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Elektrisches Entladungsgefäss zur Erzeugung nuklearer
Reaktionen
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Fig. 1 zeigt einen schematischen Schnitt eines Ausführungsbeispieles der Erfindung. Fig. 2 ist eine graphische Darstellung zur Erläuterung der Arbeitsweise der Anordnung der Fig. 1. Fig. 2a zeigt eine ähnliche graphische Darstellung wie Fig. 2 zwecks Erläuterung und Arbeitsweise der erfindungsgemässen Anordnungen. Fig. 3 zeigt einen schematischen Schnitt der Anordnung der Fig. 1 mit der zugehörigen Gaseinlassröhre. Fig. 4 zeigt schematisch den Raum innerhalb der Anode der in den vorhergegangenen Figuren beschriebenen Anordnungen und zeigt die Ionen-Konzentration.
An Hand der graphischen Darstellung der Fig. 5 wird die Arbeitsweise der erfindungsgemässen Anordnungen erläutert.
Die Fig. 6a, 6b und 6c sind graphische Darstellungen zur Erläuterung der Arbeitsweise der erfindungsgemässen Anordnungen. Fig. 7 zeigt schematisch einen Schnitt einer Gesamtanordnung, bei der die Anordnung der Fig. 1 benutzt wird. Fig. 8 gibt perspektivisch eine geeignete Anodenkonstruktion wieder.
Fig. 9 zeigt einen Schnitt längs der Linien 9-9 der Fig. 8. Fig. 10 zeigt einen Schnitt eines andern Ausführungsbeispieles der Erfindung. Fig. 11 ist eine graphische Darstellung der Anordnung der Fig. 10 und zeigt die Äquipotentialflächen der Anode. Fig. 12 gibt einen vergrösserten Schnitt der Anode der Anordnung der Fig. 10 wieder.
Erzeugung des elektrischen Feldes.
In der Fig. 1 ist ein evakuiertes kugelförmiges elektrisches Entladungsgefäss gezeigt, das aus der kugelförmigen Kathodenhülse 20, der kugelförmigen Anodenhülse 21 und dem dazwischen angeordneten kugelförmigen Steuergitter 22 besteht. Wie aus der Figur hervorgeht, sind diese Elektroden konzentrisch zueinander angeordnet. Die Anode 21 und das Steuergitter 22 sind für die Elektronen durchlässig. Sie können für diesen Zweck als Maschenelektroden ausgebildet sein. Die Anode kann eine elektrische Durchlässigkeit von 99% aufweisen, während das Steuergitter eine solche von 95% aufweist. Geeignete Verbindungen bestehen zu den verschiedenen Elektr6den. Eine Zuführung 23 ist mit der Anode 21 verbunden, eine Zuführung 24 führt zur Kathode und eine Zuführung 25 verbindet das Steuergitter 22 mit einer periodischen Spannungsquelle 51.
Spannungen geeigneter Polarität und geeigneter Grösse sind an die einzelnen Elektroden, wie aus der Figur hervorgeht, angelegt. Das Potential zwischen dem Steuergitter 22 und der Kathode 20 ist derart, dass der Elektronenfluss von der Kathode zur Anode gesteuert werden kann. Die innere Oberfläche der Kathode 20 trägt elektronenemittierendes Material oder elektronenemittierende Anordnungen.
Die Kathode 20 liefert eine reichliche Anzahl von Elektronen. Es wird also eine Elektronenwolke oder - mit andern Worten - eine Raumladung zwischen der Kathode und dem negativ vorgespannten
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Als nächstes sei angenommen, dass nur zwei Elektronen gleichzeitig von diametral entgegengesetz- ten Punktes des Steuergitters starten. Die beiden Elektronen bewegen sich radial gegen den exakten Mit- telpunkt des Anodenraums, so dass diese Elektronen am exakten Mittelpunkt 26 kollidieren, wenn keine
Rückstossungskräfte vorhanden sind. Wenn diese beiden Elektronen negativ geladene Teilchen sind, wer- den sie Rückstossungskräfte aufeinander ausüben, in dem Augenblick, in dem sie in den Anodenraum ein- gedrungen sind, so dass ihre Geschwindigkeiten allmählich verkleinert werden, bis sich die Elektronen in der Nähe des Mittelpunktes 26 beinahe berühren. An diesem Punkt ist ihre Geschwindigkeit auf 0 gefal- len.
