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Die Erfindung bezieht sich auf eine
Elektronenstrahlvorrichtung.
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In einer ganzen Reihe von Einrichtungen kann als
Elektronenstrahlquelle eine Hohlkathode verwendet werden. Bei
entsprechender Gasströmung werden die emittierten Elektronen von
Ionen begleitet, woraus sich außerhalb der Kathode ein
leitendes Plasma ergibt. Ohne dieses Plasma wären die
Elektronenströme durch Raum-Ladungsüberlegungen beschränkt. In
Anwesenheit dieses Plasmas sind hohe Ströme bei moderaten
Spannungen, zum Beispiel mehrere zehn oder hundert Ampere bei unter
100 Volt, möglich.
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Der größte Teil des emittierten Stroms hängt bei den
Hohlkathoden nach dem bisherigen Stand der Technik von der
thermionischen Emission ab. Die Emissionsfläche muß daher heiß sein
Die hohen Temperaturen dieser Flächen sind, direkt oder
indirekt, Ursache für die meisten Mängel der
Hohlkathoden-Vorrichtungen nach dem bisherigen Stand der Technik. Durch
Nutzung der sekundären Emission aufgrund von Ionenbeschuß als
primären Emissionsmechanismus wird der Vorgang im
wesentlichen unabhängig von der Temperatur der Emissionsfläche. Bei
ausreichender Kühlung ist es dann möglich, große
Elektronenströme zu emittieren, ohne daß heiße Oberflächen vorhanden
sind.
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In der U.S.-Patentschrift 3,515,932 von King, "Hollow Cathode
Plasma Generator" wird eine Struktur beschrieben, die auf der
Verwendung eines Materials mit niedriger Austrittsarbeit, wie
zum Beispiel Barium, Strontium oder Kalziumoxid, beruht, um
die Austrittsarbeit der Hohlkathodeninnenfläche zu
reduzieren. Durch die Reduzierung der Austrittsarbeit können
die Elektronen THERMIONISCH bei niedrigeren Temperaturen als
bei einem Material mit hoher Austrittsarbeit emittiert
werden. Die niedrigere Temperatur liegt in diesem Fall im
Bereich von 900ºC. Um diese Temperatur zu erreichen, muß die
Spitze der Hohlkathode mit einer externen Heizvorrichtung
oder einem separaten Heizfaden erhitzt werden.
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King beschrieb einen THERMIONISCHEN Prozeß, in dem die
Elektronen durch hohe Temperaturen in den Hohlkathodenraum
emittiert werden. In der vorliegenden Erfindung werden keine
thermionischen Komponenten verwendet, sondern sie geht
einfach von sekundären Elektronenprozessen aus. Die beschriebene
Struktur ist daher wesentlich anders. Wie aus der
nachfolgenden Beschreibung erkennbar wird, hat die Einrichtung der
vorliegenden Erfindung gegenüber der Kathodenstruktur nach King
eine Reihe von nicht unmittelbar offensichtlichen Vorteilen.
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In der U.S.-Patentschrift 3,320,457 von Boring,
"Non-thermionic Hollow cathode Electron Beam Apparatus", wird eine
Plasma-Einrichtung der sehr frühen Generation mit einer
Kathode in Hohlform beschrieben. Sie arbeitet bei sehr hohen
Spannungen (20000 V) und hohen Entladungsdrücken
(5-12 Millitorr oder 0,7-1,6 Pa). Es scheint sich um eine
einfache Variation einer Gleichstrom-Glimmentladung zu
handeln, die mit sehr niedrigen Stromstärken (20 Milliampere)
arbeitet. Diese Einrichtung unterscheidet sich von der
vorliegenden Erfindung in vielfacher Hinsicht. Sie arbeitet in
ganz anderen Druck-, Spannungs- und Stromstärkenbereichen und
verfügt nicht eigentlich über eine Hohlkathode, sondern
lediglich über eine zylindrisch geformte Kathode.
