DE862640C

DE862640C - Elektronen-Entladungseinrichtung

Info

Publication number: DE862640C
Application number: DEW905D
Authority: DE
Inventors: John Robinson Pierce
Original assignee: Western Electric Co Inc
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1939-12-02
Filing date: 1940-12-02
Publication date: 1953-01-12
Also published as: NL72884C; DE883938C; US2268197A; US2245581A; BE444006A; US2268196A; GB545835A; US2268194A; US2268195A; NL68166C; FR881705A; FR52414E; GB545689A; US2268165A; BE444002A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Elektronen-Entladungseinrichtungen und insbesondere auf Elektrodensysteme zur Erzeugung eines konzentrierten Elektronenstroms in Elektronenstrahl-Entladungseinrichtungen.

Elektronenstrahl-Entladungseinrichtungen enthalten im wesentlichen eine Elektronenquelle, ζ. Β. eine Kathode, ein Elektronenauffangelement, z.B. einen fluoreszierenden Schirm oder eine oder mehrere

ίο Scheiben, ein Elektrodensystem zur Konzentrierung der Elektronen in einen Strahl von gewünschtem Querschnitt und schließlich Einrichtungen zur Beeinflussung der Stärke und/oder der Richtung des Elektronenstrahls.

Eine genügende und wirksame Arbeitsweise derartiger Einrichtungen erfordert es, daß ein großer Teil der von der Elektronenquelle ausgehenden Elektronen in den Elektronenstrahl konzentriert werden und daß diese Elektronen gleiche Wege durchlaufen, so daß der Strahl eingestellt (focussed), abgelenkt oder auf andere Weise beeinflußt werden kann. Der Aufbau der Elektrodensysteme, welche diese oder andere Ergebnisse mit ziemlicher Genauigkeit bewirken, ist ein äußerst verwickeltes und schwieriges Problem, dem man bisher in der Hauptsache durch Versuche und durch eingeschränkte und nur annähernd genaue theoretische Analyse nahe gekommen ist.

Eine von den größeren Schwierigkeiten, die beim Entwurf von Elektroden für Strahl-Entladungseinrichtungen auftreten, besteht in der Raumladung. Bisher wurde beim Entwurf von Fernsehanlagen die Wirkung

der Raumladung im wesentlichen vernachlässigt oder als nebensächlich betrachtet. Für die Praxis mag diese Annahme genügend genau sein in Zonen*¹ mit hoher Spannung und kleinen Raumladungsfeldern. Indessen spielt in vitlen Fällen, Z. B. in einer Elektronen-Emissionsvorrichtung für Eltktronenstrahl-Entladungseinrichtungtn, in der Zone der Elektronenquelle, z. B. einer Kathode, die Raumladung eine größere Rolle. Keine Femsehanlage, die hierbei auf ίο einer Analyse aufgebaut ist, welche die Raumladung vernachlässigt oder sie nebensächlich hält, kann die besten Ergebnisse zeitigen, und die erzielten Ergebnisse können beträchtlich von den vorbestimmten und auf Grund der Berechnungen erwarteten abwd.ch.en.

Der hauptsächliche Gegenstand der Erfindung besteht in dem Aufbau von Elektronen-Emissionseinrichtungen mit vorbestimmten Charakteristiken. Insbesondere handelt es sich um folgende Gegenao stände: Die Anordnung von Elektronen-Emissionseinrichtungen zu berechenbarem Arbeiten zu befähigen; eine gleichförmige Dichte des Kathodenstroms in den Elektronenstrahl-Entladungseinrichtungen zu erhalten· einen hohen Wirkungsgrad in den Elektronen-Emissionseinrichtungen zu erreichen und den Aufbau der Elektronen-Emissionseinrichtungen sowohl vom mechanischen als auch vom elektrischen Standpunkt aus zu vereinfachen.

In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung besitzt eine Elektronenstrahl-Entladungseinrichtung eine Kathode, ein Elektronen-Auffangelement, z. B. eine Ausgangselektrode, und ein Elektrodensystem zwischen der Kathode und Anode zur Konzentrierung der von der Kathode ausgehenden Elektronen in einen Strahl von bestimmtem Aussehen und Querschnitt.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung enthält das Elektrodensystem Elektroden mit Oberflächen der Form, daß durch das gesamte System und bei vollständiger Raumladung das Feld senkrecht zu der Normalen auf der Emissionsfläche der Kathode gleich Null ist.

