DE977183C - Elektrostatisch stark buendelndes Elektronenstrahlerzeugungssystem - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein elektrostatisch stark bündelndesElektronenstrahlerzeugungssystem hoher Raumladungskonstante zur Erzeugung eines auf eine Elektronenauffangvorrichtung hin gerichteten Elektronenstrahles hoher Stromdichte, bestehend aus einer von einer Wehneltelektrode umgebenen Konkavkathode, einer Zuganode und einer im Raum zwischen Kathode und Zuganode angeordneten weiteren Elektrode, deren Form und Potential derart gewählt sind, daß sich im Raum zwischen Kathode und Zuganode ein Feldverlauf einstellt, bei dem an allen Punkten des Strahlrandes die Komponente des elektrischen Feldes senkrecht zum Strahlrand verschwindet. Unter Raumladungskonstante wird dabei das Verhältnis

beseht

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verstanden, wobei i_str der Strahlstrom und u_besM »0 die Strahlbeschleunigungsspannung ist.

Es ist bekannt, in einem Elektronenstrahlerzeugungssystem eine Kathode mit konkaver Emissionsfläche vorzusehen, die von einer Wehneltelektrode umgeben ist, und gegenüber dieser Kathode eine Zuganode mit einer Elektronendurchtrittsöffnung anzuordnen. Ferner ist es bei so ausgebildeten Systemen bekannt, der Wehneltelektrode und der Zuganode eine derartige Form zu geben und die Potentiale der einzelnen Elektroden des Elektronenstrahlerzeugungssystems derart zu wählen, daß in dem Beschleunigungsraum zwischen der Kathode und der Zuganode am Strahlrand die elektrische Feldkomponente quer zum Strahlverlauf verschwindet. Dadurch soll erreicht werden, daß die Zuganode, durch deren Elektronendurchtrittsöffnung der Strahl hindurchtritt, keine Elektronen aufnimmt. Dabei ist vorausgesetzt, daß der Einfluß der Elektronendurchtrittsöffnung auf das elektrische Feld im Beschleunigungsraum des Systems vernachlässigt werden kann.

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Es hat sich nun gezeigt, daß auf Grund dieser Voraussetzung derartige Elektronenstrahlerzeugungssysteme nur im Bereich kleiner Raumladungskonstanten brauchbar sind, da in allen übrigen Fällen die Feldverzerrungen durch die Elektronendurchtrittsöffnung so groß werden, daß am Strahlrand innerhalb des Beschleunigungsraumes eine beträchtliche Feldstärkenkomponente auftritt, welche quer zur Strahlrichtung verläuft.

ίο Es sind weiterhin Anordnungen bekannt, bei denen sich die Strahlöffnung der Modulationselektrode von der Kathode weg kegelförmig erweitert und mit ihrem schneidenartigen Ende eine Anode mit zylindrischer Bohrung und kugelförmigern kathodenseitigem Ende teilweise umschließt. Diese Anordnung ist infolge ihres geometrischen Aufbaues nicht zur Erzeugung von Elektronenströmen hoher Raumladungskonstante geeignet, da durch die kegelförmige Öffnung der Modulationselektrode die Emissionsfläche der Kathode nicht beliebig groß und der Kathoden-Anoden-Abstand nicht beliebig klein gemacht werden kann. Außerdem ist es bei der bekannten Anordnung schwierig, eine Elektronenaufnahme der Anode zu verhindern, da die Anode infolge ihrer halbkugelförmigen Oberfläche eine zu große Angriffsfläche für die Strahlelektronen bietet.