Bei einem praktischen Ausführungsbeispiel hingegen treffen die Elektronen nicht direkt zusammen, sie fliegen vielmehr mit einer geringen Geschwindigkeit aneinander vorüber. Nachdem sich die beiden Elektronen passiert haben, werden sie durch das Anodenpotential längs des Durchmessers beschleunigt.
Nach dem Verlassen der Anode verlieren die Elektronen wieder an Geschwindigkeit, bis sie in der Nähe des Steuergitters gestoppt werden, worauf sich der Kreislauf wiederholt.
Es sei darauf hingewiesen, dass ein einziges Elektron innerhalb des Kreises 21 auf Grund des gleichförmigen Potentials keine Kraft erfährt. Zwei Elektronen, die sich längs eines diametralen Weges einander nähern, erfahren Coulombsche Rückstossungskräfte und eine Geschwindigkeitsänderung, wodurch im Anodenraum ein elektrisches Feld erzeugt wird. Dies kann mit Raumladungseffekt bezeichnet werden.
Nehmen wir nun an, dass eine grosse Anzahl von der Kathode emittierter Elektronen das Steuergitter durchdringt, so folgen die Elektronen diametralen Wegen (wie sie durch die Pfeile 27 angezeigt sind), die sich nahe am Mittelpunkt kreuzen. Diese Elektronen konvergieren gegen den Mittelpunkt 26, und ihre Geschwindigkeit wird allmählich immer kleiner, bis sie ein Geschwindigkeitsminimum erreichen und daher nach aussen divergieren im wesentlichen auf denselben Durchmessern und beschleunigt werden, bis sie die Anodenoberfläche durchstossen, wenn die Elektronen das Innere der Anode 21 durchqueren, wird durch ihre negative Ladung allmählich das Potential im Mittelpunkt verkleinert. Auf diese Art und Weise wird im Anodenmittelpunkt eine virtuelle Kathode erzeugt, welche im wesentlichen das gleiche Potential wie die Kathode 20 annehmen kann.
Der totale Raumladungsstrom (ein-und auswärtsfliessender Strom), der nötig ist, um die virtuelle Kathode im Mittelpunkt der Anode zu erreichen, ist für ein typisches Ausführungsbeispiel der Erfindung 1500 A bei einem Anodenpotential von 100 kV. Dies kann crch i\ echnungen gezeigt werden, die auf den Formeln beruhen, welche von Langmir und Blodgett für ähnlic. s geometrischeAnordnungen entwik- kelt wurden (Physical Review, Vol. 24, July 1924, p. 53). Der mit den Anordnungen der Erfindung erzeugte Raumladungsstrom schwingt vor-und rückwärts durch die Anode, da er nicht wieder in die Kathode eintritt, von der er emittiert wurde.
Er erreicht viel grössere We. als der Anodenstrom, weil die Durchlässigkeit der Anode nur einen sehr kleinen Bruchteil des Raumladungsstromes einfängt. Der augenblickliche Raumladungsstrom (d. h. sowohl der ein-als auch der auswärts fliessende) hängt mit dem Kathodenstrom wie folgt zusammen :
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Aus (1) und (2) folgt (3) :
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Die Anode 21 wird konzentrisch zur Kathode 20 durch eine metallische Gasleitung 33 und einen geeigneten Isolator 34 gehaltert. Das Material, aus dem die Röhre 33 besteht, muss imstande sein, hohen Temperaturen zu widerstehen. Das gleiche gilt auch vom Isolator 34. Die Röhre 33 dient ferner dazu, das Anodenpotential an die Anode zu bringen.
Wie bereits früher ausgeführt, emittiert die Kathode 20 eine grosse Anzahl von Elektronen. Vorzugsweise besteht die Kathode 20 aus photoleitendem Material, das durch intensive ultraviolette Strahlung erregt werden kann. Es wurde gefunden, dass Aluminium bei Ultraviolett-Bestrahlung photoelektrisch ist.
Daher kann die Kathode 20 und auch die Halteanordnung aus Aluminium bestehen. Um ein besseres Ausgasen während der Evakuierung zu erhalten, kann die Kathode 20 aus Kupfer bestehen. Die elektronenemittierende Oberfläche ist mit photoelektrischem Material, z. B. Aluminium oder Germanium, versehen, das eine grosse Anzahl von Elektronen bei ultravioletter Bestrahlung emittiert.