Gemäß einer weiteren besonderen Ausbildung der Erfindung enthält das Elektrodensystem ein Paar offene Elektroden, die in Richtung mit der Emissionsfläche der Kathode liegen, wobei benachbarte Flächen dieser Elektroden so ausgebildet und angeordnet sind, daß bei vollständiger Raumladung die Spannung an irgendeiner Normalen zu der Emissionsfläche mit dem Abstand von der Kathodenfläche im wesentlichen in vorbestimmter Art variiert, und zwar über einen wesentlichen Teil des Abstandes zwischen der Kathode und der am weitesten entfernten Elektrode. Beispielsweise kann diese Spannung sich im wesentlichen so ändern, wie die Spannung zwischen unendlichen parallelen Ebenen oder zwischen zwei konzentrischen Zylinderflächen, von denen jeweils eine die Kathode darstellt.

In den Zeichnungen ist die Erfindung beispielsweise veranschaulicht. Es bedeutet

Fig. ι eine perspektivische Darstellung einer Elektronenstrahl-Entladungsemrichtung gemäß einer Ausführung nach der Erfindung, wobei ein Teil des Mantels herausgebrochen ist, um den Elektrodenaufbau deutlicher zu zeigen, g₅

Fig. 2 eine vergrößerte Teilansicht der Kathode im Schnitt und die den Strahl formenden, mit ihr zusammwnwirktnden Elektroden der Einrichtung der Fig. i,

Fig. 3 eine graphische Darstellung einer zweckmäßigen Spannungsverteilung für die Erzeugung eines konvergierenden Elektronenstrahls,

Fig. 4 ein Diagramm der Gestaltung der zusammenwirkenden Flächen der den Strahl formenden Elektroden zur Erzeugung eines konvergierenden Elektronenstrahls,

Fig. 5 im Schnitt eine vergrößerte Teilansicht einer Abart des Elektrodensystems nach Fig. 2 zur Erzeugung eines Strahls, in welchem die Elektronen parallele Wege durchlaufen,

Fig. 6 ein Diagramm der Gestaltung der Elektroden in dem System der Fig. 5,

Fig. 7 im Schnitt eine vergrößerte Teilansicht einer anderen Abart des Elektrodensystems der Fig. 2 zur Erzeugung eines divergierenden Elektronenstroms,

Fig. 8 ein Diagramm der Gestaltung der Elektroden in dem System der Fig. 7 und

Fig. 9 eine Teilansicht einer anderen Ausführungsform gemäß der Erfindung hauptsächlich im Schnitt.

Die in Fig. 1 dargestellte Elektronen-Entladungseinrichtung besitzt einen evakuierten Mantel 10 mit einem einwärts ragenden Stiel 11 an einem Ende, der einen Einheitselektrodensatz trägt und in einen zusammengepreßten Teil 12 ausläuft, in welchem die Zuführungen für die verschiedenen Elektroden befestigt sind.

Der Elektrodensatz enthält ein Paar parallele Isolierungsständer oder -rahmen 13 beispielsweise aus U-förmigtn Glimmerplatten, die an starren Drähten oder Trägern 14 mit Hilfe von U-förmigen Haltestreifen 15 befestigt sind; die Träger 14 wiederum sind an einem Metallband 16 angebracht, das um den Stiel 11 herumgreift. Durch und zwischen den Isolierungsständern 13, in axialer Richtung gehalten, befinden sich eine Kathode, eine Modulationselektrode 17, eine Anode 18, ein Paar Ablenkungsplatten 19,20 und eine Scheibe bzw. Ausgangselektrode ai.

Wie aus Fig. 2 deutlich ersichtlich, kann die Kathode indirekt geheizt und äquipotentiell sein und eine Metallhülse 22 mit einem schalenförmig oder kreisförmig gebogenen Teil 23 besitzen, der mit einem thermionischen Material überzogen ist. In der Hülse 22 befindet sich der Heizfaden 24. Die Kathodenhülse 22 ist in öffnungen der Isolierungsständer 14 angebracht, und Kathode und Heizfaden sind an die Zuführungen mit Hilfe der Drähte 25 angeschlossen.

Die Modulationselektrode 17 kann aus einem Metallblock, beispielsweise aus Kupfer, bestehen, der an einem Paar U-förmiger Metallbänder 26 durch Schrauben 27 befestigt ist. Die Querträger der Bänder 26 sind an den Isolierungsständern 13 angebracht. Wie die Fig. 2 deutlich zeigt, ist die Modulationselektrode 17 mit einem Kanal oder einer Vertiefung 28 versehen, in welcher die Kathode gelagert ist; sie besitzt außerdem eine Fläche 29 in

Achsrichtung mit der Fläche 23 der Kathode von noch zu beschreibender Gestalt. Die Modulationselektrode kann ebenfalls an dem U-förmigen Haltestreifen 15 befestigt sein, und es kann durch den Draht 30, der an eine Zuführung in dem flachgedrückten Teil 12 und an einen Ständer 14 angeschlossen ist, eine elektrische Verbindung mit ihr hergestellt sein.
Die Anode 18 besteht gleichermaßen aus einem Metallblock, beispielsweise aus Kupfer, der von zwei U-förmigen Streifen 31 durch die Schrauben 32 gehalten wird. Die Streifen 31 sind an den Isolierungsständern 13 befestigt, wobei einer von den Streifen 31 durch den Draht 33 mit einer Zuführung in dem flachgedrückten Teil 12 verbunden ist.

