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Kathode für Elektronenröhren, insbesondere Elektronenstrahlröhren
Die Erfindung betrifft eine Kathodenanordnung für elektrische Entladungsgefäße und
hat besondere Bedeutung für solche Röhren, bei denen ein oder mehrere Elektronenstrahlen
erzeugt werden. Es handelt sich dabei um eine indirekt durch Wärmestrahlung geheizte
Kathode.
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Es ist an sich schon seit langem bekannt, die elektronenemittierende
Fläche einer Kathode nicht unmittelbar oder mittelbar durch Wärmeleitung zu beheizen,
sondern die von einem Heizer abgegebene Wärmestrahlung hierzu zu benutzen. So sind
beispielsweise Glühkathoden bekannt, bei denen ein zylindrisches Kathodenröhrchen
die Äquipotentialschicht trägt und ohne Zwischenschaltung einer isolierenden Schicht
einen Heizfaden umgibt. Weiterhin sind auch schon Anordnungen bekanntgeworden, bei
denen die Heizung der Kathode mittels einer außerhalb des Elektrodensystems angeordneten
Heizvorrichtung erfolgt. Die Wärme-Strahlung der Heizvorrichtung ist dabei durch
einen Reflektor auf die Kathode konzentriert. Dabei ist die Heizvorrichtung geradlinig,
faden- oder stabförmig ausgebildet und befindet sich in der Brenn-, Linie des Reflektors,
während parallel hierzu eine geradlinige Kathode angeordnet ist. Bei einer weiteren
bekannten Elektronenröhre mit indirekt durch Wärmestrahlen geheizter Kathode wird
gleichfalls von einer Reflektorenanordnung Gebrauch gemacht, wobei Kathode und Heizkörper
parallel zueinander in verschiedenen Reflektorbrennlinien des von einem geschlossenen
oder nur durch Spalte unterbrochenen Reflektor umschlossenen Raums angeordnet sind.
Der Reflektor ist dabei als Zylinder mit parabolischem oder elliptischem Querschnitt
ausgebildet: Die bekannten Anordnungen haben zwar den Vorteil, daß sich eine gewisse
Entkopplung von Heizer und Kathode erzielen läßt, so daß beispielsweise
eine
Beheizung mit Wechselstrom störungsfreier gestaltet werden kann, als dies bei den
üblichen Kathoden möglich ist. Diese Anordnungen haben sich aber in der Praxis nicht
durchsetzen können, da sie zahlreiche Nachteile aufweisen. So ist vor allem der
ungünstige Wirkungsgrad der Wärmeübertragung vom Heizer auf die Kathode unerwünscht.
Dies liegt vor allem daran, daß entsprechend der langgestreckten Form von Heizer
und Kathode die Reflektoren als Zylinder ausgebildet sind und dadurch jeweils nur
in den einzelnen Ebenen senkrecht zur Zylinderachse eine günstige Reflexion der
Wärmestrahlung gewährleisten. Ein großer Teil der vom Heizer erzeugten Wärme geht
nach Vielfachreflexion an den Stirnseiten der Zylinderreflektoren nach außen hin
verloren. Ein weiterer Nachteil der bekannten Anordnungen besteht noch darin, daß
für den Aufbau des die Kathode umgebenden Elektrodensystems starke Beschränkungen
notwendig sind, um von der Wärmestrahlung nicht allzuviel abzudecken. Das Elektrodensystem
stellt dabei einen Kompromiß zwischen günstigem Elektrodenaufbau und ausreichender
Wärmebestrahlung der Kathode dar. Weiterhin ergibt sich noch der Nachteil, daß das
Steuergitter in gleicher Weise wie die Kathode erwärmt wird, so daß besondere Maßnahmen
ergriffen werden müssen, um den Austritt von Sekundärelektronen zu verhindern.
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Diese Nachteile werden durch die Erfindung beseitigt. Die Erfindung
gestattet eine Wärmeübertragung durch Strahlung von einem Heizer auf eine Kathode
mit außerordentlich geringen Verlusten. Die Erfindung ermöglicht weiterhin, ein
Elektrodensystem aufzubauen, das in keiner Weise durch die Wärmestrahlung becinflußt
wird oder in seiner Anordnung Bpschränkungen unterliegt. Schließlich hat die Erfindung
noch besondere Bedeutung für solche Anordnungen, bei denen die Kathode zur Erzeugung
eines oder mehrerer Elektronenstrahlen dient, wie bei Elektronenstrahlröhren für
Oszillographen, Fernsehröhren, Wanderwellenröhren od. dgl. Die Erfindung gibt die
Möglichkeit, Kathoden zu benutzen, die infolge wärmetechnisch ungünstiger Form eine
im Verhältnis zur elektronenemittierenden Fläche ungewöhnliche Heizleistung erfordern.