Für bestimmte elektrische Entladungsröhren, beispielsweise Lauffeldröhren, werden jedoch Elektronenstrahlerzeugungssysteme extrem hoher Raumladungskonstante benötigt, bei welchen die Forderung vorliegt, daß die Zuganode möglichst wenig Elektronen aufnehmen soll, um dadurch den Wirkungsgrad des Systems hoch zu halten. Dies wird bei einem elektrostatisch stark bündelnden Elektronenstrahlerzeugungssy stem hoher Raumladungskonstante zur Erzeugung eines auf eine Elektronenauffangvorrichtung hin gerichteten Elektronenstrahles hoher Stromdichte, bestehend aus einer von einer Wehneltelektrode umgebenen Konkavkathode, einer Zuganode und einer im Raum zwischen Kathode und Zuganode angeordneten weiteren Elektrode, erreicht, wenn erfindungsgemäß die Zuganode mit einem rohrförmig ausgebildeten, zur Kathode hin gerichteten und in eine Ringschneide auslaufenden Ansatz versehen ist, wenn die weitere Elektrode lochscheibenförmig ausgebildet und den rohrförmigen Ansatz der Zuganode in der unmittelbaren Nähe der Elektroneneintrittsöffnung umgebend angeordnet ist und wenn die weitere Elektrode auf kathodennahem Potential, insbesondere auf Wehneltelektrodenpotential liegt. Es ist an sich bekannt, eine zusätzliche Elektrode, die mit der Wehneltelektrode verbunden ist, bei einem Strahlerzeugungssystem im Raum zwischen Kathode und Zuganode anzuordnen. Bei dieser bekannten Anordnung ist jedoch die Zuganode kugelförmig ausgebildet und die zusätzliche Elektrode relativ weit von der Elektronendurchtrittsöffnung der Zuganode angeordnet. Die vorbekannte Anordnung besitzt daher nicht die Eigenschaften der beschriebenen Anordnung, die auf einen praktisch geradlinigen Strahlrand im Raum zwischen Kathode und Zuganode führt. Des weiteren ist die Form der Zuganode bei der beschriebenen Anordnung einfacher, und die elektrischen Eigenschaften sind infolge des symmetrischen Verlaufs der Äquipotentiallinien in der Gegend des Strahlrandes wesentlich besser, so daß das Auftreffen von Elektronen auf die Zuganode gegenüber dieser vorbekannten Anordnung weitgehend unterbunden ist.

Nachstehend wird die beschriebene Einrichtung an Hand von Ausführungsbeispielen näher erklärt.

In Abb. ι ist eine bekannte Ausführungsform eines Elektronenstrahlerzeugungssystems dargestellt, mit welchem man bisher die Bedingung, daß im Beschleunigungsraum, also zwischen Kathode und Zuganode, keine elektrische Feldstärkekomponente quer zum Strahlrand vorhanden sein soll, zu verwirklichen suchte.

Der Ausbildung der Elektrodenformen des Systems liegt dabei der Gedanke zugrunde, daß der Einfluß der Elektronendurchtrittsöffnung und der Zuganode auf die Feldverteilung im Beschleunigungsraum vernachlässigt werden kann. Das Strahlerzeugungssystem kann dann als Kugeldiode (sphärische Diode) aufgefaßt werden, deren Feldverteilung bekannt ist. Daraus resultieren die in der Abb. 1 gezeigten Elektrodenformen der bekannten Anordnung.

Der Elektronenauffänger ist in den einzelnen Abbildungen der besseren Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt. Auch erübrigt sich ein näheres Eingehen auf den Elektronenauffänger, da dessen Ausbildung und Anordnung allgemein bekannt ist. Vor einem weiteren Eingehen auf die Einzelheiten des beschriebenen Elektronenstrahlerzeugungssystems sollen zum leichteren Verständnis zuvor einige für die Erklärung wichtige Begriffe erläutert werden.

Der Begriff Raumladungskonstante kennzeichnet die wesentlichen Eigenschaften einer elektrischen Entladungsstrecke, beispielsweise einer Diode oder eines Elektronenstrahlerzeugungssystems. Die Raumladungskonstante gibt den Zusammenhang zwischen Strahlstrom und Strahlbeschleunigungsspannung wieder. Systeme mit hoher Strahlstromstärke bei kleiner Strahlbeschleunigungsspannung besitzen eine hohe Raumladungskonstante, während Systeme mit kleinem Strahlstrom bei hoher Strahlbeschleunigungsspannung eine sehr kleine Raumladungskonstante besitzen.