Wie es die Fig. 2 deutlich zeigt, besitzt die Anode 18 einen Kanal oder eine -Vertiefung 34 und ist mit einem Teil 35 versehen, der sich in den der Fläche 29 angepaßten Kanal erstreckt und in Achsrichtung mit ihr liegt. Der Teil 35 weist eine Fläche 36 von noch zu beschreibender Gestalt auf und ist mit einer konischen Öffnung 37 parallel zur Fläche 23 der Kathode versehen.

Die Ablenkungsplatten 19, 20 sind durch Metalles platten, beispielsweise aus Nickel, gebildet, die von U-förmigen Streifen 38 an den Ständern 13 gehalten sind. Sie befinden sich an entgegengesetzten Seiten und in gleichmäßigem Abstand von einer Ebene, die durch die öffnung 37 und die Kathodenfläche 23 geht. Es sind geeignete Spannungen an die Ablenkungsplatten 19, 20 durch die an den Streifen 38 befestigten Drähte 39 herangeführt. Wie in Fig. 1 gezeigt, ist eine der Ablenkungsplatten 20 mit einem Flansch oder Rand 40 versehen, der sich gegen die Ebene der anderen Ablenkungsplatte 20 erstreckt und kurz vor ihr endet.

Die Scheiben- oder Ausgangselektrode 21 ist durch eine Metallplatte gebildet, die in Richtung mit der Öffnung 37 und der Kathodenfläche 23 liegt und durch einen U-förmigen Metallstreifen 41 getragen wird, der über die Bänder 42 an den Ständern 13 befestigt ist. Die Zuleitung zu der Scheibe wird durch den Leiter 43 bewerkstelligt.

Während des Betriebes der Einrichtung werden die von der Kathodenfläche 23 ausgehenden Elektronen in einen Strahl konzentriert und in Richtung auf die Scheiben- oder Ausgangselektrode 21 beschleunigt. Der Strahl kann durch Spannungen, die den Ablenkungsplatten aufgedrückt werden, abgelenkt werden, und zwar in einem solchen Maße, daß er auf den Flansch oder Rand 40 auftrifft, so daß der Strom zu der Scheibe 21 abgeschaltet wird. Die Stärke des Stromes kann durch die Anwendung einer Modulationsspannung an der Elektrode 17 beeinflußt werden.

Der Wirkungsgrad und die Betriebscharakteristiken der Einrichtung sind abhängig von dem Anteil der von der Kathodenfläche 23 ausgehenden Elektronen, welche den Strahl formen, und von der Art der Bahnen, die von den einzelnen Elektronen durchlaufen werden. Eine ausreichende und wirksame Betriebsweise erfordert es, daß ein großer Anteil der von der Fläche 23 ausgestrahlten Elektronen in den Elektronenstrahl eingehen und daß diese Elektronen geradlinigen Bahnen folgen, die parallel verlaufen oder zu einem gemeinsamen Brennpunkt konvergieren bzw. von ihm divergieren. Diese Faktoren sind naturgemäß in weitem Maße abhängig von der Art der Felder, welche die Elektronen durchlaufen; die genaue Bestimmung dieser Felder ist infolge der Raumladungswirkung verwickelt, wie bereits oben hervorgehoben wurde.

Aus der folgenden Beschreibung wird die Anordnung von Elektroden für eine Elektronen-Emissionseinrichtung zur Erzeugung von Feldern der Art klar, die notwendig ist, um eine gleichmäßige Kathodenstromdichte und eine geradlinige Elektronenwanderung zu erreichen, wofür ein großer Teil des Kathodenstroms ausgenutzt und ein starker Elektronenstrahl gemäß der Erfindung hervorgerufen wird.

Im wesentlichen wird bei dem angewendeten Verfahren angenommen, daß die Elektronen sich in einem Strahl nach bekannten Lösungen der Raumladungsgleichung bewegen. Außerhalb des Strahls sind Elektroden von solcher Gestalt vorgesehen, daß die Grenzzustände mit der angenommenen Elektronenbewegung übereinstimmen.

