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Anordnung zur Eingrenzung der Flugbahn von Ladungsträgern auf einen
vorgeschriebenen Sollbahnbereich In der Entladungstechnik tritt die Aufgabe auf,
bewegte Ladungsträger zu führen, d. h. ihnen. eine bestimmte Bahn (Sollbahn) vorzuschreiben.
Dabei kommt es meist nicht auf die exakte Innehaltung einer ganz bestimmten Bahn.,
sondern nur darauf an, daß die Ladungsträger einen: bestimmten Bereich (Sollbahnbereich)
nicht verlassen. Die Aufgabe, Ladungsträger in einem vorgegebenen Sollbahnbereich
zu halten, tritt beispielsweise bei Anordnungen auf, bei denen mit Hilfe einer durch
Änderung eines magnetischen Feldes erzeugten Umlaufspannung oder unter Anwendung
hochfrequenter elektrischer Wechselfelder Ladungsträger auf sehr hohe Geschwindigkeiten
gebracht werden. Bei derartigen Geräten, bei welchen die zu beschleunigenden Ladungsträger
einen gekrümmten ringförmigen Sollbahnbereich mehrfach durcheilen, ist es bekannt,
magnetische Führungsfelder anzuordnen, die den Sollbahnbereich durchsetzen. Dabei
ist es zweckmäßig, ein Führungsfeld mit gekrümmten Kraftlinien zu verwenden, deren
konkave Seite dem Krümmungsmittelpunkt der Teilchenbahn zugewandt ist, damit die
gewünschte stabilisierende Wirkung, durch die die Ladungsträger im
Sollbahnbereich
gehalten werden, auch gegenüber axialen Abweichungen auftritt. Man weiß auch, daß
bei den bekannten Einrichtungen die Feldstärke mit zunehmender Geschwindigkeit der
Ladungsträger ansteigen muß, -wenn die Bahnen der Ladungsträger ihren Krümmungsradius
nicht wesentlich ändern sollen. Das bedeutet, daß die führende Wirkung des Magnetfeldes
nur für massengleiche Ladungsträger annähernd gleicher Geschwindigkeit in gleichem
Maße auftritt.
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Die vorliegende Erfindung betrifft ebenfalls eine Anordnung, die dazu
dient, bewegte Ladungsträger innerhalb eines vorgeschriebenen Sollbahnbereiches
zu halten. Sie unterscheidet sich von den bekannten Mitteln dadurch, daß die führende
Wirkung gleichzeitig für Ladungsträger in einem weiten Gesch-windigkeitsbereich
vorhanden ist. Gemäß der Erfindung wird ein den Sollbahnbereich durchsetzender magnetischer
Fluß nicht verschwindender Rotation angewendet, :dessen Kraftlinien quer zu den
Sollbahnen stehen. Die Wirkungen eines solchen Wirbelfeldes auf bewegte Ladungsträger
werden im folgenden an Hand der Fig. i und 2 erläutert.
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Fig. i a zeigt den Fall, daß das magnetische Wirbelfeld von einem
Strom erzeugt wird, der senkrecht zur Zeichenebene durch den Draht i fließt. Das
sich um diesen Draht bildende magnetische Feld ist durch die strichliert gezeichneten
Kreise 2 angedeutet. Seine Intensität nimmt in bekannter Weise mit zunehmendem Abstand
vom Draht nach außen ab, wie Fig. i b zeigt. Nimmt man an, daßLadungsträger das
sich um den Leiter i, bildende Feld etwa senkrecht zur Zeichenebene durchfliegen,
dann wird auf diese Ladungsträger eine Kraftwirkung ausgeübt, die senkrecht zu den
magnetischen Kraftlinien steht. Fr Ladungsträger, welche einen Strom bilden, der
gleichsinnig zu dem den Leiter r durchfließenden Strom gerichtet ist, ist diese
Kraftwirkung auf den Leiter i zu gerichtet. Die elektrodynamischen Kräfte haben
also das Bestreben, die Ladungsträger dem Draht zu nähern und wirken damit irgendwelchen
zerstreuenden Einflüssen entgegen:. Diese Kraftwirkungen nehmen mit zunehmendem
Abstand vom Leiter i nach außen ab.
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Meist handelt es sich in der Praxis nicht darum, Ladungsträger in
einem geradlinigen Sollbahnbereich zu halten, sondern auf gekrümmten Bahnen zu führen.
In diesem Fall muß die auf die Ladungsträger einwirkende Zentrifugalkraft durch
elektrodynamische Kräfte kompensiert werden. Damit dies der Fall ist, muß wenigstens
am Rand des Sollbahnbereiches eine ausreichende magnetische Feldstärke herrschen.
