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#'Dielektrischer Körper" Die Erfindung bezieht sich auf .die Verringerung
der Sekundärelektronenemisson auf der Oberfläche eines dielektrisahen Körpers, auf
den Elektronen auftreffen, und insbesondere auf die Verringerung der Elektronenmultipaktor-Erscheinung
auf der Oberfläche eines dielektrischen Körpers, der elektromagne-. tischen Wellenausgesetzt
ist, Bei der Elektronenröhrenherstellung schließt einer der Begrenzungsfaktoren,
der die Größe der aus einer Blektronen@# röhre mit elektromagnetischer Energie von
Frequenzen, über 300 MHz entnehmbaren Leistung bestimmt, mit ein, daß die Ausgangsübertragungsanordnungdie
hohe Energieabgabe beherrschen kann, Die Ausgangsübertragungsanordnung enthält oft
ein Fensterl das für hochfrequente elektromagnetische Energie durchlässig ist, und
aus dielektrischem Material besteht. Das Fenster dien normalerweise dazu, eine Vakuumabdichtung
in der Röhre aufrecht zu erhalten, um das Eintreten von Wasser, Wasserdampf, Staub
oder anderen Fremdstoffen zu verhindern. Der Begrenzungefaktar, bei der Ausgangsübertra#--unizsanordnung`beateht
darin,-daß die
Größe der hochfrequenten elektromagnetischen Wellenenergie,
die ein Fenster durchlassen kann, nicht mit der Größe der hoch-. frequenten elektromagnetischen
Wellenenergie Schritt gehalten hat, die eine Elektronenröhre erzeugen kann. Währendes
somit möglich ist, mit bekannten Elektronenröhren eine elektromagnetische Wellenenergie
Wehr hoher Frequenz zu erzeugen, ist es schwierig, diese Energie aus der Elektronenröhre
herauszubringen, weil durch die Ausgangeübertragungsanordnung Grenzen gesetzt werden,
insbesondere, wo ein solches Ausgangsübertragunge-System ein dielektrisehee Fenster
verwendet, wie es 3;n Nkfirwellenröhren, z.B. Klystrons, vorgesehen wird.
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Ausgangsfenster! die für elektromagnetische Energie durchlässig sind,
werden üblicherweise aus dielektrischen Materialien hergestellt, deren Sekundärelektronenemissionsfaktcr
größer als Gina ist, wenn sie einer Beschießung durch Elektronen ausgesetzt werden,
deren Energiepegel innerhalb eines bestimmten Bereiches liegen. Dieser Sekundärelektronenemissionakoeffizient
macht die dielektrischen Materialien aufgrund der "Einfaeh#-flä.ehenmultipaktor-Eracheinung"
anfällig gegen zerstörende Aufheizung, die auftritt, wenn-der dielektrische Körper
hochfrequenten elektromagnetischen Feldern ausgesetzt wird. Diese Erscheinung wird
ausführlich in einem Aufsatz aus IRE eränsactions of the Professional Group of Electron
Devices, Yolume ED-8,` Nummer 4, vom Juli 1961 behandelt.
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Ziel der Erfindung ist ein dielektrischer Körper mit auf der Oberfläche
aufgebrachter Anordnung. um die Oberflä.cherimultipaktorerecheinung aufzuheben oder
weitgehend zu verkindern. Ferner soll gemäß der Erfindung ein Fenster vorgeschlagen
werden, das eine große Menge an elektromagnetischer Energie durehläßt.
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Weiter ist-Ziel der Erfindung eine Wellenleiterfenateranordnung, die
so ausgelegt ist, daß sie eine Sekundärelektronenbesehießung des Fensters vermindert
und dadurch die Wärmemenge,
die im Fenster erzeugt wird, verringert.
Des weiteren soll ein Resonanzhohlraum -für ein Klystron vbrgeschlagen werden, der
mit einem Ausgangskopplungsteil in Verbindung steht, welches ein Ausgangsfenster
besitzt, das eine Oberfläche mit im Ab-
stand versetzten Anordnungen enthält,
welche die Elektronenmultipaktorerscheinung aufheben oder wesentlich vermindern.