Als besonderes Beispiel sei der Fall eines zweidimensionalen Strahls konstanter Stärke betrachtet, d. h. also ein Strahl, der sich aus Elektronen zusammensetzt, die parallele, geradlinige Bahnen durchkufen. Es wird hierbei angenommen, daß die Elektronen eine Anfangsgeschwindigkeit gleich Null haben, daß das von der Kathode ausgehende Feld (off cathode field) gleich Null ist und daß das Feld senkrecht zu der Richtung der Elektronenbewcgung überall in dem Strahl ebenfalls gleich Null ist.

Die Spannung an irgendeinem Punkt in dem Strahl ist dann nach dem Gesetz von Child durch die Beziehung gegeben

φ — Ax^, (ι)

worin φ die Spannung in Volt, χ der Abstand von der Kathode in Zentimeter und

A =

2,33

2/3

wobei / die Stromdichte in Amp./cm² bedeutet.

Wenn also die Elektronenbewegung und die Spannungsverteilung in dem Strahl bekannt sind, so no besteht die Aufgabe darin, zu bestimmen, wie das Feld außerhalb des Strahls beschaffen sein muß, damit sich die Elektronen in der gewünschten Weise in dem Strahl bewegen. In einer schmalen Zone an der Grenze des Strahls bei einem Abstand χ von der Kathode sei ein Punkt an der Innenseite des Strahls bei einer Spannung ψ betrachtet. Wie sich aus den

vorangegangenen Ausführungen ergibt, wird ~- und -—^ gleich Null durch den gesamten Strahl,

so daß an dem betrachteten Punkt gemäß der Gleichung von Poisson

=e, (2) »5

dx*

wobei Q die Ladungsdichte an der Innenseite des Strahls bei einem Abstand χ von der Kathode und P₀ die Dielektrizitätskonstante des freien Raumes darstellt.

An einem benachbarten Punkt an der Außenseite des Strahls ist die Spannung φ', und ihre Ableitungen

sind

3 φ'

und

Damit an der Strahl-

dy ' 9y² """*. dxgrenze keine Dipölschicht vorhanden ist, muß ψ'= φ ίο sein, und damit an der Strahlgrenze keine Oberflächen-

dq/ __ 3_φ

ladung auftritt, muß

= ο sein. Es

dy By

müssen also Spannung und Feld beim Durchgang durch die Strahlgrenze kontinuierlich sein. In dem Punkt außerhalb des Strahls ist

8V 3V _₀

J^ ⁺ T*~

(3)

Da, wie oben ausgeführt, für einen Wert von χ die Spannung gerade außerhalb des Strahls die gleiche ist wie die Spannung gerade innerhalb des Strahls, so wird

8 x² dy²

θ λ;²

und

8 χ²

(4)

Mithin ist die zweite Ableitung der Spannung an der Strahlgrenze ungleichförmig, wobei sich die Änderung nach einem Wert richtet, der zu der Ungleichförmigkeit in der Ladungsdichte beim Durchgang durch die Grenze proportional ist.

Das Wesen des Feldes außerhalb des Strahls wird durch die Tatsache bestimmt, daß die Spannung außerhalb des Strahls der Spannung des Strahls gleichkommt und einen Nullgradienten senkrecht zur Strahlgrenze haben muß.

Die Bestimmung eines Feldes, das mit der angenommenen Bewegung der Elektronen in dem Strahl übereinstimmt, schrumpft mithin auf die Bestimmung eines Feldes zusammen, das der Gleichung von L a ρ 1 a c e genügt, für welches die Spannung längs der Λτ-Achse in einer vorgeschriebenen Weise variiert, wobei gemäß

f) α;

der reellen Funktion von x, für welche -^ an der

d χ

Strahlgrenze gleich Null ist, y — ο wird. Es ist bekannt, daß die Gleichung von Laplace durch die Spannung gemäß der Beziehung

w —

= f(x-\-iy)

(5)

erfüllt wird, wobei μ reell ist, i = ]/^ϊ, χ und y die rechtwinkligen Koordinaten und φ die Spannung bedeutet. Für diese Beziehung ist bei y = 0 die Spannung an der Strahlgrenze f (x), und bei y — 0

-~- der reelle Bestandteil von

dy ■...-■

—— . Nun ist dy

so daß bei y = 0 die Ableitung

dw Ty~

(6) imaginär und

gleich Null wird.

Längs der Strahlgrenze wird bei y = O für den betrachteten Fall

und die Spannung außerhalb des Strahls wird

φ = A (χ -\- i y)⁴'³ reell. (8)

In Polarkoordinaten kann die Spannung folgendermaßen ausgedrückt werden:

φ = A r ⁴'^s · cos 4/3 Θ. (9)

Die verwendeten Elektroden sollen dann so be- '' schaffen sein, daß die Spannungsverteilungen der Gleichung 9 genügen. Es können verschiedene Kombinationen von Elektroden verwendet werden. Für die Praxis ist naturgemäß die Kombination mit der geringsten Anzahl von Elektroden vorzuziehen. Zur Bestimmung des Feldes genügen nämlich zwei Elektroden, und zwar eine Elektrode mit Kathodenspannung und eine Elektrode mit einer hierzu positiven Spannung.