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In der U.S.-Patentschrift 4,325,000 von Wolfe et al, "Low
Work Function Cathode", ist eine Feldemissionseinrichtung in
Form einer Spitze enthalten, die mit einem Material mit
niedriger
Austrittsarbeit beschichtet ist, um die thermionische
Emission von Elektronen bei niedrigerer Temperatur zu
ermöglichen. Es handelt sich nicht um eine Hohlkathode, noch
verwendet sie sekundäre Elektroneneffekte und ist daher in
keiner Weise mit der vorgeschlagenen Erfindung in Bezug zu
bringen.
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In der U.S.-Patentschrift 4,298,817 von Carette et al, "Ion-
Electron Source Channel Multiplier Having A Feedback Region",
wird eine Einrichtung beschrieben, die auf einem
Elektronenvervielfacher beruht. Bei einem Elektronenvervielfacher ist
entlang der Länge einer fast-isolierenden Röhre oder eines
Kanals eine sehr hohe Spannung vorhanden. Elektronen in
diesem Kanal werden durch das positive Potential angezogen,
treffen auf die Seiten der Röhre mit hoher Energie auf und
bewirken die Bildung von sekundären (aus den Elektronen
gebildeten) Elektronen. In diesem Patent wurde diese Idee zur
Erzeugung von Ionen in diesem Kanal oder in einigen Fällen
zur Erzeugung von Elektronen angewendet. Die Einrichtung
scheint primär zur Verwendung als Ionenquelle gedacht.
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Das Patent unterscheidet sich von der vorliegenden Erfindung
dadurch, daß es sich im Gegensatz zu unserer Einrichtung
nicht um eine Plasma-Einrichtung, sondern um eine Einrichtung
mit einzelnen Partikeln handelt. Sie arbeitet mit hohen
elektrischen Feldern (1-2000 V) und bei relativ niedrigen
Stromstärken. Der primäre Prozeß in diesem Patent ist die
Erzeugung sekundärer Elektronen aus ELEKTRONEN, während unsere
Einrichtung sekundäre Elektronen aus IONEN verwendet.
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In der U.S.-Patentschrift 4,377,773 von Herschovitch et al,
"Negative Ion Source With Hollow Cathode Discharge Plasma",
wird einfach eine negative Ionenquelle beschrieben, bei der
negative Ionen durch Beschuß einer Fläche mit niedriger
Austrittsarbeit mit positiven Ionen und neutralen Partikeln aus
einem Plasma gebildet werden. Das Plasma wird durch
Hohlkathodenentladung gebildet.
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Eine kritische Studie jedes der oben genannten Patente, die
bei der Untersuchung des bisherigen Stands der Technik
gefunden wurden, weist darauf hin, daß keines von ihnen eine auf
sekundären Elektronen basierende Hohlkathodeneinrichtung wie
die hierin beschriebene offenbart.
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In Fig. 1, typisch für die oben beschriebene Technik nach dem
bisherigen Stand, hat der äußere Mantel 2 die Form einer
Röhre. Das ionisierbare Gas 4 tritt an einem Ende in die
Röhre ein, die Emission der Elektronen erfolgt durch die
Apertur 6 am anderen Ende. Die emittierten Elektronen
verlassen die Röhre in der allgemeinen Richtung 8. Da die Mehrheit
der emittierten Elektronen von Natur aus thermionisch ist,
muß die Innenseite der Röhre 10 an der Apertur 6 im Bereich
thermionischer Temperaturen liegen. Dies kann durch
Verwendung einer thermionischen Heizspule 3 erreicht werden, welche
die Hohlkathode umgibt. Aufgrund sekundärer Emission durch
Ionenkollisionen und der Anreicherung aufgrund hoher
elektrischer Felder ist die Emission nicht vollkommen thermionisch.
Der größte Teil der Emission ist jedoch seiner Natur nach
thermionisch, da der normale Betrieb nicht aufrechterhalten
werden kann, ohne daß die Emissionsflächen nahe an die für die
thermionische Emission geforderten Werte heranreichen.
Genauer gesagt, die Elektronen-Emission sinkt, bei
gleichzeitiger Zunahme der Saugspannung, rapide, wenn man diese Flächen
abkühlen läßt.