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Die Erfindung bezieht sich auf Anordnungen zur Aufhebung bzw. Verringerung
der Elektronenmultipaktorerscheinung auf der Oberfläche von dielektrischen Körpern,
z.B. dielektrischen Fenstern, die für elektromagnetische Wellenenergie durchlässig
sind. Gemäß der Erfindung sind im Abstand voneinander angeordnete Bereiche auf der
Oberfläche des Fensters räumlich in einer solchen Weise geändert, daß sie die, gewünschte
Verringerung des Elektronenmultipaktoreffektes ergeben. Nach einem Ausführungsbeispiel
sind die räumlich geänderten, im Abstand angeordneten Bereiche oder Anordnungen
auf der Oberfläche des Fensters Nütbnt die Erhebungen mit oder ohne Überzügen aus
den Elektronenmultipaktoreffekt verringerndem Material ausbilden. Nach einem anderen
Ausführungsbeispiel sind die im Abstand voneinander angeordneten Mittel Bereiche
aus Material, deren Sekundärelektronenemissionseffekt kleiner als Eins ist. Titansubdioxyd
auf der Oberfläche. des dielektrischen Fensters vermindert den Elektronenmultipaktoreffekt
beispielsweise. Nachstehend wird anhand der Zeichnung die Erfindung an Ausführungsbeispielen
erläutert. Die Figuren zeigen: -Figur 1 eine Seitenansicht eines Klystrons mit einem
Hochfrequenzaustrttsfenster, bei dem der letzte Resonanzhohlraum zusammen mit einem
Teil der Austrittswellenleiterkopplung senkrecht im Schnitt gezeigt ist,
Figur
1a eine vergrößerte perspektivische Ansicht des Fensters, wie es in der Austrittswellenleiterkopplung
nach Figur 1 verwendet wird, Figur 2 eine Querschnittansicht längs der Linie II-II
, nach Figur 1a, Figur 3 eine Querschnittansicht eines Austrittsfensters das eine
andere Ausbildung der Nuten als die in Figur 2 aufweist, Figur 4 eine schematische
Ansicht der gekrümmten Potentiallinien, die in der Nähe der Nuten nach Figur 2 vorhanden
sind, Figur 5 eine vergrößerte Querschnittansicht ähnlich der nach Figur 2 eines
weiteren Ausführungsbeispiels der Erfindung! Figur 6 eine Ansicht ähnlich der nach
Figur -1a mit einer Abänderung der Ausführungsform in Figur 5 Figur 7 eine vergrößerte
Querschnittansicht ähnlich den Figuren 2 und 5 in einer anderen Ausführungsform
der Erfindung und Figur 8 eine perspektivische Ansicht eines Fensters nach einem
anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Fig. 1 zeigt ein Klystron,
das einen Blektronenstrahlerzeugerabschnitt 4, einen HF-Zwischenwirkungsabschnitt
6 und einen Kollektorabschnitt 7 aufweist. Bekannterweise sind der Elektronenstrahlerzeugerabschnitt,
der HF-Abschnitt und der Kollektorabsohnitt hermetisch und axial ausgerichtet abgeschlossen,
so dass ein Blektronenstrahl durch eine Reihe von Trftröhrenabschnitten 8
gerichtet werden kann, deren jeder in einem Hohlraum endet, welcher in einem konisch
abgeschrägten Endteil 9 vorgesehen ist,, der einen
Abstand von dem zugeordneten-
Ende eines benachbarten Triftröhren@ abschnitten aufweist, so dass ein Zwischenwirkungsspalt
12 entsteht. Die Triftröhrenabschnitte 8 werden axial aufeinander ausgerichtet und
im Abstand voneinander durch verhältnismäseig schwere, in Querrichtung verlaufende,
ringförmige Metallplatten 13 gehalten, die vorzugsweise aus sauerstoffniemhochleitenden
Kupfer bestehen. In jedem der beiden ersten Hohlräume im Zwischenwirkungsabschnitt
6 sind Abstimmeinrichtungen 14 vorgesehen. Der Eingangshohlrauen 15 enthält
eine Eingangsschleife 16, von der ein Teil in Figur 1 dargestellt ist. Der Ausgangshohlraum
17 ist mit einer Austrittskopplungsanordnung 18 versehen, die- enen rechteckförmigen
Wellenleiterabschnitt 19 aufweist, welcher mit dem Austrittshohlraun 17 gekoppelt
ist.