Bei Kathoden- oder NuUsparinung ergibt sich aus der Gleichung 9

cos4/3 Θ = ο und Θ = 67,5°.

Es würde also die Nullspannungselektrode eben sein und auf den Rand der Kathode unter einem Winkel von 67,5° zu der Senkrechten auf der Kathodenfläche treffen. ·

Die Spannung an der positiven Elektrode würde

so beschaffen sein, daß φ = ADV³ oder

= ι

ist, wo D den Abstand zwischen der Kathode und der positiven Elektrode darstellt. Die Form der Anode für alle Abstände ist dann durch die Beziehung gegeben

~ = (cos*/₃(

y-3/4

(10)

wo r und Θ Polarkoordinaten und D der Abstand zwischen der Kathode und einem Punkt der Oberfläche der positiven Elektrode bedeuten.

Ein Ausführungsbeispiel des zur Betrachtung stehenden Falles ist in Fig. 5 dargestellt, und die Form der Oberflächen der beiden feldbestimmenden Elektroden zeigt die Fig. 6. In Fig. 5 besitzt die Elektronen-Emissionseinrichtung eine Kathode 22° mit einer ebenen rechtwinkligen Emissionsfläche 23", einer Elektrode 17" mit ebenen Teilen 29°, die einen Winkel 67,5° mit der Normalen zur Fläche 23° bilden, und eine positive Elektrode oder Anode i8° mit einem Mittelschlitz 37° in gleicher Richtung mit der Kathodenfläche 23⁰ und der durch die Gleichung 10 bestimmten Fläche 36⁰. Die Gestalt der Flächen 29⁰ und 36" läßt sich leicht dadurch erhalten, daß man die Gleichung 10 in rechtwinkligen Koordinaten gemäß der Fig. 6 darstellt, wobei die Kurve χ der Gestalt der Fläche 29° und die Kurve y der Gestalt der Fläche 36⁰ entspricht. Wie in Fig. 5 gezeigt, kann die Kathode ebene Ansätze 44 besitzen, die sich unter dem gleichen Winkel wie die Flächen 29⁰ und in der gleichen Ebene mit diesen Flächen erstrecken.

Der Schlitz bzw. die öffnung 37" hat naturgemäß einen Einfluß auf die Gestalt und die Richtung des von hier ausgehenden Strahls. Wenn der Abstand zwischen der Kathode 22° und der Anode i8° verschiedene Male so groß wie die Schlitzweite ist, so kann angenommen werden, daß der Schlitz einfach wie eine divergierende Linse wirkt; der Strahl wird dann offenbar, wie es durch die gestrichelten Linien A in Fig. 5 angedeutet ist, von einem Punkt P um eine Entfernung divergieren, die im wesentlichen der I¹Z₂ fachen Entfernung zwischen Kathode und Anode entspricht. Diese divergierende Wirkung des Schlitzes kann durch Anordnung eines nicht dargestellten Gitters über dem Schlitz beseitigt werden.

Elektroden zur Erzeugung einer geradlinigen Bewegung der Elektronen in konvergierenden Bahnen können nach dem für den oben geschilderten Fall erläuterten Verfahren ausgebildet werden. In Fig. 3 bedeutet die Kurve M eine Aufzeichnung φ /Ar₀ ⁴!³

nach dem Abstand von der Kathode — für konzen-

n»

irische Zylinderelektroden mit einer Außenkathode, wobei r₀ den Radius der Emissionsfläche der Kathode und χ den Abstand von ihrem Krümmungsmittelpunkt darstellt. N ist eine Aufzeichnung von (—1 °.

Wie oben ausgeführt,, muß die Spannung an der Kathodenoberfläche sich nach der Gleichung 7 ändern, so daß

(n)

wird.

Es kann bewiesen werden, daß sich die Kurve M sehr stark der Beziehung nähert

die, wie ersichtlich, eine sehr starke Annäherung an die Spannung für den Bereich — = 0 bzw. —

= 0,75, oder — = ι bis —- = 0,25 darstellt. Sie nähert sich dem wahren Wert für kleine Werte von

—. Für die Praxis kann die Gleichung 12 als Dar-

stellung der Grenzspannung des Strahls angesehen werden, wenn der Radius der Anodenoberfläche größer als ^x/₄ des Radius der Emissionsfläche der Kathode ist.