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Das Aufheizen der Elektronenemissionsfläche 10 erfolgt durch
Ionenbeschuß. Im Betrieb füllt sich die Innenseite der Röhre
mit einem Plasma. Dieses Plasma ist in der Nähe der
Apertur 6, durch welche die Elektronen emittiert werden, am
dichtesten. Ein großer Teil der Gesamtbetriebsspannung tritt
als eine Potentialdifferenz zwischen diesem Plasma und der
Röhre 2 auf. Ionen, die dieses Plasma verlassen, benötigen
eine Energie entsprechend dieser Potentialdifferenz, was zu
einem Aufheizen der Röhre an den Stellen führt, an denen sie
auftreffen. Da das Plasma in der Nähe der Apertur 6 die
höchste Dichte aufweist, wird die Röhrenfläche 10 in der Nähe
dieser Apertur am stärksten aufgeheizt.
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Der Betrieb wird gewöhnlich mit einer Hochspannungsentladung
zum Ende der Röhre 2 in der Nähe der Apertur 6 eingeleitet.
Sobald die Oberfläche 10 auf Betriebstemperatur aufgeheizt
ist, ist die normale Entladung mit hoher Stromstärke und
niedriger Spannung hergestellt.
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Durch eine Reihe von Veränderungen hat man versucht, die
Wärme von den Emissionsflächen zu erhalten und dadurch die
erforderliche Heizleistung zu senken. In diesem Zusammenhang
ist die für Kathoden für elektrische Raumfahrtantriebe
entwickelte Technologie die am weitesten entwickelte. Eine
solche Kathode wird in Fig. 2.1 dargestellt.
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In Fig. 2.1 haben wir wieder eine äußere Röhre 12, in die von
einem Ende ein ionisierbares Gas 14 einströmt. Die
Elektronenemission erfolgt durch eine Blende 16 am
gegenüberliegenden Ende. Wie in der Einrichtung der Fig. 1 wird die
Röhre 12 in der Nähe des Emissionselements 20 von einer
thermionischen Heizeinheit 13 umgeben. Die emittierten Elektronen
strömen in der allgemeinen Richtung 18. Die
Elektronenemission erfolgt in diesem Fall aus einem Barium- und/oder
Strontiumoxid; Al&sub2;O&sub4;- oder MgO-Cermet, womit ein Einsatz 20
beschichtet oder imprägniert ist. Die Einzelheiten des
Elements 20 sind in der Fig. 2.2 dargestellt. Typischerweise
wäre dieses Element aus mehreren umeinander gewickelten
Schichten von Folienmaterial gebildet. Weil die thermionische
Emission in Anwesenheit eines solchen Oxids bei einer
geringeren Temperatur stattfindet, arbeitet dieser Einsatz
bei einer geringeren Temperatur, als die entsprechende
Fläche 10 in Fig. 1. Außerdem strahlt der Einsatz 20 nicht
direkt in den umgebenden Raum ab, sondern wird von der Röhre 12
abgeschirmt. Die Konfiguration der Fig. 2.1 hat daher einen
wesentlich geringeren Bedarf an Heizenergie, wodurch bei
niedrigeren Spannungen mit derselben Emission sowie auch mit
niedrigeren Emissionen gearbeitet werden kann (beides im
Vergleich mit der Konfiguration nach Fig. 1).
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Als eine weitere Verbesserung der Konfiguration von Fig. 2.1
ist die Emissionsblende 16 nicht das offene Ende einer Röhre
(Apertur 6 in Fig. 1), sondern befindet sich in einer
Platte 22, welche das Ende der Röhre 12 abdeckt. Diese Platte
kann entweder an die Röhre 12 angeschweißt oder nur mit
dieser in Kontakt gehalten werden. Aufgrund des im Vergleich mit
dem offenen Ende einer Röhre verkleinerten Blendenbereichs
ist der Gasstrom, der zur Aufrechterhaltung des
Betriebsdrucks innerhalb der Kathode erforderlich ist,
(typischerweise in der Größenordnung von 10 Torr oder
1300 Pascal) reduziert.
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Bei der Konfiguration der Fig. 2.1 wird eine
Hochspannungsentladung auch zur Einleitung des Betriebs verwendet. Um die
bei dieser Entladung benötigte Leistung zu senken, wurde
jedoch das in der Fig. gezeigte Heizelement um die Röhre 12
gewickelt, wie es auch bei Fig. 1 der Fall war. In Abhängigkeit
von dem im Normalbetrieb erforderlichen Emissionspegel kann
auch nach dem Start eine Heizleistung erforderlich sein.