Der Ansatz 28 und das Fenster 30 haben den Zweck, das Innere der Röhre während des Betriebes beobachten zu können. Wie später ausgeführt wird, erzeugt die Röhre, wenn sie einmal voll in Betrieb ist, in der Nähe des Mittelpunktes 26 ihre eigene ultraviolette Strahlung, die zur Auslösung der Elektronen dient.
Die Vakuumpumpe 32 muss einen Druck von 10-6 bis 10. 1 mm Quecksilber erreichen, damit eine gute Ausgasung gewährleistet ist. Es sei bemerkt, dass die Pumpe auch bei höheren Drücken arbeiten kann.
Durch die Röhre 33 werden geeignete Gase, wie z. B. Wasserstoff, Deuterium, Tritium oder ähnliche Gase, in das Innere der Röhre gelassen. Obgleich verschiedene Gasdrücke verwendet werden können,
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wird bei einer Arbeitsweise der Röhre ein Gasdruck von 104 mm Quecksilber bevorzugt. Der exakte Druck hängt von den verschiedenen Eigenschaften der Anordnung ab. Die Pumpe 32 arbeitet so, dass sie den gewünschten Druck in der Röhre hält.
Wenn Gasatome in die Anode 21 und in die Wege der konvergierenden Elektronen diffundieren, werden durch die Kollision der Elektronen mit den neutralen Atomen positive Ionen gebildet. Wie im Zusammenhang mit den Fig. 1 und 2 ausgeführt wurde, besteht innerhalb der Anode 21 eine Potentialverteilung derart, dass das Potential am Mittelpunkt 26 nahe 0 ist und das Maximum des positiven Potentials auf der Oberfläche der Anode 21 herrscht. Die positiven Ionen werden daher gegen den Mittelpunkt 26 gezogen und erhalten eine Maximalgeschwindigkeit entsprechend dem Potential, das sie von ihrem Entstehungspunkt bis zu ihrem Mittelpunkt 26 durchlaufen haben. Fig. 4 zeigt einen Schnitt der Anode 21.
Die Ionenkonzentration ist in dieser Figur durch Punkte wiedergegeben.
Unter der Annahme, dass ein Ion in dem Teil des Anodenraumes entstanden ist, wo die Potentialdifferenz in bezug auf den Mittelpunkt 26 50 kV beträgt, wird das Ion gegen den Mittelpunkt gezogen. Auf seinem Flug zum Mittelpunkt gewinnt das Ion so viel Energie, dass es über den genauen Mittelpunkt hinausfliegt. Danach wird seine Geschwindigkeit geringer, bis das Ion einen Punkt erreicht, der wieder eine Potentialdifferenz in bezug auf den Mittelpunkt 26 von ungefähr 50 kV hat. Nun wird das Ion eine Rück- stossungskraft erfahren, wodurch es wieder zum Mittelpunkt und durch diesen zurückkehrt. Ein Ion, welches also an einem Punkt entstanden ist, der ein positives Potential in bezug auf den Mittelpunkt 26 aufweist, schwingt also längs radialen Wegen durch den Mittelpunkt 26.
Die Länge des Schwingungsweges wird durch das Potential des Entstehungspunktes des Ions bestimmt.
Ein in der unmittelbaren Nähe der Anodenoberfläche 21 entstandenes Ion fliegt gegen das 0-Poten-
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Ein Ion innerhalb des Radius r1 in Fig. 2a schwingt unter der Annahme, dass nur Elektronen anwesend sind, durch den Mittelpunkt auf einer Länge, die der Länge des Doppelpfeiles 93 entspricht. Unter der Einwirkung des Potentials der Kurve f schwingt das Ion durch den Mittelpunkt über eine Länge, die dem Doppelpfeil 94 entspricht. Diese Bewegung erfolgt auf einem höheren Energieniveau, als dies längs des Pfeiles 93 der Fall ist. Ähnlich, wie dieses Ion entstanden ist, kann ein Elektron entstehen, das sich ausserhalb des Zentrums bewegt (Pfeil 95).
Nun seien Ionen betrachtet, die innerhalb des Radius r oder r entstanden sind. Der Schwingungsweg durch den Anodenmittelpunkt ist durch den Doppelpfeil 96 wiedergegeben, wenn das Ion innerhalb r2 entsteht. Es wird auch ein Elektron entstehen, das sich nach aussen bewegt, wie durch den Pfeil 97 angedeutet. Wenn jedoch beide, das Ion und das Elektron, am Punkt r entstanden sind, schwingt das Elektron örtlich durch den Mittelpunkt, wie dies durch den Doppelpfeil 98 angezeigt ist.