Geht man von der Gleichung 12 aus, so kann die

Gestalt der Oberflächen der Elektroden für den Fall der Konvergierung berechnet werden. Die Darstellung dieser Oberflächen in rechtwinkligen Koordinaten ist

für verschiedene Werte von

A r_a

in Fig. 4 gezeigt. Insbesondere wird für Kurve Z der Ausdruck = °· ^für KUrVeZ₁ gleich 0,559, ^für KurveZ₂ gleich i,o und für Kurve Z₃ gleich 1,31. Die Kurve Z bildet mit der Linie -—, welche der Normalen zu der Kathodenoberfläche entspricht, einen Winkel von 67,5°, wie in dem Fall für parallele Bahnen oben erläutert ist.

Beim Entwurf einer betriebsfähigen Elektronen-Emissionseinrichtung, von welcher eine Ausführungs- form in Fig. 2 veranschaulicht ist, wird die Elektrode 17 derart ausgebildet, daß die Oberfläche 29 mit der Kurve Z der Fig. 4 übereinstimmt und mit der kreisförmigen Bogenfläche 23 versehen, während die Elektrode 18 nach einer der Kurven Z₁, Z₂ oder Z₃ geformt ist. Welche von diesen oder ähnlichen Kurven in dem besonderen Fall als Grundlage für die Formung der Oberfläche 36 verwendet wird, hängt von den gewünschten Ergebnissen ab. Die Ergebnisse, welche mit Oberflächen entsprechend den verschiedenen Kurven erreicht werden können, sind aus folgenden Betrachtungen zu entnehmen: Zwischen der Kathodenoberfläche 23 und der Elektrode 35 konvergiert der Strahl längs den Radien der Oberfläche 23 zu einem Mittelpunkt r₀. Bei einem Abstand χ von der Kathode befindet sich der Strahl in einem Abstand r (r — r₀ — x) von dem Mittelpunkt. Wenn W₀ die Weite des Strahls an der Kathode darstellt, so wird die Weite des

Strahls W_x bei dem Abstand χ W₀- = W₀ ^^

Wenn daher die Kurve Z₃ als Grundlage für die Oberfläche 36 genommen wird, so ist der Strahl an der Elektrode 35 ¹/₄mal soweit wie an der Kathode. Bei einer Oberfläche gemäß der Kurve Z₁ ist der Strahl an der Elektrode 35 ¹J₂TaSd soweit wie an der Kathode.

Die Öffnung 37 wirkt naturgemäß wie eine divergierende Linse, deren Brennweite f nach der Beziehung

ι + i,e

r)"

¹ +⁴'⁰⁷ Uv j

(13)

bestimmt werden kann, worin D den Abstand zwischen der Kathode und der Anode, gemessen vom Mittelpunkt der Oberfläche 23, zu dem dieser Fläche zunächst liegenden Ende der Öffnung 37 bedeutet.

Es kann bewiesen werden, daß, wenn die Öffnung 37 im Vergleich mit dem Kathoden-Anoden-Abstand

klein ist, in Fällen, wo — größer als etwa ^x\i ist, der von dem Schlitz oder der Öffnung 37 ausgehende Strahl divergiert, und wenn — gleich ¹J₂ ist, im wesentlichen parallel verläuft. Der Kreuzungspunkt P₁ für einen divergierenden Strahl bei einer besonderen Aus-

führungsform, bei welcher — = ¹Z₄, ist in Fig. 2

dargestellt.

Ein anderer interessanter Fall ist jener, bei welchem die Elektronen geradlinig divergierende Bahnen durchlaufen, wie dies durch die Elektronen-Emissionseinrichtung in Fig. 7 veranschaulicht ist. Zur Bestimmung der Gestalt der Oberflächen 29* und 36* geht man auf dieselbe Weise vor, wie es bei den beiden erläuterten Fällen beschrieben ist. In Fig. 8

bedeutet die Kurve R eine Darstellung von

nach — und die Kurve S eine Darstellung von —) . Aus diesen Kurven ergibt sich, daß über

den gesamten Bereich von — = ο bis —,= 2,

oder von — = ι bis — =3 eine gerade Linie durch

den Nullpunkt eine sehr starke Annäherung der Kurven ergibt, welche für die meisten praktischen Zwecke ausreicht.

Wie in Fig. 7 gezeigt, sind also die Oberflächen 29^ und 36⁶ eben und im wesentlichen parallel, wobei die Fläche 2g⁶ mit der Normalen zu der Kathodenfläche 23⁶ einen Winkel von 67,5° bildet.

Wegen der divergierenden Wirkung des Schlitzes bzw. der Öffnung 37* divergiert der Elektronenstrahl offenbar von einem Punkt P_ä gemäß Fig. 7, welcher sich auf gleicher Höhe oder hinter der Anode entsprechend dem Wert von — befindet.