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Bei Hohlkathodeneinrichtungen nach dem bisherigen Stand der
Technik gibt es mehrere Nachteile, wie zum Beispiel die in
Verbindung mit Fig. 1 und 2.1 beschriebenen. In allen Fällen
ist der größte Teil der Emission seiner Natur nach
thermionisch, was bedeutet, daß eine heiße Fläche vorhanden sein
muß. Diese heiße Fläche kann thermisch aufgrund einer
Abstrahlung auf temperaturempfindliche Oberflächen unerwünscht
sein.
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Ein häufiger auftretendes Problem ist das Stattfinden
chemischer Reaktionen an den heißen Oberflächen. Es ist zum
Beispiel häufig notwendig, Elektronen in einer Stickstoff- oder
Sauerstoffumgebung zu emittieren (wie zum Beispiel für den
Betrieb einer Breitstrahl-Ionenquelle in diesen Gasen). Die
beim Bau von Hohlkathoden verwendeten feuerfesten Metalle
(typischerweise Tantal und Wolfram) werden jedoch bei
Betriebstemperaturen von Stickstoff und Sauerstoff angegriffen.
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Ein anderes Problem in Zusammenhang mit Vorrichtungen nach
dem bisherigen Stand der Technik hängt mit ausgedehnten
Elektronenquellen zusammen. Es ist manchmal wünschenswert, über
eine ausgedehnte Elektronenquelle zu verfügen, so daß
Elektronen gleichmäßig über eine größere Fläche, wo eine hohe
Stromabweichung im Plasma wünschenswert ist, zugeführt
werden. Mehrere Aperturen oder eine längliche schlitzförmige
Apertur wurden ausprobiert, um eine solche ausgedehnte
Elektronenquelle mit einer einzigen Hohlkathode zu erreichen. Bei
einer solchen ausgedehnten Quelle ist es außerdem notwendig,
über eine ausgedehnte Elektronenemissionsfläche zu verfügen.
Jedoch führt jede Ungleichmäßigkeit der Temperatur einer
ausgedehnten Emissionsfläche zu einer ungleichmäßigen Emission.
Dies führt zu einer Ungleichmäßigkeit des Plasmas in der Nähe
der Oberfläche, insofern, als die Ionen durch Kollisionen
emittierter Elektronen mit neutralen Atomen erzeugt werden.
Die Ungleichmäßigkeit im Plasma führt dann zu einem
ungleichmäßigen Beschuß der Elektronenemissionsfläche, wodurch sich
die Anfangstemperaturdifferenz erhöht. Auf diese Weise bleibt
die Elektronenemission nur auf einen kleinen Teil jeder
ausgedehnten Elektronenemissionsfläche beschränkt.
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Es ist eine Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung, eine
Hohlkathoden-Elektronen-Plasmaquelle zur Verfügung zu
stellen, die bei oder im Bereich der Raumtemperatur arbeiten
kann.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine
Elektronenstrahlvorrichtung zur Verfügung gestellt, die eine
Hohlkathodenstruktur mit einem Außengehäuse aufweist, an dessen einem
Ende eine Wand angeordnet ist, wobei die genannte Wand eine
durch sie hindurchgehende Apertur für die
Elektronenstrahlemission aufweist, eine zweite Wand am gegenüberliegende Ende
des genannten Gehäuses, ein Mittel, mit dem ein ionisierbares
Gas in das genannte Gehäuse hineingeführt wird, wobei das
Gehäuse und die Wände eine Innenkammer festlegen, dadurch
gekennzeichnet, daß mindestens ein Teil der Innenfläche der
genannten Kammer aus einem Material besteht, welches über einen
hohen sekundären Elektronenemissionskoeffizienten bei Beschuß
mit Ionen aus dem genannten Gas verfügt, so daß, wenn der
innere Raum mit einem ionisierten Gasplasma gefüllt wird, von
der genannten Fläche bei Beschuß mit den genannten Ionen
durch sekundäre Emissionseffekte energiereiche Elektronen
emittiert werden, um den ionisierten Zustand des genannten
Gases aufrechtzuerhalten, und energiearme Elektronen, die
durch Kollision zwischen den genannten energiereichen
Elektronen mit den Gasionen freigesetzt werden, durch die Öffnung
emittiert werden.