Ein Elektronenstrahlerzeugungssystem mit hoher Raumladungskonstante kennzeichnet sich aufbaumäßig immer durch einen geringen Kathoden-Anoden-Abstand und/oder einen großen öffnungswinkel Θ, beispielsweise Größe io°, und bedingt also immer eine Elektronendurchtrittsöffnung in der Zuganode mit großem Durchmesser im Vergleich zum Kathoden-Anoden-Abstand.

Daraus ist ersichtlich, daß bei den bekannten Ausführungsformen von Systemen die bezüglich der Elektronendurchtrittsöffnung gemachte Voraussetzung nicht mehr erfüllt ist und somit quer zum Strahlrand im Beschleunigungsraum eine beträcht-

liehe elektrische Feldkomponente auftritt, was einen großen Elektronenverlust an die Zuganode zur Folge hat.

Bei kleinen Raumladungskonstanten tritt diese störende Wirkung noch nicht so deutlich hervor, weshalb man bisher der Ansicht war, daß die in Abb. ι dargestellte Elektronenkanone die erwähnte Feldbedingung im Beschleunigungsraum erfüllt, was jedoch nicht der Fall ist.
ίο Zur Vermeidung dieses Nachteils wurde bereits vorgeschlagen, der Wehneltelektrode des Strahlerzeugungssystems eine stark negative Vorspannung zu geben. Das hat zwar eine Herabsetzung des Zuganodenstromes zur Folge, doch findet dann eine schlechte Ausnutzung der Kathodenfiäche statt. Das Elektronenstrahlerzeugungssystem gibt in diesem Fall bedeutend weniger Strom ab, als es auf Grund ihrer Kathodenfläche abzugeben imstande wäre, da der wesentliche Anteil der Emission von der Mitte ao der Kathodenfläche gestellt wird. Dies bedingt aber unter Umständen zugleich eine Überlastung der Kathode in diesem mittleren Bereich, was sich in einer Herabsetzung der Lebensdauer des Systems bemerkbar machen kann.

Das beschriebene Elektronenstrahlerzeugungssystem zeigt nun eine Möglichkeit zur Umgehung dieser Schwierigkeiten auf. Es wird davon ausgegangen, daß es bei einem Elektronenstrahlerzeugungssystem hoher Raumladungskonstante darauf ankommt, daß die Emissionsfläche der Kathode nur von aus dem Innern der Elektronendurchtrittsöffnung herkommenden Feldlinien getroffen wird. Nur so läßt sich ein Auftreffen von Elektronen auf die Zuganode wirksam unterbinden. Dies wird durch eine Zusatzelektrode erreicht, die in der unmittelbaren Nähe der Elektonendurchtrittsöffnung der Zuganode derart anzuordnen ist und deren Potential so zu wählen ist, daß diese Bedingung erfüllt wird. Man kann die Wirkung dieser Zusatzelektrode so beschreiben, daß sie durch ihre nahe Position zur öffnung in der Zuganode elektrische Feldlinien, die von der Außenfläche der Zuganode ausgehen und die Kathode treffen würden, auf sich vereinigt, so daß die Kathode nur von elekirischen Feldlinien, die aus dem Innern der Elektronendurchtrittsöffnung herkommen, getroffen wird und somit keine der von der Kathode ausgehenden Elektronen auf die Zuganode gelangen.

An Hand der Abb. 2 bis 4 sollen zwei als Ausführungsbeispiele dienende Elektronenstrahlerzeugungssysteme besprochen werden.