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Ein dielektrisches Austrittsfenster 20, das gemäss der Erfindung
hergestellt ist, ist in einem zylindrischen Wellenleiterabsehnitt 21 angebracht,
der zwischen den rechteckförmigen Wellenleiterabschnitt 19 und den rechteekförmigen
Wellenleiterabsehnitt 21 eingeschaltet ist. Der Abschnitt 21 besitzt einen Flansch:
22, um den Ausgang der Klystrons mit einer Belastung zu koppeln.
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Die Erfindung ist auch auf aussenliegende Resonanzhohlräume anwendbar,
die ein inneres, zylindrisches, dielektrisohee Fenster in der Nähe der Triftröhre
verwenden: Die zylindrischen, dielektrischen Fenster sind gemäss der `Erfindung
rausgebildet.
Nach den Figuren 1 und la ist das Ausgangsfenster
20 für HF Energie durchlässig und weist eine Vakuumabdichtung für das Klystron nach
Fig. 1 auf. Ein Ausführungsbeispiel des verbesserten Austrittsfensters 20 gemäss
der Erfindung ist in Fig. 2 gezeigt, in der das Austrittsfenster 20 mit einer Vielzahl
von parallel liegenden, V-förmigen Nuten 23 auf der Oberfläche versehen ist.
Die Nuten 23 besitzen einen Innenwinkel vorzugsweise zwischen 60o und 120o. Aus
Gründen der thermischen Zeitfähigkeit ist der
Winkel von 1200 vorzuziehen,
Die benachbarten Punkte an den Erhebungen 24, die von den Nuten 23 gebildet
sind, sind vorzugsweise in einem Abstand von 0,038 bis 0,152 cm versetzt. Die parallelen
Nuten 23 sind in einem Winkel gegenüber der Richtung der Kraft linien, die von dem
elektrischen Feld ausgebildet werden, direkt vor dem Fenster und etwa senkrecht
-zur Richtung der Kraftlinien. angeordnet.
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Die Fenster aus Siliziumdioxyd werden dadurch hergestellt, dass eine
geschmolzene Siliziumdioxydscheibe mit einem Diamantenrad geschliffen wird; ein
anderes Verfahren zur Ausbildung eines genuteten Siliziumdioxydfensters lässt sich
so durchführen, dass das Siliziumdioxyd mit einer genuteten ,Metallplatte in heissem
Zustand verpreest wird. Aluminiumoxydfenster werden durch Fressen der ge. wünschten
Menge an Aluminiumpulver zwischen genuteten, gehärteten und polierten Stahlplatten
erhalten. Die äussere zylindrischen Kante kann nach dem Brennen auf die gewünschte
Grösse bearbeitet, z. B. geschliffen werden.
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Fig. 3 zeigt eine weitere Anordnung-der Nuten, wobei abgerun.. dere
U-förmige Nuten 33 gezeigt sind. Die Erhebungen 34 werden durch die Nuten 33 ausgebildet.