Die letzte Gruppe von Elektronen, die örtlich durch den Mittelpunkt schwingen, wirken der positiven, durch die Ionen gebildeten Raumladung entgegen, weil sie den Potentialhöcker P im Zentrum reduzieren. Dies ist wünschenswert, weil dadurch die Energie der Ionen hoher Geschwindigkeit (längs des Pfeiles 94) erhöht wird, die die gewünschte nukleare Reaktion einleiten, wie dies später erläutert wird.
Dadurch wird auch eine grössere lonendichte im Mittelpunkt erzielt.
Die genauen quantitativen Beziehungen hängen von der Lage des Punktes P ab, der durch den Elektronenstrom bestimmt wird und daher beispielsweise durch die Vorspannung des Steuergitters 22 gesteuert
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tion, die am Steuergitter 22 liegt. Diese Modulation ändert periodisch die Intensität des gegen den Mit- telpunkt konvergierenden Raumladungsstromes und moduliert daher auch das Potential des Mittelpunktes
26 in bezug auf die Anode 21, wie dies in Fig. 6b gezeigt.
Die Modulation des Mittelpunktes 26 ist in Fig. 6c durch den Teil 40 der Kurve d wiedergegeben. Es ergibt sich, dass der Mittelpunkt 26 sein Potential periodisch von einem Potential nahe 0 V (Kurve d) zu einem etwas höheren Potential (Kurve 40) ändert. Die Grenzen dieser Potentialänderungen können durch die Gittervorspannung und die Amplitude des Modulationssignals beeinflusst werden.
Ionen, deren Laufzeit kleiner ist als die Modulationsperiode, erfahren einen Energiezuwachs und behalten ihre Schwingungen bei. Ionen, deren Laufzeit länger ist als die Modulationsperiode, verlieren
Energie und erhalten eine kürzere Laufzeit. Die Modulationsfrequenz ist also äusserst wichtig, u. zw. so- wohl die obere als auch die untere Frequenzgrenze. Die obere Frequenzgrenze ist durch die höchste Ener- gie der Ionen erwünscht. Die untere Frequenzgrenze ist nötig, um zu verhindern, dass Ionen aus dem
Anodenraum entweichen. Die tatsächliche Frequenz ist so eingerichtet, dass sie innerhalb dieser beiden Grenzen liegt.
Es sei wiederholt, dass ein Ion hoher Geschwindigkeit, das durch den Anodenmittelpunkt fliegt, durch den bereits beschriebenen Streuprozess einen Energiezuwachs einbüsst, wenn dieses besondere Ion eine Laufzeit hat, die kürzer ist als die Modulationsperiode, wird der Energiezusatz ersetzt und das Ion setzt seine Schwingung fort mit vergrösserter Amplitude und Geschwindigkeit. Daraus folgt, dass das Ion längere Zeit existiert und die Wahrscheinlichkeit zur Erzeugung einer nuklearen Reaktion grösser wird.
Nukleare Reaktion.
Wenn ein schwingendes Ion mit einem andern Ion geeigneter Energie kollidiert, findet eine nukleare Reaktion statt. Es kann eine grosse Anzahl von nuklearen Reaktionen stattfinden. Reaktionen exothermer Art sollen besonders betrachtet werden. Die Energieerzeugung bei derartigen Reaktionen ist dem Energiebetrag Q, der bei der Reaktion frei wird, und der Anzahl der Reaktionen, die in der Zeiteinheit stattfinden, proportional. Die Anzahl der Reaktionen in der Zeiteinheit wird erhalten durch das Produkt des Spaltquerschnittes, der die Wahrscheinlichkeit für eine spezifische nukleare Reaktion ausdrückt, die Anzahl der Ionen im Mittelpunkt 26 und die Anzahl der Teilchen, die durch den Mittelpunkt der Zeitenheit gehen.
Der Spaltquerschnitt oder die Wahrscheinlichkeit, dass eine nukleare Reaktion stattfindet, ist eine Funktion der sich in der Anordnung bewegenden Teilchen, die ihrerseits eine Funktion der Potentialdifferenz des Scheitels der Auswärtsbahn eines Teilchens und dem Mittelpunkt 26 ist. Es ist klar, dass Reaktionen, die grosse Energie liefern, einen grossen Spaltquerschnitt fordern und ein grosses Q liefern.