Abb. 2 zeigt eine einfache Ausführungsform eines beschriebenen Systems, bei welchem die zusätzliche Elektrode 1 als eine die Zuganode 2, welche rohrförmig und mit einer nach der Kathode zu auslaufenden Schneide versehen ausgebildet ist, umfassende Lochscheibe ausgebildet ist. Die Kathode 3 mit dem Brenner 4 ist von einer üblich ausgebildeten Wehneltelektrode 5 umgeben, d. h., der Winkel zwischen Strahlrand und Erzeugender der kegelförmigen Wehneltelektrode beträgt drei Viertel eines rechten Winkels (67,5°). Die Kathode 3 ist in an sich bekannter Weise als Konkavkathode ausgebildet. Die Potentiale der einzelnen Elektroden sollen auf die Kathode, welche das Potential Null besitzen soll, bezogen sein. Es liegt also die Zuganode auf hohem positivem Potential gegenüber Kathode, während die Wehneltelektrode in an sich bekannter Weise auf Kathodenpotential oder etwas negativem Potential gegenüber der Kathode liegt. Die zusätzliche Elektrode 1 liegt auf etwas negativem Potential gegenüber Kathode, doch kann sie auch auf Kathodenpotential oder positivem Potential gegenüber Kathode gehalten sein, was sich jeweils nach der Lage und der Form der einzelnen Elektroden, insbesondere der der Zusatzelektrode richtet. Der Elektronenstrahlrand ist in seinem Verlauf innerhalb des Beschleunigungsraumes des Elektronenstrahlerzeugungssystems durch die Linien 6,6' angedeutet. Die Spannungsquelle für die Abnahme der einzelnen Elektrodenspannungen ist mit 7 bezeichnet.

An Hand von Abb. 3 wird die Wirkungsweise dieses Systems näher erklärt. In dieser Abbildung ist das Strahlerzeugungssystem der Abb. 2 in ihrer oberen Hälfte vergrößert herausgezeichnet, wobei die einzelnen Äquipotentiallinien 8 bis 13, das sind die Orthogonalen zu den elektrischen Feldlinien, eingezeichnet sind. Diese Betrachtungsweise nur der oberen Hälfte des Systems ist aus Symmetriegründen zulässig. Die Potentiale der einzelnen Elektroden sind für das eingezeichnete Äquipotentialfeld derart gewählt, daß die Wehneltelektrode 5 und die zusätzliche Elektrode 1 auf Kathodenpotential liegen, während die Zuganode gegenüber der Kathode hoch positiv vorgespannt ist. Dieses System ist für die Erzeugung eines hohen Strahlstromes bei kleiner Strahlbeschleunigungsspannung bestimmt, besitzt also eine große Raumladungskonstante. Man erkennt dies vor allem daran, daß der Kathodenöffnungswinkel Θ verhältnismäßig groß ist, während der Kathoden-Anoden-Abstand verhältnismäßig gering ist. Bei dieser Gruppe von Elektronenstrahlerzeugungssystemen tritt die störende Wirkung der Elektronendurchtrittsöffnung besonders deutlich hervor. Der Strahlrand im Beschleunigungsraum zwischen der Kathode und der Zuganode ist durch die Gerade 6 angedeutet. Diese Gerade 6 berührt das schneidenartig auslaufende Ende der Zuganode 2. In ihrer Verlängerung läuft die Gerade 6 durch den Krümmungsmittelpunkt 15 der Kathodenfläche hindurch. Dieser Strahlverlauf im Beschleunigungsraum ist erwünscht, um eine möglichst gute Kathodenflächenausnutzung bei gleichzeitig guter Bündelung bzw. Verdichtung der von der Kathode ausgehenden Elektronenstromung zu erhalten. Dieser Strahlverlauf bildet sich nur dann aus, wenn in der Nähe des Strahlrandes 6, also im Beschleunigungsraum, die Äquipotentiallinien spiegelbildlich verlaufen, d. h. keine elekirische Feldstärkekomponente quer zum Strahlrand 6 existiert. Man erkennt aus der Abb. 3, daß dies in der Nähe der Zuganode 2, wo die Einhaltung dieser Bedingung bisher nicht möglich war, durch die zusätzliche Elektrode 1 erreicht wird, welche die Äquipotentiallinien derart zusätzlich

einkrümmt, daß diese in der näheren Umgebung des Strahlrandes 6 spiegelbildlich verlaufen. Nach Eintritt in die Elektronendurchtrittsöffnung verläuft dann der Elektronenstrahl beispielsweise so, wie es durch die Kurve 14 angedeutet ist.