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Eine solche Hohlkathodeneinrichtung kann das gewünschte
Elektronenplasma durch sekundäre Emission von Elektronen von
einer geeigneten Fläche innerhalb der Hohlkathodenkammer
erzeugen und erfordert nach der anfänglichen Startphase keine
hohen Betriebsspannungen.
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Eine solche Hohlkathodeneinrichtung ist besonders dann
nützlich, wenn erhöhte Betriebstemperaturen, die gewöhnlich bei
thermionischen Hohlkathodeneinrichtungen auftreten, schädlich
wären.
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In einer solchen Hohlkathodeneinrichtung sind verlängerte
Emissionsflächen möglich, weil keine Abhängigkeit von dem
seiner Natur nach ungleichmäßigen thermionischen
Emissionsmechanismus besteht.
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Die Erfindung soll nachfolgend unter Bezugnahme auf die
beiliegenden Zeichnungen näher beschrieben werden; es zeigt
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Fig. 1 einen Querschnitt einer vereinfachten Hohlkathode nach
dem bisherigen Stand der Technik.
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Fig. 2.1 einen Querschnitt einer etwas weiterentwickelten
thermionischen Hohlkathode nach dem bisherigen Stand der
Technik.
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Fig. 2.2 eine Perspektive des Emissionselements, dargestellt
in der Einrichtung der Fig. 2.1.
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Fig. 3 eine Kombination aus Querschnitt und Funktionsschema
einer Hohlkathodeneinrichtung, die gemäß den Lehren der
vorliegenden Erfindung aufgebaut wurde.
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Fig. 4 einen Querschnitt eines alternativen
Ausführungsbeispiels der in der Fig. 3 dargestellten
Hohlkathodeneinrichtung.
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Die vorliegende Erfindung wird am besten anhand der
schematischen Darstellung der Fig. 3 deutlich. An einem Ende eines
Außengehäuses 32 befindet sich eine Wand 34, die eine
Apertur 36 für die Elektronenemission aufweist. Am
gegenüberliegenden Ende des Gehäuses 32 befindet sich eine andere
Wand 38, mit einer Öffnung 40 für den Eintritt eines
ionisierbaren
Gases 42. Das Gehäuse 32 und die Wände 34 und 28
definieren einen Innenraum 44. Im Betrieb wird der Raum 44
mit einem Plasma gefüllt und Elektronen werden durch die
Apertur 36 emittiert und strömen in die allgemeine
Richtung 46.
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Für die Startphase (das heißt, um die erste Entladeformation
bereit zustellen) kann eine externe Hochspannungsentladung
angewendet werden. Alternativ kann ein Teil des Gehäuses
gegenüber dem verbleibenden Teil elektrisch isoliert werden. In
diesem Fall wird die dem Gehäuse 32 gegenüberliegende Wand 38
durch den Isolator 48 isoliert. Die Kontur der Elektrode (in
diesem Fall Wand 38) ist in der Nähe des Isolators so
geformt, daß der Isolator von der Entladung und dem
Ionenbeschuß nicht direkt betroffen ist. Auf diese Weise wird der
Aufbau einer leitenden Beschichtung auf dem Isolator
verhindert.
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Für die Startphase wird dann die Wand 38 in bezug auf das
Gehäuse 32 und die Wand 34 positiv gemacht, typischerweise
durch mehrere hundert Volt. In Fig. 3 ist dies durch die
Spannungsquelle 54 und einen Schalter 56 dargestellt. Die in
der folgenden Entladung gebildeten Ionen treffen auf die
Elektronenemissionsfläche 50 auf, wodurch Elektronen zur
Aufrechterhaltung der Entladung emittiert werden. Der größte
Teil des Raums 44 füllt sich mit einem leitenden Plasma. Die
Elektronenemission aus diesem Plasma durch die Apertur 36
dient zum Aufbau eines elektrischen Kontakts zu einer oder
mehreren externen Anoden (zum Beispiel 58 in der Fig. ). Sind
die Ströme zu diesen Anoden aufgebaut, kann die an die
Wand 38 angelegte Spannung entfernt und der normale Betrieb
fortgesetzt werden, zum Beispiel durch Öffnen des
Schalters 56.