Eine Reaktion, die ausserhalb der oben geschilderten Erfordernisse steht, ist die Reaktion Triterum und Deuterium. Die nukleare Gleichung für diesen Prozess ist wie folgt :
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eineEnergieerzeugung.
Die Vorrichtungen zur Energieerzeugung für die Anordnungen der Fig. 1 und 2 sind in Fig. 7 wiedergegeben. Wenn eine geeignete Anodenspannung angelegt wird, wird der durch die Kathode 20 emittierte Strom eventuell durch die Anode aufgefangen. Dieser Strom kann 20 A bei einer Anodenspannung von 120 kV betragen. Die hohen Temperaturen, die durch diesen Strom auf der Anode erzeugt werden, müssen rasch abgeführt werden.
Zu diesem Zweck ist, wie in Fig. 7 dargestellt, eine Kühlvorrichtung, z. B. ein kugelförmiger Wassertank 47, vorgesehen, der in engem thermischem Kontakt mit der äusseren Oberfläche der Kathode 20 steht. Der Wassertank 47 ist von einer Sicherheitsabschirmung 48 umgeben, welche die bekannten Abschirmungsmaterialien, wie z. B. Blei oder Wasser, enthalten kann. Eine geeignete Gasquelle 49 ist mit dem Rohr 33 verbunden und die Energieversorgung 50 ist mit der Anode und der Kathode verbunden. Eine Quelle 51 für die Modulationsspannung und für die Vorspannung ist an das Steuergitter 22 angeschlossen, um den bereits erwähnten modulierten Raumladungsstrom zu erzeugen.
Bei geeigneter Ausbildung des Wassertankes 47 kann die innerhalb der Röhre entwickelte Hitze rasch abgeführt werden und die Energie der Reaktionsprodukte oder Teilchen kann mit Hilfe eines geeigneten Wandlers in der üblichen Weise zur Energieerzeugung benutzt werden. Die oben erwähnte Energie der Reaktionsprodukte wird frei in der Form von kinetischer Energie, die gespeichert ist in den Fusionsprodukten, welche Alphateilchen und Neutronen sind. Die totale Energie Q + Ep beträgt ungefähr 17. 7 MEV und ist zwischen den Alphateilchen und den Neutronen umgekehrt im Verhältnis ihrer Massen verteilt. Ein Alphateilchen hat dann eine mittlere Ener- gie von 3,5 MEV und das Neutron eine mittlere Energie von 14, 2 MEV.
Das Alphateilchen überträgt den grössten Teil seiner Energie auf die Elektroden der Anordnung, wo die Energie in Hitze verwandelt wird, die ihrerseits abgestrahlt und der Kühlvorrichtung zugeführt werden muss. Das Neutron mit seiner Ge- schwindigkeit von 14, 2 MEV verlässt die Röhre und dringt in die Flüssigkeit des Wassertankes ein. Die
Flüssigkeit des Tankes ist so ausgewählt, dass sie sowohl die Wärme abführt als auch die Energie der Neu- tronen absorbiert. Ein wasserstoffhaltiges Material oder ein Moderator ist am besten geeignet zur Absorp- tion der Elektronenenergie. Leichtes Wasser ist besonders gut, da es die Neutronen absorbiert, nachdem deren Geschwindigkeit geringer geworden ist, dadurch werden gewisse Abschirmungseffekte erreicht und gleichzeitig schweres Wasser erzeugt.
Schweres Wasser ist ein guter Moderator ohne die grosse Neutronen- absorption des leichten Wassers. Das schwere Wasser kann, wenn es wünschenswert ist, benutzt werden, um eine grosse Anzahl thermischer Neutronen zu erzeugen, die in Verbindung mit Li benutzt werden können, um Triterium und zusätzliche thermische Energie zu erzeugen.
In Fig. 8 ist ein Ausführungsbeispiel der Anode 21 wiedergegeben. Sie besteht vorzugsweise aus Wolfram. Die Anode ist derart konstruiert, dass geeignete Flügel in der Form von Streifen, die mit zentralen Öffnungen versehen sind, sich überkreuzen. Ein Ausführungsbeispiel einer Anode hat einen Aussendurchmesser von 4 cm und einen Innendurchmesser von 2 cm. Der Innendurchmesser der Kathode beträgt
12, 7 cm und derjenige für das Steuergitter beträgt ungefähr 12 cm. Es ist klar, dass diese Abmessungen zwecks Erreichung anderer Charakteristiken geändert werden können.
