Röhre verwenden. In bekannten Trioden  grosser Leistung werden     Oxydkathoden    nicht  verwendet, da das     Überdampfen    des Oxyds       auf    Gitter und Anode starke Sekundär- und  thermische Emission hervorruft.  



  Obwohl die beschriebene     Verstärkerröhre     eine Triode ist, so hat sie doch die charakteri  stischen Eigenschaften einer     Pentode.    Der  Verstärkungsfaktor und der Innenwiderstand  sind beide sehr gross. Dies kommt daher,     dass     das Anodenfeld nur sehr wenig durchgreift  durch die kleine     Offnung    der Steuerelektrode       und        dass    es daher praktisch keinen     Einfluss     hat auf den Elektronenstrom.  



  Die Kapazitäten zwischen den Elektroden  sind ungefähr 20- bis 50mal kleiner als in  bekannten Trioden gleicher Leistung. Wegen  der hohen     Elektronenstromdichte    können die  Elektroden klein gehalten werden. Die Anode,  die einzige Elektrode, die Leistung vernichten       muss,    kann hingegen beliebig gross gemacht      werden und kann mit Wasser oder Luft ge  kühlt werden.  



  Schliesslich     lässt    sich die Röhre leichter  fabrizieren als gewöhnliche Trioden, da sie in  der Hauptsache aus     rotationssymmetr        ischen,     einfachen Teilen besteht.  



  In Bezugnahme auf die Konstruktion in       Fig.   <B>1</B> wurde gezeigt,     dass    Teil<B>1</B> der Kathode  emittiert, während die Teile<B>2-3</B> nicht  emittieren. In der praktischen Ausführung  sind zwei Wege möglich, die Emission zu ver  hindern. Entweder hält man die Kathoden  teile<B>2-3</B> kalt durch     thermisehe    Isolierung  vom emittierenden Teil<B>1</B> der Kathode oder  man verwendet ein Material hoher Austritts  arbeit für die Kathodenteile<B>2-3.</B> Die erste  Methode ist vorzuziehen bei grossen Kathoden,  da sie Heizenergie spart und zuverlässiger ist,  während die zweite Methode sich mehr für  kleine Kathoden in Fernsehröhren eignet.  



  Ein einfacher Weg zur Erzielung thermi  scher Isolierung und gleichzeitig eines sehr  kleinen Abstandes zwischen heissem und     kal-          tein    Teil der Kathode ist in     Fig.    2 gezeigt.  Es wird Gebrauch gemacht von der     thermi-          sehen    Ausdehnung des emittierenden Teils  zur Erzeugung eines Abstandes zwischen den  zwei Teilen, die sich im kalten Zustand be  rühren. Der emittierende Teil<B>1</B> der Kathode  hat auf der Rückseite ein geeignetes     elektri-          sehes    Heizelement und bildet mit ihm eine  Einheit. Diese Einheit ruht auf den Armen  <B>10</B> und<B>11,</B> die an den Kathodenteilen<B>2-3</B> be  festigt sind.

   Im kalten Zustand berühren sieh  Teil<B>1</B> und Teil 2. Wenn Teil<B>1</B> jedoch geheizt  wird, vergrössert sich der Abstand zwischen  den Punkten, an denen die Arme am Teil<B>1</B>  befestigt sind, infolge der thermischen Aus  dehnung des Teils<B>1,</B> und der heisse Teil der  Kathode<B>1</B> hebt sich vom kalten Teil<B>2-3</B> ab  und erzeugt den zur Wärmeisolation nötigen  kleinen Abstand.  



       Fig.   <B>0'</B> zeigt eine andere Variante des in       Fig.    2 verwendeten Prinzips. Der heisse Teil  der Kathode wird in diesem Fall von sich  kreuzenden Armen 14,<B>15, 16</B> und<B>17</B> ge  tragen, die an einer     konisehen    Fortsetzung<B>18</B>    des kalten Teils 2-21 befestigt sind.     DaN     Arbeitsprinzip ist das gleiche wie in     Fig.    2.

Claims (1)

1. <B>PATENTANSPRUCH:</B> Einrichtung zur Erzeugung eines Blek- Ironenstrahls, dadurch gekennzeichnet, dass die emittierende Hohlfläehe einer Kathode, Jeren Krümmung vom Zentrum zum Rande zunimmt, gegenüber einer Zusatzelektrode angeordnet ist, die einen konvergierenden Durchlaä besitzt, wobei die Zusatzelektrode gegenüber der Kathode aus einer positiven Gleichvorspannung gehalten ist,

   so dass dureh die emittierende I-Iohlfläehe der Kathode frei gesetzte Elektronen durch den Durchlass hin durchgehen und einen Strahl mit einer Quer- schnitt,sfläehe bilden, die erheblich kleiner als der Flächeninhalt der emittierenden Hohl- fläehe ist.

   UNTERANSPRÜCHE: <B>1.</B> Einrichtung nach Patentanspraeh, da durch gekennzeiehnet, dass die Kathode mit einem nicht emittierenden Teil versehen ist, der eine dem Rand der emittierenden Hohl fläche geometriseh entsprechende Kante be sitzt und dicht derselben angeordnet ist, wo bei der nicht emittierende Teil einen Ab- schluss für die emittierende Hohlflüche bildet. 2.