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Für den normalen Betrieb muß zwischen dem Plasma im Raum 44
und der emittierenden Fläche 50 eine Potentialdifferenz in
der Größenordnung von 200 Volt aufgebaut werden. Das
Potential wird von der Spannungsquelle 57, die zwischen der Wand
32 der Hohlkathodenstruktur und der Anode 58 angeschlossen
ist, aufgebaut. Das Plasma im Raum 44 ist dicht, so daß der
größte Teil dieser Potentialdifferenz über einer Plasmahülle
zwischen der Hüllengrenze 52 und der Fläche 50 entsteht. Die
von der Fläche 50 emittierten Elektronen werden senkrecht von
der Fläche abgelenkt und kollidieren im Raum 44 mit neutralen
Atomen oder Molekülen. Aufgrund der Energie dieser Elektronen
ist eine Reihe von Kollisionen erforderlich, um die
Elektronen auf eine Energie von einem bis mehreren eV zu
verlangsamen. Die Form und die Lage der Emissionsfläche 50 wird so
ausgewählt, daß die durch die Hülle beschleunigten Elektronen
nicht durch die Apertur 36 gelenkt werden, sondern vorher
kollidieren müssen. Außerdem werden einige sekundäre
Elektronen von anderen Flächen, zum Beispiel der Wand 38, emittiert.
In diesem Fall ist die Kontur der Innenfläche der Wand 38 so
gestaltet, daß die Anzahl der durch die Apertur 36 gelenkten
emittierten Elektronen minimiert wird.
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Um den effizienten Betrieb der Hohlkathode der Fig. 3
sicherzustellen, sollte die Emission von sekundären Elektronen
durch die Emissionsfläche 50 angereichert werden. Dies
erreicht man durch Verwendung leichter Gasionen und der
richtigen Zusammensetzung der Oberfläche 50, wie in Übersichten
über Sekundär-Emission beschrieben wird.
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Typische Gase für einen effizienten Betrieb sind Wasserstoff,
Helium und Neon. Mischungen dieser Gase mit anderen
reaktionsfreudigen Gasen, wie zum Beispiel N&sub2; oder O&sub2;, können zur
Einleitung bestimmter chemischer Reaktionen, wie zum Beispiel
die Bildung eines Oxids, geeignet sein, um eine Oberfläche
mit einer hohen Ausbeute an sekundären Elektronen aufrecht
zuerhalten.
Oxide und Halide sind typische Verbindungen für die
Emissionsoberfläche. Zu den Oberflächen mit einer hohen
Emission von Sekundär-Elektronen gehören MgO, MgF&sub2;, Al&sub2;O&sub3;, BaO,
SrO, NaCl, ZnS und Kombinationen dieser und anderer Oxide und
Halide. Bei Aluminium- und Magnesiumoxiden wurden keine
Sekundär-Emissionseigenschaften festgestellt, sie kämen jedoch
wahrscheinlich als geeignete Verbindungen in Betracht. Da
solche Verbindungen gewöhnlich Isolatoren sind, ist es
manchmal wünschenswert, sie als gesinterte Mischungen von
reaktionsträgen Leiter-Isolator-Verbindungen zu verwenden.
Alternativ kann die Bildung einer dünnen Oberflächenschicht der
gewünschten Verbindung auf der Innenfläche des Gehäuses 32
durch Fertigen des Gehäuses aus geeignetem Material und durch
die Anwesenheit eines kleinen Anteils des Reaktionsgases
geeignet sein. Zum Beispiel könnte das Gehäuse aus Magnesium
bestehen und eine geringe Menge Sauerstoff könnte anwesend
sein, entweder in dem durch die Öffnung 40 eingeleiteten
Arbeitsgas oder als Rückstrom aus dem umgebenden Raum durch die
Apertur 36.
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Obwohl es durch die Kollisionen der Ionen mit der
Emissionsfläche 50 zu einer Erwärmung kommt, muß diese Fläche, um
einen zufriedenstellenden Betrieb zu erzielen, keine hohe
Temperatur aufweisen. Dementsprechend gilt, daß, wenn
Strahlungsverluste zur Aufrechterhaltung einer niedrigen
Oberflächentemperatur nicht ausreichen, Röhren mit einer im Inneren
fließenden Kühlflüssigkeit an dem Gehäuse 32 angebracht
werden könnten.