Es sei hervorgehoben, daß in allen Fällen, wo die Elektrode 17 nicht zur Modulation benutzt wird, die Oberfläche 29 vorzugsweise einen wesentlichen Bestandteil der "Methode bildet, wobei naturgemäß nur ein Teil 23 des Gefiiges Emissionsvermögen besitzt. Wenn die Elektrode 17 zur Modulation benutzt wird, so ist der Abstand zwischen der Grenze der Fläche 23 und dem Innenrand der Fläche 29 so klein wie praktisch möglich, um die Divergenz der von der Fläche 23 ausgehenden Elektronen zu verringern.

Bei der Modulation wird in einer gemäß den vorstehenden Ausführungen entworfenen Elektronen-Emissionseinrichtung der Strahl auf den Schlitz bzw. die öffnung 37 gerichtet, wenn die Elektrode 17 auf NullpotentiaPist, und für dieses Potential stellt der Strom durch den Schlitz ein Maximum dar. Ist die Elektrode 17, bezogen auf die Kathode negativ, so wird der Kathodenstrom und die Einstellung des Strahls herabgesetzt, so daß der Strom durch den Schlitz bzw. die öffnung 37 durch zwei Faktoren verkleinert wird.

Wenn die Elektrode 17 zur Modulation verwendet wird, so ist vorzugsweise die Spannung dieser Elektrode für den Maximalstrom Null. Es sollte daher die Elektrode eine Vorspannung von hinreichender negativer Größe bezüglich der Kathode besitzen, so daß bei größter Zeichenstärke (peak signal intensity) das Potential der Elektrode gerade Null ist.

Es sei auch hervorgehoben, daß in allen Fällen die Stromdichte des Elektronenstrahls ziemlich genau bestimmt werden kann. Für Einrichtungen zur Emission eines konvergierenden Strahls wird die Stromdichte aus den Kurven der Fig. 8 bzw. 10 erhalten, oder sie kann aus folgendem angenäherten Ausdruck für die Spannung errechnet werden:

2,33 X

2] 3/2

(14)

Die wirkliche Stromdichte kann von dem errechneten Wert etwas verschieden sein, entsprechend der Abweichung von der genauen Richtung der Elektroden, die in ausgeführten Elektronen-Emissionseinrichtungen auftreten. Wenn indessen bei der Herstellung der Einrichtung mit Sorgfalt vorgegangen ist, so wird sich diese Verschiedenheit für praktische Zwecke wohl innerhalb der zulässigen Grenzen halten. ■;_: Es sei ferner erwähnt, daß in Elektronen-Emissionseinrichtungen gemäß der Erfindung die Stromdichte im wesentlichen über die gesamte Emissionsfläche der Kathode gleichförmig ist, so daß die gesamte Kathodenfläche an der zulässigen Grenze der Stromdichte arbeiten kann. Außerdem werden in derartigen Einrichtungen die von den Randteilen der Kathodenfläche ausgehenden Elektronen aufgehalten und bilden insofern einen Teil des Elektronenstroms, als die Elektrode 17 diese Elektronen, die an ungenügender Raumladungsdivergenz leiden, am Verlassen der Oberfläche hindert. Es wird bemerkt, daß diese Eigen- schäften gemäß der Erfindung in Elektronen-Emissionseinrichtungen verwertet werden können, in denen die Elektronenbewegung anders als geradlinig vor sich geht.

Obwohl die Erfindung ausführlich insbesondere für Vorrichtungen beschrieben worden ist, in welchen zwei Elektroden, nämlich eine mit Nullpotential und eine zweite mit positivem Potential, verwendet werden, um Felder von gewünschter Gestalt und Stärke hervorzurufen, so kann sie auch in solchen Vorrichtungen ausgeübt werden, in denen eine Elektrode mit negativem Potential, bezogen auf die Kathode, an Stelle der Elektrode mit Nullpotential verwendet wird. Eine derartige Bauart ist in Fig. 9 veranschaulicht, worin die Oberfläche 36 die gleiche Form wie gs in Fig. 2 besitzt und die Oberfläche 290 der Modulationselektrode 170 einer Äquipotentialgrenze des gleichen Feldes, welchem die Oberfläche 36 entspricht, angepaßt ist und die Richtungsachse der Elektroden in einem Punkt hinter der Kathodenfläche 23 schneidet, d. h. also links von der Fläche 23 in Fig. 9. In Fällen, wo eine negative Elektrode dieser Art Anwendung fand, wurde festgestellt, daß die Seite 90 der Kathode zweckmäßig einen Winkel von 77,5° *nit den Kanten der Kathodenfläche 23 für divergierende und konvergierende parallele Strahlen bildet.