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Das genutete dielektripche Fenster 20 übt, drei Effekte auf Elektronen
aus, die vordem Fenster 20 vorhanden sind. Die
Kraftlinien des elektrischen
Feldes vor dem Fenster 20 verlaufen normalerweise geradlinig, die Nuten 23 bewirken
jedoch, dass die Kraftlinien des elektrischen Feldes im Bereich der Nuten gekrümmt
werden, wie ich der Fig. 4 entnehmen lässt, Die gekrümmten Linien 42 zwischen den
beiden Linien 44 und 46 zeigen die Kraftlinien des elektrischen Feldes zwischen
den Seiten der Nuten 23. Die Kraftlinien liegen wesentlich näher am Boden der Nuten,
was bedeutet, dass ein Elektron in der Nähe des Bodens der Nuten sich von dem dichteren
Feld auf das weniger dichte Feld wegbewegt. Dies tritt ein, wenn die Elektronen
kleine Amplituden aufweisen, was üblicherweise dann der Fall ist, wenn elektromagnetische
Energie durch das Fenster übertragen wird. Die Bewegung eines Elektrons von dem
Boden der Nuten 23 weg ist durch den Pfeil 40 in Fig. 4 dargestellt.
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Der zweite Effekt der Nuten 23 wird auf Elektronen mit großen Amplituden
ausgeübt, und er macht sich im unteren Teil der Nuten 23 nicht bemerkbar. Die elektrische
Feldverteilung aufgrund der Nuten 23 ist so gewählt, dass ein leichtes Flattern
in der Elektronenbewegung der Elektronen vor den Nuten 23 verursacht wird. Dieser
Effekt bewirkt eine Verschiebung der Elektronen von der Oberfläche des Fensters
20 weg.
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Der dritte Einfluss, der von den Nuten 23 erzeugt wird, wird auch
auf Elektronen mit Amplituden ausgeübt, die grösser sind als die Breiten der Nuten
23.
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Elektronen aus dem elektrischen Feld in der Nähe der Vakuumseite des
Fensters 20 treffen auf die Erhebungen 24 auf, die von den Nuten 23 ausgebildet
sind, weil die Erhebungen 24 im Winkelzur Richtung der Kraftlinien des elektrischen
Feldes angeordnet sind
Infolgedessen werden Sekundärelektronen aus
der Oberfläche des dielektrieghen Fensters 20 frei. Da--das dielektrische Fenster
20 einen Sekundärelektronenemisaion$faktor aufweist, der grösser `ala -Eins ist,
die Anzahl von emittierten Sekundärelektronen die Anzahl von Elektronen,
die 'auf die Erhebungen 24 des Fensters 20 auftreffen. Das Ergebnis des Energieverlustes
der Elektronen auf den Erhebungen 24 des dielektrischen Fensters 20 ist die Aus:4
bildung einer positiven Ladung auf allen Erhebungen 24. Die` Teile der Nuten 23
unterhalb der Erhebungen 24 werden gegenüber den Erhebungen 24 negativ aufgeladen
und damit werden die Elektronen, die sich vor dem Fenster 20 verschieben, einem
periodischen Gleichfeld ausgesetzt. Die resultierende Bewegung der Elektronen vor
dem Fenster 20 ist eine wellenförmige:Eewegung, die durch ihre Anziehung an den
Erhebungen 24 und durch ihre Abstossung von den Teilen der Nuten 23 unterhalb der
Erhebungen 24 verursacht wird. Die resultierende Nutzkraft auf die Elektronen vor
dem Fenster ist eine Kraft in-einer Richtung, die von der Fensterfläche weg gerichtet
ist.