Weiterhin kann die Kapazität der Kathode gegen den Heizer beliebig klein gemacht
werden. Die Erfindung erlaubt schließlich eine hohe Spannungsfestigkeit der gegebenenfalls
auf hohem Potential gegenüber Masse befindlichen Kathode und gibt die Möglichkeit,
zwei Kathoden in unmittelbarer Nachbarschaft auf verschiedenem ,Potential zu halten,
wie dies beispielsweise bei Doppelstrahlverstärkerröhren gefordert ist.
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Erfindungsgemäß wird die von einem Heizer abgegebene Heizleistung
einer oder mehrerer Kathoden auf möglichst ökonomische Weise dadurch zugeführt,
daß die Kathodenanordnung mit einer wärmestrahlungs-optisch reflektierenden Einrichtung,
die im wesentlichen nach Art eines Rotationsellipsoids ausgebildet ist, versehen
ist. Dabei befindet sich in dem einen Brennpunkt oder in der Nähe desselben der
Heizer, während in Richtung der großen Ellipsenachse in der Nähe des anderen Brennpunktes
eine Öffnung für eine oder mehrere Kathoden vorgesehen ist.
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Im Gegensatz zu den bekannten Anordnungen, bei denen zylindrische
Reflektoren verwendet sind und bei denen stets Brennlinien vorhanden sind, arbeitet
die Erfindung mit einer wärmestrahlungsreflektierenden Einrichtung, die in möglichst
allen Ebenen reflektiert, so daß nicht Brennlinien, sondern Brennpunkte entstehen,
in deren Nähe Heizer und Kathode angeordnet sind. Es ist auch weiterhin vorteilhaft,
den Reflektor nicht nach Art einer Parabel, sondern elliptisch zu gestalten. Bei
zwei einander zugekehrten parabolischen Spiegeln läßt sich zwar eine weitgehend
günstige Abbildung in den einzelnen Brennpunkten ermöglichen. Es ist dabei aber
stets mindestens zweitnalige Reflexion erforderlich. Bei einem Ellipsoid ergibt
sich demgegenüber der Vorteil, daß jeweils die Wärmestrahlung im wesentlichen nur
durch einmalige Reflexion von einem zum anderen Brennpunkt gelangt. Dementsprechend
bede'tatet die Verwendung eines Ellipsoids eine bedeutende Herabsetzung der Reflexionsverluste.
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Heizer und Kathode, bzw. Kathoden, sind zweckmäßig so gestaltet und
von solcher Beschaffenheit, daß sie ein an sich hohes oder künstlich erhöhtes Wärmeabsorptionsvermögen
besitzen. Die Reflexionsflächen sollen ein möglichst geringes Absorptionsvermögen
aufweisen und möglichst gut reflektieren. Die Reflexionsflächen gestatten erfindungsgemäß
durch ihre geeignete Formgebung die gegenseitige Abbildung mit großen Öffnungsverhältnissen
vorzuführen. Dabei kann die geforderte Punktschärfe gegenüber der Abbildung geöffneter
Bündel von untergeordneter Bedeutung sein.
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An Hand der Zeichnung soll die Erfindung näher erläutert werden. Die
Figuren zeigen Ausführungsbeispiele in vereinfachter Darstellung. Bei dem in Fig.
i dargestellten Ausführungsbeispiel handelt es sich um ein Rotationsellipsoid, das
als Reflektor für die Wärmestrahlung dient. In der Figur ist der Reflektor auseinandergenommen
gezeichnet, um die einzelnen Teile desselben besser zur Darstellung bringen zu können.