   Einrichtung nach Unteranspruch<B>1,</B> da durch gekennzeichnet, dass die Zusatzelek trode in einer Öffnung des nicht, emittieren den Kathodenteils angeordnet ist und der Durchlass durch die Zusatzelektrode mit seiner Längssymmetrieaehse, senkrecht zu der emittierenden Hohlfläche stellt und in der von der emittierenden Hohlfläche abgewand ten Richtung konvergiert. <B>3.</B> Einrichtung nach Unteranspruch 2, da durch gekennzeichnet, dass die emittierenden und nicht emittierenden Teile der Kathode auf gleichem elektrischem Potential gehalten sind. 4.

   Einrichtung nach Unteranspruch<B>3,</B> da durch gekennzeichnet, dass die emittierende Hohlfläche der Kathode Teil eines Rotation,-- ellipsolds bildet, deren Rotationsachse auf der Hohlfläche in deren Zentrum senkrecht steht. <B>5.</B> Einrichtung nach Unteranspruch 4, da durch gekennzeichnet, dass der Durchlass der Zusatzelektrode rotationssymmetriseh zur Ro- tationsaehse der Hohlfläehe ist.

   <B>6.</B> Einrichtung nach Unteransprueh <B>5,</B> da durch -ekennzeiehnet, dass der Durehlass der Zusatzelektrode am Kathodenende eine tortis- artige Oberfläche und am entgegengesetzten Ende eine konische, Oberfläche hat, welche Oberflächen zwischen den Enden des Durch lasses ineinander übergehen.

   <B>7.</B> Einrichtung nach Unteranspruch<B>6,</B> da durch gekennzeichnet, dass der nicht emittie rende Teil der Kathode mit einer kegel- stumpfartigen, nicht emittierenden Ober- fläehe versehen ist, deren Achse mit der Rota- tionsaehse der emittierenden Hohlfläche zu sammenfällt und der grössere Umfang der kegelstumpfartigen Oberfläche dem Umfang des Randes der emittierenden Hohlfläche gleich ist.

   <B>8.</B> Einrichtung nach Unteranspriieh <B>7,</B> da durch gekennzeichnet, dass der nicht emittie rende Kathodenteil eine nicht emittierende ebene Fläche besitzt, die sich am kleineren Ende der kegelstumpfartigen Fläche quer zur Kegelaehse erstreckt, wobei eine Kreisöffnung in der nicht emittierenden ebenen Fläche in bezug auf die Rotationsaehse der Hohlkatho- (lenfläehe zentriert ist.

   <B>9.</B> Einrichtung nach Unteranspruch<B>8,</B> da durch gekennzeichnet, dass die Zusatzelek trode durch die ebene, nicht emittierende Fläche von einer Stelle innerhalb des Katho denraumes zu einer Stelle ausserhalb desselben reicht. <B>10.</B> Einrichtung nach Unteranspruch<B>9,</B> kennzeichnet durch die folgenden relativen Abmessungen der verschiedenen Elemente:

   Tiefe der emittierenden Hohlfläehe <B>= 6,15,</B> Maximaldurehmesser der emittierendenHohl- fläehe = <B>18,6,</B> Verhältnis zwischen grosser und kleiner Achse des Rotationsellipsoids <B><U>-</U></B> 1,3.-1, öffnungswinkel der kegelstumpf- artigen Fläche = <B>22,5</B> 11, Höhe der kegel- stumpfartigen Fläche<B>=</B> 4,0, Durchmesser der Kreisöffnung in der ebenen Fläche<B>=</B> 14,0,

   maximaler äusserer Durchmesser der Zusatz elektrode =12,0, Radius derTorusfläche <B>=3,0,</B> Offnungswinkel der konischen Fläche des Durchlasses=40,00, Abstand der den Rand der emittierenden Hohlfläehe enthaltenden Ebene von der Einlassmündung des Durch lasses = <B>3,15.</B> <B>11.</B> Einrichtung nach Unteranspruch<B>10,</B> dadurch gekennzeichnet,

   dass der emittierende Teil der Kathode aus einem Material mit ver hältnismässig geringer Austrittsarbeit und der nicht emittieren#de Teil der Kathode aus einem Material mit verhältnismässig hoher Austrittsarbeit besteht und beide Teile auf praktisch gleicher Temperatur sind. 12. Einrichtung nach Unteranspruch <B>10,</B> dadurch gekennzeichnet, dass der nicht emit tierende Kathodenteil thermisch von dem emittierenden Teil isoliert und Mittel zur Heizung des emittierenden Teils vorgesehen sind.

   <B>13.</B> Einrichtung nach Unteranspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der emittierende Kathodenteil an einem Ansatz des nicht emit tierenden Teils mittels mehrerer paarweise einander gegenüber angeordneter Arme be festigt ist, die symmetrisch und geneigt zur Achse angeordnet sind, wobei die Arme fest an den Enden des emittierenden Teils und des .Ansatzes angeordnet sind und eine solche Länge haben, dass der emittierende Teil in kaltem Zustand mit dem nicht emittierenden Teil in Berührung steht,

   während bei Hei- zang des emittierenden Teils die Abstände zwischen den Befestigungspunkten der Arme am emittierenden Teil sich ändern und auf diese Weise eine geringe Trennung des emit tierenden vom nicht emittierenden Teil her vorrufen und eine Wärmeleitung zwischen denselben verhindern.