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-Fig. 5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung,
bei der ein Titansuboxydüberzug 57: auf Erhebungen 54 angeordnet ist9 die
von Nuten 53 dm dielektriechen Fenster 50 ausgebildet werden. Der diskontinuierliche
Überzug, der einen Sekundärelektronenemissionsfaktor kleiner als Eins aufweist,
wird vorzugsweise durch Zeretäubung von Titanoxyd auf dem Fenster 50 aufgebracht,
nachdem . ein Teil des Fensters 50cädurch abgedeckt@worden ist, dass gerade Drähte
in den Nuten 53 aufgelegt werden. Jeder Metallüberzug mit _ geringem Sekundärelektronenemissionsfaktor
kann ebenfalls bei einer derartigen Anordnung verwendet werden, da der Überzug nicht
kontinuierlich ist, wodurch die Ausbildung eines stromleitenden Belages im dielektrisehen
Fenster verhindert ist. Es ist nicht erforderlich, die Nuten 53 mit einem Überzug
zu versehen, da die Elektronen Amplituden aufweisen,.äie grösser sind als die Breite
der Nuten 53,
| und auf die Erhebungen 54. auftretteng Diese Anordnung vermindert |
| wesentlich den: Elektronenmultipaktoreffekt bei dielektrischen |
| Fenstern.: |
| Die dielektriaahen Nateriälen, die die dielektrsehen |
| Fenstergemäß der Erfindung ausbilden, können aus einem beliebi- |
| gen Material bestehen, das aus vier (Gruppe ausgewählt wird |
| welche Aluminiumoxyd, Aluminiumoxyd-öillcatglas, Berylliumoxyd, |
| geschmolzenes SliziumdioxydSteatit, Forsterit und Pyroeeram |
| enthält. Die Erfindung kann such mit anderen dielektrischen |
| Materialien. durchgeführt werden.' |
| Figur 6 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Er- |
| findung, wobei ein Titansuboxydüberzug 69 auf eine Hälfte |
| des dielektrischen Fensters 60 aufgebracht wird. Der Überzug
61 |
| wird auf die Erhebungeri'64 des Fensters 60 aufgebracht. Man
hat |
| festgestellt, daß der Überzug 61 . sich auf .den übrigen Teil |
| des Fensters 60. ausbreitet, wenn elektromagnetische Energie |
| durch das Fenster 60 hindurchgeleitet wird, und dies ergibt |
| eine Verringerung des Elektronenmültpaktoreffektes. |
| Figur 7 zeigt eine weitere Anordnung gemäß der Erfindung |
| bei der ein kontinuierlicher Siliziumdioxydüberzug 71 auf die |
| genutete Oberfläche eines dielektrischen Fensters 70 aufgebracht |
| wird, um den Elektronenmultipaktoreffekt wesentlich zu verringern, |
| Der Silitiumdioxydüberzug kann auf dem Fenster 70 dadurch ausge- |
| bildet werden, d:aß ein Überzug aus Siliziummonoxyd durch Vakuum- |
| aufdampfen auf das genutete dielektrische Fenster 70 aufgebracht |
| und anschließend eine Aufhezung in Luft vorgenommen wirdg um
die |
| Oberfläche des Überzugs in Siliziumdioxyd umzuwandeln. Eine |
| andere Möglichkeit des Überziehens lö;ßt sich durch reaktives |
| Aufsprühen erreichen. Ein Überzug aus reinem Siliziumdioxyd
kann |
| auf dem Fenster 70 dadurch ausgebildet werden, daß Silizium
mit |
| d°" gi' lG-Sllt gleichen Teilen von Argon. und
Sauerstoff |
| suf_der Fensteroberfläche verteilt wird. |
Die in »Figur 6 gezeigte Anordnung führt zu einer An*. Ordnung, wie sie in Figur
8 gezeigt ist, bei der ein flacher, dielektriseher Körper als Austrittsfenster 80
verwendet worden kann, und es läßt sich eine Verringerung des Blektronenmultipaktoreffektes
dadurch erreichen, da8 Titanauboaydstellen 81 auf das flache dielektrisehe Fenster
aufgebracht werden, wobei ein Drahtgeflecht als Abdeckung verwendet wird. Die Titansubogydstellen
sind vorzugsweise 0,75 mm voneinander entfernt und bedecken annähernd 20 96 der
dielektrisohen Fensteroberfläche.