Der Isolator 34 der Fig. 3 besteht vorzugsweise aus nicht porösem Aluminiumoxyd hoher Widerstandsfähigkeit und gewährleistet eine hohe Vakuumdichtigkeit. Wie eben ausgeführt, besteht die Anode aus Wolfram. Dies ist erforderlich, damit sie den relativ hohen Temperaturen ungefähr 20000C standhält. Das Steuergitter kann aus einer goldplatierten perforierten Metallhülle mit einer Durchlässigkeit von 95% bestehen. Das Steuergitter hat in den meisten Fällen eine vernachlässigbare Elektronenemission.
Die Kathode 20 ist aus halbkugelförmigen Bechern aus Kupfer zusammengesetzt und auf der Innenseite mit einem geeigneten photoelektrischen Material, z. B. Aluminium oder Germanium, bedeckt, das geeignet ist, bei Ultraviolettbestrahlung eine grosse Anzahl von Elektronen zu liefern.
Die Energieversorgung muss ungefähr 100 kV liefern, während die Gittervorspannung, um die beste Arbeitsweise zu erhalten, zwischen +5 V und-5 V liegt. Die Hochfrequenzspannung liegt bei ungefähr +10 V oder-5 V bei einer Frequenz von 108 Hz.
Gesamtarbeitsweise.
In dem Augenblick, in dem die Energieversorgung 50 (Fig. 7) eingeschaltet ist, werden einige Elektronen von der Kathode 20 emittiert. Dadurch wird eine begrenzte Anzahl von Ionen frei, die durch Ka- thoden-Bombardement eine Anzahl von Sekundärelektronen freimachen, die zusätzlich Ionen erzeugen.
Dieser Prozess geht so lange weiter, bis die virtuelle Kathode gebildet ist. Die ultraviolette Strahlung, die bei der Wiedervereinigung von Ionen entsteht, dient dazu, um weitere Elektronen aus der Kathode auszulösen. Der letztgenannte Prozess bildet den Hauptfaktor bei der Aufrechterhaltung der Entladung. Nachdem die virtuelle Kathode erzeugt ist, werden durch die Ionen die nuklearen Reaktionen her-
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vorgerufen. Diese nuklearen Reaktionen können als Kraftquelle dienen, oder die damit zusammenhän- genden Strahlungen können für andere Zwecke benutzt werden.
Zweites Ausführungsbeispiel.
Bei dem ersten Ausführungsbeispiel, wie es in den Fig. 1 - 7 wiedergegeben ist, liegen die Kanten der Anode in dem Weg des konvergierenden Raumladungsstromes. Daher kann es nicht vermieden werden, dass ein Teil dieses Raumladungsstromes eingefangen wird, wodurch ein relativ hoher Energieverlust ein- tritt und auf der Anode extrem hohe Temperaturen entstehen. Bei dem zweiten Ausführungsbeispiel. das in den Fig. 10 und 11 dargestellt ist, ist die Anode derartig ausgebildet, dass das Auffangen des Raumladungsstromes auf ein Minimum reduziert oder in den meisten Fällen vollständig vermieden ist. Dadurch wird auch der oben erwähnte hohe Energieverlust und die hohen Anodentemperaturen vermieden.
Die Anordnung der Fig. 10 ist grundsätzlich die gleiche wie die der Anordnung der Fig. 1. Daher sind, wenn möglich, die gleichen Bezugszeichen wie in dieser Figur benutzt mit dem Unterschied, dass zusätzlich der Index a verwendet wird.
Die Röhre besteht aus einer kugelförmigen Kathode 20a, die aus zwei halbkugelförmigen Teilen aus Kupfer oder Aluminium gebildet ist. Das Steuergitter 22a ist kugelförmig, hat aber an den zwei entgegengesetzten Seiten zwei Segmente, die durch zwei Metallringe 52 und 53 verstärkt sind. Geeignete Isolatoren 54 und 55 sind zwischen der Kathode und dem Ring 52 angeordnet, um das Gitter konzentrisch innerhalb der Kathode zu haltern. Das Gitter besteht aus Metall mit einer Durchlässigkeit von 95%.