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Bei niedrigen Oberflächentemperaturen sind die Reaktionsraten
reaktionsfreudiger Gase reduziert. Da keine hohe Temperatur
erforderlich ist, können die Materialien außerdem im Hinblick
auf ihre Korrosionsbeständigkeit und nicht auf ihr
Temperaturverhalten ausgewählt werden. Daher wäre ein ausgedehnter
Betrieb mit reaktionsfreudigen Gasen möglich.
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Da die thermionische Emission kein bedeutender Faktor ist,
müßten die ausgedehnten Emissionsflächen entweder mit einer
erweiterten Apertur oder mit mehreren Aperturen arbeiten, um
eine ausgedehnte Elektronenquelle zu erzielen. Ein
alternatives Ausführungsbeispiel der vorgeschlagenen Erfindung wird am
besten anhand des Teilschnitts der Fig. 4 deutlich. Hier
sieht man ein Außengehäuse 62. Dieses Außengehäuse legt mit
dem Polstück 64 einen umschlossenen Raum 66 fest. Die durch
Ionenkollisionen mit der Emissionsfläche 68 erzeugten
Elektronen entweichen durch die Apertur 70 in der allgemeinen
Richtung 72.
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Dieses Ausführungsbeispiel der Erfindung ist für den
Niederdruckbetrieb geeignet, so daß das meiste oder das gesamte
neutrale Gas im Raum 66 aus dem Rückstrom des Gases aus dem
umgebenden Raum durch die Apertur 70 herrührt. Mit dem durch
diesen Rückstrom gelieferten Gas ergibt sich im allgemeinen
eine niedrige Dichte. Das innerhalb des Raums 66 erzeugte
Plasma hat daher auch eine niedrige Dichte. Daher ist eine
große Aperturfläche erforderlich, um das Entweichen eines
signifikanten Elektronenstroms zu ermöglichen. Diese große
Aperturfläche würde normalerweise das Entweichen einer großen
Anzahl energiegeladener Elektronen ermöglichen, mit Ausnahme
der magnetischen Feldlinien 74, die durch den Dauermagnet 76
erzeugt werden. Das magnetische Feld konzentriert sich in der
Apertur 70, wenn man das Gehäuse 62 und das Polstück 64 aus
magnetisch permeablem Material herstellt. Die Größe und die
Ausdehnung des magnetischen Feldes wird (nach dem
magnetischen Integral-Ansatz) so ausgewählt, daß energiereiche
Elektronen innerhalb des Raums 66 zurückgehalten werden und nicht
durch die Apertur 70 entweichen. Dieses Zurückhalten hat zur
Folge, daß die entweichenden Elektronen nur eine moderate
Energie aufweisen, und der Anteil mit hoher Energie gering
ist. Durch das Zurückhalten der energiereichen Elektronen
wird auch die Emission der sekundären Elektronen
angereichert, indem die örtliche Erzeugung von Ionen, welche wie
derum die Emissionsfläche 68 beschießen, erhöht wird.
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Der Hauptvorteil der vorliegenden Erfindung liegt in ihrer
Fähigkeit, bei niedriger Temperatur zu arbeiten. Die
besonderen Vorteile dieser Eigenschaft sind: verringerte Abstrahlung
auf temperaturempfindliche Komponenten; verringerte
Sensibilität der Kathode oder der reaktionsfreudigen Gase; und
verbesserte Fähigkeit, räumlich ausgedehnte Elektronenquellen zu
betreiben.
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Die Erfindung nutzt das bereits bekannte, jedoch schwierige
Problem bei solchen elektronenemittierenden Plasmasystemen
durch ausschließlich sekundäre Emission, die normalerweise
unterdrückt wurde. Durch eine richtige Auswahl von leitenden
hochemissiven sekundären Oberflächen wurden funktionsfähige
Hohlkathoden-Einrichtungen mit durch Ionenbeschuß
eingeleiteter sekundärer Elektronenemission mit den oben beschriebenen
Eigenschaften gebaut.