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Eine andere-Technik zur Verringerung des Elektron.enmultipaktoreffektes
gegenüber dem in den Figuren gezeigten, zur Darstellung von Nuten, die@auf einer
dielektrischen Oberfläche ausgebildet werden, besteht in der Verwendung von Metallbauteilen
in Form von dünnen Metallstreifen, z.8. Jalousien. Die Metallstreifen. können auf
der Oberfläche eines flachen dielektrischen Fensters senkrecht zur Richtung der
elektrischen Kraftlinien des elektrischen Feldes in der Nähe des Fensters angeordnet
sein.. Die Metallbauteile verringern den Blektronenmultipaktoreffekt* wenn der Widerstand
zwischen den Metallbauteilen kleiner ist als der Abstand, der für die niedrigste
Ordnung des Zweifläehenmultipaktoreffektes erforderlich ist. Die Metallbauteile
sind für Elektronen beim Vorhandensein eines HF-Feldes nicht durchlässig, während
die elektrischen Wellen nahezu ungehindert hindurchgehen. Die Sekundärelektronen,
die aus der Oberfläche des dielektrisahen Fensters austreten, treffen auf die@ünnen
Metallbauteile auf, bevor sie die Fensteroberfläche erreichen können, nachdem sie
hohe Energiepegel eingenommen haben, wodurch die Freigabe von mehr Sekundärelektronen
bewirkt wird.
| Ehe kurze. Beseh4eib=ng des Effektes), der eintritt, wenn |
| ein 4gplektxiäcKg,@, gehster mit, glsk@rchen beschossen wird,. |
| ist erforderlich ;:Um d.as Prinzip des Elektronenmultipaktor- |
| effektes :: zu verstehen. Elektronen, -die auf einen dielektrischen |
| Körper. aüftreffeüwerden im Abstand unterhalb der Oberfläche |
| des ä:ieiektriseh>dn K6rpers eingebettet. Während der Bewegung
durch'- |
| die Oberfläche däo dielektrischeti@ Körpere treffen sie andere |
| Elektronen, bis bi:e äusreichendvle@. Energie verloren haben |
| gaß sie @i:m dielektrisahen Material stecken bleiben: Infolge- |
| dessen werden dih@skträneri, die voh den ankommenden, Beschuß- |
| e.ektronen getroeferl werden, zerstreut und aus dem dielektriw |
| gehen Material eätfernt. Dadurch ergibt sieh: daß ein elektri-
t |
| sches Feld 'zwischen den negativ !geladenen Elektronen, die
in dem, |
| dielektrischen Mäterialeingebettet sind, wodurch negativer |
| Nutzbereich erzä@gt'wird, und der positiven Ladung auf. der |
| Oberfläche des dielektrischen Mäteriäls vorhanden ist, die
von |
| den aus dem Material austretenden'Sekündärelektronen erzeugt |
| wird. Das elekt4ache Feld versäh.ebt freie Elektronen in |
| Richtung der Oberfläche des dielektrischen^Materials aufgrund |
| der dortigen positiven Ladung., Damit bewegen sich die freien |
| Elektronen, die äuräh Elektroneibeoehuss des dielektrischen |
| Materials erzeugt werden, gegen@die Oberfläche, und wenn sie |
| eine ausreichend große bnergie erreicht haben, bewegen sie |
| sich aus dem dielektrischen Material heraus. |
| Bei dielektrschen Materialien, ziB. Siliziumdioxyd, die |
| eine hohe: Stromleitfähigkeit haben,, haben die Elektronen.
einen |
| größeren Beweguxigebereich. Diese hohe Zeitfähigkeit bei: Silizium- |
| dioxyd ergibt' ein Abfließen des elektrischen Feldes, das durch |
| Beschuss eines dielektrischen:Materials mit Elektronen erzeugt |
| wird. Infolgedessen treiben Elektroneng die Siliziumdioxyd
be- |
| schießen, nicht sbensoviele Sekundärelektronen aus wie in-ande- |
| ren dielektrischen Materialien. Deshalb verringern die Nuten
in |
| einem Siliziumdioxydfenster.gemäß der Erfindung den Elektronen- |
| . multipaktoreffekt ganz wesentliche |
Bei den Ausführungsbeispielen, bei denen Stellen oder Streifen
aus Titansuboxyd auf einem dielektrischen Fenster vorgesehen sind' können ziemlich
dicke Überzüge aus Titansuboxyd wegen des an sich vorhandenen elektrischen Widerstandes
der dielektrischen Oberfläche verwendet werden, verhältnismäßig dicke Stellen oder
Streifen aus Titansuboxyd bewirken jedoch eine Eichtbogenbildung zwischen den Titansuboxydbereichen.