In der Mitte der Röhre ist die Anode 21a angeordnet, die aus den beiden symmetrischen Anodenteilen 56 besteht. Da diese beiden Anodenteile in ihrer Konstruktion identisch sind, reicht die Beschreibung einer von diesen. Jeder Teil besteht aus drei aufeinander getrennt angeordneten becherförmigen Wolframteilen, die im wesentlichen eine kugelförmige Krümmung um den Röhrenmittelpunkt 26a aufweisen. Der innere Becher 57 ist mechanisch durch den äusseren Becher 58 mittels geeignet leitender Verbindungen 59 gehaltert, die durch Öffnungen 60 in dem mittleren Becher 61 gehen. Die Öffnungen 60 sind so gross, dass ein isolierender Zwischenraum zwischen den Verbindungen 59 und dem mittleren Becher 60 besteht.
Eine Hülle 62 trägt den äusseren Becher 58 und ist an dem inneren Ende des Isolators 63 befestigt, der sich radial von der Röhre nach auswärts erstreckt. Eine Längsbohrung 64 in dem Isolator 63 beinhaltet einen koaxialen Leiter, der aus dem äusseren Leiter 65, dem inneren Leiter 66 und einem geeigneten Isolator 67 besteht. Der äussere Leiter ist mit der Hülse 68 verbunden, die den Becher 61 trägt. Der innere Leiter 66 ist mit dem inneren Becher 57 verbunden. Die Verbindung zwischen dem inneren Leiter 66 und dem inneren Becher 57 ist derart ausgeführt, dass die Wärme rasch von dem inneren Becher 57 abgeführt wird.
Die Grösse und die Lage der Anodenbecher sind aus der Fig. 10 zu ersehen. Die Kanten der Becher endigen im wesentlichen längs der imaginären Durchmesser 69 und 70. Die das Gitter verstärkenden Ringe 52 und 53 weisen im Querschnitt zwei Flansche auf. Der Flansch 71 ist im wesentlichen parallel zu der Oberfläche der Kathode 20a, und der Flansch 72 hat teilweise eine konische Oberfläche. Der Zweck und die Wichtigkeit dieser Form werden später näher ausgeführt.
Vakuumdicht in diametral zueinander angeordneten Öffnungen 73 in der Kathode sind geeignete blasebalgähnliche Anordnungen 74 eingeschmolzen, die es gestatten, die zwei Anodenteile 54 innerhalb der Röhre genau einzustellen. Die beiden blasebalgähnlichen Anordnungen sind im wesentlichen identisch.
Die blasebalgähnliche Anordnung 74 besteht aus einer geeigneten Hülse 76, die sich radial von der entsprechenden Öffnung 73 nach auswärts erstreckt. Die Öffnung 73 ist mit einem geeigneten festen Flansch 77 versehen. An die Hülse 76 ist ein vakuumdichter flexibler Blasebalg 78 der üblichen Bauart befestigt. Der Blasebalg ist derart mit dem Isolator 63 verbunden, dass die Vakuumdichtigkeit der Röhre gewährleistet ist.
Die Anordnung zur Einjustierung der Anode besteht aus einem Ring 79, der die Hülse 76 umgibt und auf dem Flansch 77 aufliegt. Ein anderer Ring 80 ist an dem andern Ende des Blasebalgs angeordnet und weist drei Schrauben 81 auf. Die Schrauben endigen n Öffnungen 82 im Ring 79. Mittels dieser Schrauben 81 wird der Blasebalg 78 zusammengedrückt, wodurch die Lage des entsprechenden Anodenteils 56 verändert wird. Die Anordnung kann derart ausgeführt sein, dass die Anode mit Mikrometergenauigkeit in ihre geeignete Lage zu den andern Teilen der Röhre gebracht werden kann. Federn 99, die die Schrauben 81 umgeben, sorgen für die Rückwärtsbewegung. In der Hülse 76 ist ein Gaseinlassrohr 33a vorgesehen, während die andere Hülse 83 den Pumpstutzen 31a aufweist. Die Energieversorgung 50a mit zwei verschiedenen Ausgangsspannungen, z.
B. 120 und 140 kV, wie dies durch die Bezugszeichen 84 und 85 angezeigt ist, ist mit den Anodenteilen verbunden. In der Zeichnung liegt an dem inneren und äusseren Anodenbecher 57 und 58 eine höhere Spannung als an dem mittleren Becher 61. Diese Spannungen kön-
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nen jedoch umgekehrt werden. wie später ausgeführt wird. Eine geeignete Modulationsspannung 51a ist durch den Gitterleiter 86, der von der Kathode 20a isoliert ist, mit dem Gitter 22a verbunden. Mittels des Transformators 87 wird die Anpassung erzielt. Die Veränderung der Amplitude der Modulationsspannung erfolgt durch den variablen Kondensator 88. Die Vorspannung positiver oder negativer Polarität zum Gitter erfolgt durch die Gitterbatterie 89.