Der Reflektor ist aus zwei Schalenhälften i und a aufgebaut, wobei zwei ebene Blechplatten
verwendet sind, in die die Ellipsoidform eingedrückt ist. Die Innenflächen des Reflektors
können in geeigneter Weise behandelt sein, um ein besonders gutes Reflexionsvermögen
für die Wärmestrahlen zu et'möglichen. Zu diesem Zweck können die Innenflächen in
an sich bekannter Weise verkupfert, versilbert, vergoldet, platiniert oder in anderer
Weise spiegelnd gemacht sein. In der Nähe des einen Brennpunktes befindet sich der
Heizer 3, der beispielsweise in Form einer Doppelwendel ausgebildet ist. Die Stromzuführungen
4 und 5 dienen gleichzeitig zur Halterung des Heizers und sind so angeordnet, daß
sie nicht in Richtung der großen Ellipsenachse verlaufen. Es kommt nämlich dabei
darauf .an, daß der durch die Halterung 4
,und 5 verursachte Strahlungsschatten
möglichst klein wird. Die Zuleitungen werden daher zweckmäßig an Stellen geringerer
Strahlungsdichte, also entweder in der dargestellten Weise oder in einem spitzen
Winkel zur kleinen Ellipsenachse angeordnet.
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Die Kathode kann in der Nähe des anderen Brennpunktes angebracht sein.
Sie würde sich in diesem ,Fall vorwiegend innerhalb des Reflektors befinden. Es
ist aber auch möglich, wie dies bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel veranschaulicht
ist, die Kathode 6 entweder unmittelbar in der Öffnung oder auch außerhalb des Reflektors
vor derselben anzuordnen. Die Kathode 6 ist als Äquipotentialkathode ausgebildet
und vornehmlich als Kathode für Elektronenstrahlröhren geeignet. Durch den entsprechend
großen Abstand zwischen Heizer und Kathode kann eine beliebig große Potentialdifferenz
zwischen diesen beiden Teilen herrschen. Ebenso ist auch die Kapazität zwischen
Heizer und Kathode vernachlässigbar klein. Je nach dem Anwendungszweck können Kathode,
Heizer und Reflektor auf verschieden hohen Potentialen liegen. So kann z. B. durch
Anlegen eines gegenüber der Kathode negativen Potentials an den Reflektor erreicht
werden, claß keine ungewollte Elektronenbeaufschlagung von der Kathode auf den Reflektor
erfolgt. Weiterhin kann der Reflektor oder ein Teil desselben gleichzeitig Teil
des Elektrodensystems für den Elektronenstrahl sein. Insbesondere kann eine Bünde-@ung
des Elektronenstrahls erreicht werden, besonders dann, wenn die Kathode in der Öffnung
oder innerhalb des Reflektors angeordnet ist. Es ist dabei auch möglich, den Reflektor
selbst aus mehreren elektrisch voneinander isolierten Teilen aufzubauen und hier
verschiedene Potentiale anzulegen. Es kann der Reflektor auch aus einem elektrisch
nichtleitenden Material, wie z. B. Glas, Keramik, Preßstoff od. dgl., bestehen und
an den zur Reflexion benutzten Stellen lediglich mit einer überzugsschicht von-
gutem Reflexionsvermögen versehen sein. Es eignen sich dazu besonders Gläser mit
einer Verspiegelung.
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In Fig. 2 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel veranschaulicht, bei
dem das Rotationsellipsoid 7 zur Hälfte, d. h. bis zur kleinen Ellipsenachse ausgeführt
ist. Die andere Hälfte kann, da es sich um einen symmetrischen Aufbau handelt, durch
einen in der Zeichnung nicht näher dargestellten, im wesentlichen ebenen Spiegel
ersetzt werden. Die Reflexionsverluste werden bei einer solchen Anordnung nur unwesentlich
größer, dagegen ist es möglich, die Kathode oder die Kathbden wesentlich einfacher
anzuordnen.
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Eine solche Anordnung ist schematisch in Fig.3 dargestellt. Hierbei
ist die Kathode 8 in geringem Abstand vor der Öffnung des ebenen Spiegels 9 befestigt.
Die von dem Heizer io ausgehenden Wärmestrahlen werden von dem Relexionskörper i
i und der vorwiegend ebenen Spiegelfläche so reflektiert, daß sie entweder unmittelbar
oder durch mehrfache Spiegelung auf die Kathode 8 gelangen, oder sie werden bis
zu dem Heizkörper selbst zurückreflektiert, so daß diese Strahlen außer ihren Reflexionsverlusten
keine sonstigen schädlichen Verluste bewirken. Die entstehende Wärme wird also entweder
zum Heizkörper selbst wieder zurückgeführt, oder an die Kathode 8 abgegeben.