In Abb. 4 ist eine vorteilhafte Weiterbildung der in den Abb. 2 und 3 dargestellten Systeme wiedergegeben. Dabei ist die zusätzliche Elektrode 1 auf das gleiche Potential wie die Wehneltelektrode 5 gelegt, welche — wie dargestellt — auf Kathodenpotential liegt. Außerdem sind die Wehneltelektrode 5 und die zusätzliche Elektrode 1 zu einem Bauelement vereinigt. Diese Vereinigung geschieht in der Weise, daß die Wehneltelektrode 5 mit einem zylinderförmigen Ansatz 16 versehen ist, welcher in die zusätzliche Elektrode 1 übergeht. Das Feldbild entspricht im wesentlichen dem in Abb. 3 wiedergegebenen. Selbstverständlich ist es auch möglich, die Wehneltelektrode und somit auch die zusätzliche Elektrode 1 etwas negativ gegenüber der Kathode vorzuspannen, wobei sich diese Vorspannung jeweils nach der Ausbildung der Elektroden richtet und der Erfüllung der vorgenannten Feldbedingungen dient.

Der wesentliche Vorteil des beschriebenen Elektronenstrahlerzeugungssystems liegt also darin, daß es den bei den bekannten Ausführungsformen auftretenden und unerwünschten Zuganodenstrom vermeidet.

Claims (3)

1. PATENTANSPRÜCHE:

   I. Elektrostatisch stark bündelndes Elektronenstrahlerzeugungssystem hoher Raumladungskonstante zur Erzeugung eines auf eine Elektronenauffangvorrichtung hin gerichteten Elektronenstrahles hoher Stromdichte, bestehend aus einer von einer Wehneltelektrode umgebenen Konkavkathode, einer Zuganode und einer im Raum zwischen Kathode und Zuganode angeordneten weiteren Elektrode, deren Form und Potential derart gewählt sind, daß sich im Raum zwischen Kathode und Zuganode ein Feldverlauf einstellt, bei dem an allen Punkten des Strahlrandes die Komponente des elektrischen Feldes senkrecht zum Strahlrand ververschwindet, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuganode (2) mit einem rohrförmig ausgebildeten, zur Kathode (3) hin gerichteten und in eine Ringschneide auslaufenden Ansatz versehen ist, daß die weitere Elektrode (1) lochscheibenförmig ausgebildet und den rohrförmigen Ansatz der Zuganode (2) in der unmittelbaren Nähe der ElektroneneintrittsöfFnung umgebend angeordnet ist und daß die Elektrode (1) auf kathodennahem Potential, insbesondere auf Wehneltelektrodenpotential liegt.
2. 2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzliche Elektrode (1) über einen zylinderförmigen Ansatz (16) mechanisch und elektrisch mit der Wehneltelektrode (5) verbunden ist (Abb. 4).
3. 3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wehneltelektrode kegelstumpfförmig mit in Richtung der Zuganode liegender Öffnung ausgebildet ist und daß der Winkel zwischen dem Kegelmantel und dem Strahlrand etwa 67,5° beträgt.

   In Betracht gezogene Druckschriften:

   Deutsche Patentschrift Nr. 831 856;

   britische Patentschriften Nr. 545 835, 545689;

   K. R. Spangenberg: »Vacuum Tubes«, 1948, S-452/453;

   Zeitschrift »Proceedings of the I. R. Ε.«, 1950, S. 645 bis 650;

   Zeitschrift »Electrical Communication«, 1949, Bd. 26, S. 145.

   Hierzu ι Blatt Zeichnungen

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