Bei dieser Anordnung beträgt der Anodenradius 2 cm, gemessen zwischen dem Mittelpunkt 26 und der Oberfläche des inneren Bechers 57.
Um die Anordnung in Betrieb zu nehmen, werden die Spannungen und der entsprechende Gasdruck angelegt, wie dies bereits im Zusammenhang mit der ersten Anordnung beschrieben wurde. Die zwei Anodenteile 56 stellen eine Elektronenlinse dar mit den Äquipotentialflächen, wie dies in Fig. 11 durch das Bezugszeichen 20 angezeigt ist.
Aus der Fig. 11 geht hervor, dass im wesentlichen kugelförmige Äquipotentialflächen entstehen, die in gleicher Weise wie diejenigen der Anode 21 der Fig. 1 arbeiten. Von der Kathode 20a emittierte Elektronen konvergieren gegen den Anodenmittelpunkt 26a und erzeugen die virtuelle Kathode. Das Gas innerhalb der Röhre ist ionisiert, was, wie bereits früher ausgeführt, zu nuklearen Reaktionen in der Nähe des Mittelpunktes 26a führt. Die Anode 21a ist für den Raumladungsstrom vollständig offen. Da die Anode im wesentlichen durch den Winkel zwischen den zwei Durchmessern 69 und 70 begrenzt ist, kann kein Raumladungsstrom auf die Anode treffen.
Der Anteil des Raumladungsstromes, der hinter die Grenzen der Durchmesser 69 und 70 gelangen sollte, wird durch die Ringflansche 71 aufgefangen, wodurch vermieden wird, dass dieser Anteil in den Raum hinter der Anode gelangt und dann von dieser eingefangen wird.
Die Ringflansche 71 dienen zur Abschirmung aller der Elektronen, die von Kathodenteilen, die hinter den Flanschen liegen, emittiert werden. Durch die Ringflansche wird also vermieden, dass diese Elektronen auf die Anode gelangen. Um den Raumladungsstrom zu konzentrieren und die Möglichkeit, dass ein Teil des Raumladungsstromes durch die Anode aufgefangen wird, zu vermeiden, kann die Krümmung der Anodenelemente 57,58 und 61 geändert werden, dadurch werden die Äquipotentialflächen verändert und erreicht, dass der Raumladungsstrom wirklich nur auf dem Punkt 26a fokussiert ist. Der Raumladungs- strom hat die Form zweier koaxialer konischer Teile. Die Grenzen des Raumladungsstromes sind durch die Bezugszeichen 91 und 92 dargestellt. Die Elektronen dieses Strahles haben die Tendenz, über diese Grenzen hinauszugehen, auf Grund der Abstossungskräfte.
Sie werden jedoch dann von dem Anodenteil 56 aufgefangen.
Die radialen Flansche 72 haben den Zweck, diese Streuung der Elektronen zu vermeiden in der ähnlichen Weise, wie dies bei einem Strahlerzeugungssystem von Piere der Fall ist.
Der kombinierte Effekt dieser Flansche und der durch die Anodenteile 57, 58 und 61 gebildeten Elektronenlinse (welche als Einzellinse bezeichnet werden kann) fokussiert den Raumladungsstrom auf den Mittelpunkt 26a). Die Linse 56 ist eine besondere Form einer Einzellinse und ist nur schematisch wiedergegeben. Für Fachleute ist es selbstverständlich, für diesen Zweck auch andere elektronenoptische Anordnungen zu verwenden. Eine Beschreibung der Einzellinse ist in Spangenberg "Vacuum Tubes", 8. 386 und 387, erfolgt. Auch die Werte 120 oder 140 kV sind nur beispielsweise angegeben. Die genauen Werte müssen so gewählt werden, dass der Raumladungsstrom fokussiert wird.
Der einzige Elektronenstrom, der nicht von der Anode 56 abgehalten werden kann, ist der, der auf Grund von Elektronenbefreiung bei der Entstehung von Ionen erzeugt wird. Die soeben beschriebene Anordnung kann mit den gleichen Schaltanordnungen, wie sie in Fig. 7 beschrieben sind, betrieben werden.
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