Wenn besondere Ausführungsformen der Erfindung veranschaulicht und beschrieben sind, so soll schließlich doch betont werden, daß es sich nur um Ausführungsbeispiele handelt und daß verschiedene Ab- Wandlungen möglich sind, ohne daß der Rahmen und das Wesen der Erfindung verlassen werden.

Claims

PATENTANSPRÜCHE:

i. ■ Elektronen-Entladungseinrichtung mit einer Elektronen-Emissionsfläche, einem von dieser Fläche getrennten Elektronen-Empfangselement und mit Mitteln zur Konzentrierung der von der Fläche ausgehenden Elektronen in einen Strahl, dadurch gekennzeichnet, daß die Konzentrierung durch ein Paar Elektroden hervorgerufen wird, die in Richtung mit der Kathode liegen und gegenüberstehende, mit Mittelbohrungen versehene, schalenförmige Flächen von solcher Ausbildung

und in einem solchen Abstand besitzen, daß an allen Punkten in dem Strahl und zwischen den Elektroden die Komponente des elektrischen Feldes, die zu einer Normalen der Kathodenoberfläche senkrecht steht, im wesentlichen Null ist.
2. Elektronen-Emissionseinrichtung für eine Entladungseinrichtung nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die schalenförmigen Flächen ein Feld zwischen der Kathode und der am weitesten entfernten Elektrode erzeugen und daß das Potential in jedem Punkt gleich A%^il3 ist, wobei

( j \ 2/3
■A = ;—Zo^-I ,jdieStromdichteitiAmp./cm²

und χ der Abstand von der Kathode in Zentimeter.
3. Einrichtung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine Elektrode mit einer unmittelbar von der Kathode ausgehenden schalenförmigen Oberfläche, deren Teile mit der Normalen zur Emissionsfläche der Kathode einen Winkel von etwa

so 67)5° bilden, und ferner gekennzeichnet durch eine von dieser Elektrode getrennte und mit ihr in Richtung liegende Anode mit schalenförniiger Oberfläche, die der Elektrodenfläche gegenüberliegt und der Beziehung -^- = (cos⁴/₃ <9)~³/⁴ entspricht, worin D den Abstand zwischen Kathode und Anode und /und Θ Polarkoordinaten bedeuten.
4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Emissionsfläche der Kathode im wesentlichen eben ist und daß die Kathode einen ergänzenden Ansatz aufweist, der von dem Rand der Emissionsfläche unter einem Winkel von etwa 67,5° ausgeht.
5. Einrichtung nach Anspruch 1 bis 4, gekennzeichnet durch eine Kathode mit gekrümmter Emissionsfläche und durch ein Paar Elektroden, welche Mittelbohrungen, die miteinander und mit der Kathode in Richtung liegen, und entgegengesetzte schalenförmige Flächen besitzen, wobei die Fläche der einen Elektrode unmittelbar von der Emissionsfläche der Kathode ausgeht und beide schalenförmigen Flächen mit den Äquipotentialgrenzen eines Feldes übereinstimmen, das einem gemäß der Beziehung

A:

veränderlichen Potential entspricht, worin φ das Potential, r₀ den Krümmungsradius der Emissionsfläche, χ den Abstand von dieser Fläche, / die

Stromdichte darstellt und A = f -—-—^]

ist.
6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß alle Teile der Elektrodenflächen unter einem Winkel von etwa 67,5° zur Achse der Richtung der Flächen und der Kathode geneigt sind.
7. Einrichtung nach Anspruch 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß die konkave Emissionsfläche und die Mittelöffnungen der Elektroden länglich ausgebildet sind und in Richtung miteinander liegen.
8. Einrichtung nach Anspruch 1 bis 7, gekennzeichnet durch ein Paar Elektroden mit entgegengesetzten Flächen, die den Äquipotentialgrenzen eines Feldes entsprechen, das der Gleichung von Laplace zwischen diesen Flächen genügt, wobei

-~- = 0 über eine Grenze normal zur Emissions-

'fläche an deren Rändern und in dieser Grenze φ = f (x), wenn φ das Potential, y der senkrechte Abstand von der Grenze, χ der Abstand von der Emissionsfläche und f (x) eine bekannte Lösung der Raumladungsgleichung für geradlinige Bewegung der Elektronen ist.
9. Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Emissionsfläche eben ist und f (x) eine bekannte Lösung der Raumladungsgleichung zwischen parallelen Ebenen darstellt.
10. Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Emissionsfläche bogenförmig ausgebildet ist und f (x) eine bekannte Lösung der Raumladungsgleichung zwischen konzentrischen Zylindern darstellt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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