Nimmt man an, daß der Sollbahnbereich durch die in Fig. r mit 3 bezeichnete Linie
gegeben ist, dann muß am äußeren Rande des so umgrenzten: Bereiches die erforderliche
magnetische Feldstärke herrschen. Da die Feldstärke bei der dargestellten Anordnung
nach innen zu steigt, so nehmen die auf die Ladungsträger wirkenden elektrodynamischen
Kräfte nach dem Innern des Sollbahnbereiches zu, Die Ladungsträger werden deshalb
verhältnismäßig rasch auf den Draht i treffen und von diesem aufgenommen bzw. abgebremst
werden. Diese Anordnung ist in ihrer praktischen Anwendungsmöglichkeit daher -auf
solche Fälle- beschränkt, in welchen die Ladungsträger nach verhältnismäßig kurzen
Flugstrecken den Leiter treffen dürfen.
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Wichtiger ist jedoch .der Fall, ,daß Ladungsträger in einem Sollbahnbereich
gehalten werden sollen, ohne daß sie auch nach langen Flugstrecken in, nennenswertem
Maße gehemmt werden. Diese Aufgabe läßt sich erfindungsgemäß dadurch lösen, daß
man den Sollbahnbereich mit .dem zur Erzeugung des Wirbelfeldes dienenden Strom
durchsetzt. Die hierbei auftretenden Verhältnisse sind in Fig. 2 a unter der Annahme
veranschaulicht, daß der durch die Linie 3 umgrenzte Sollbahnbereich von einem räumlich
gleichmäßig verteilten Strom durchflossen wird. Ein solcher Strom erzeugt wiederum
in sich geschlossene Kraftlinien, jedoch nimmt hier die Feldstärke abweichend von
dem in Fig. z dargestellten Fall im gesamten Sollbahnbereich nach außen hiri zu.
Der Feldverlauf ist in Fig. z b für diesen Fall dargestellt. ?Entsprechend den bei
Fig. i dargelegten Verhältnissen werden auf Ladungsträger q., welche das magnetische
Feld durchfliegen, Kräfte ausgeübt, die radial nach innen gerichtet sind, sofern
der Ladungstransport die gleiche Richtung wie der zur Erzeugung der magnetischen
Felder dienende Ladungstransport besitzt. Abweichend von der Anordnung nach Abb.
i a können die Ladungsträger den elektrodynamischenKräften, die etwa auf den Schwerpunkt
des räumlich verteilten Stromes zu gerichtet sind, beliebig folgen, ohne auf einen
Leiter zu treffen und von diesem gebremst zu werden. Ein Ladungsträger, der beispielsweise
zunächst am rechten Rand des -Sollbahnbereiches liegt, wird durch die elektrodynamischen
Kräfte nach innen gezogen, fliegt infolge der dabei erhaltenen Geschwindigkeit durch
die Mitte hindurch, wird dann von den entgegengesetzt gerichtetenKräften wieder
zurÜckgezogen und pendelt somit um eine etwa vom Stromschwerpunkt gebildete Achse
herum. Die stabilisierende Wirkung des Magnetfeldes ist in allen Punkten des Sollbahnbereiehes
vorhanden und wirft Teilchen mit beliebigen Abweichungen nach der Mitte wieder zurück.
Das wird durch die Tatsache begründet, daß ein Magnetfeld verwandt wird, dessen
gekrümmte Kraftlinien. stets ihre konkave Seite dem Stabilisierungszentrum zuwenden.
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Da innerhalb des Sollbahnbereiches die bewegten Ladungsträger nicht
nennenswert durch Masseteilchen behindert werden sollen, so ist es nicht angängig,
den gesamten Sollbahnbereich durch einen Leiter merklicher Massendichte, z. B. Kupfer,
auszufüllen. Man könnte nun daran denken, ohne Zuhilfenahme eines leitfähigen Körpers
durch den Sollbahubereich Strom in der Weise hindurchzuschicken, daß man eine genügende
Anzahl von Elektronen senkrecht zur Zeichenebene durch den evakuierten Sollbahnbereich
schießt. Dieser Fall ist praktisch nicht zu verwirklichen, weil die durch die
Raumladung
entstehenden abstoßenden Kräfte größer sind als die elektrodynamischen sammelnden
Kräfte. Der weitere denkbare Weg, einen zur Erzeugung des stabilisierenden. Magnetfeldes
dienenden Strom ohne Zuhilfenahme eines leitenden Körpers als Verschiebungsstrom
durch den hochevakuierten Sollbahnbereich zu schicken, scheitert daran, daß man
Verschiebungsströme der erforderlichen Größe bei vernünftigen Abmessungen der Apparatur
nicht erzielen kann. Gemäß derErfindung läßt sich jedoch der Sollbahnbereich dadurch
mit Strömen genügender Stärke durchsetzen, daß man Ladungsträger durch den Sollbahnbereich
führt, jedoch dafür sorgt, daß die Raumladung ganz oder zum größten Teil kompensiert
wird. Dies gelingt dadurch, daß man positive und negative Ladungsträger erzeugt,
wie dies in einer Gasentladung der Fall ist. Die Gasfüllung des Sollbahnbereiches
bedeutet wohl, daß der Sollbahnbereich auch mit Masseteilchen durchsetzt ist. Der
Gasdruck läßt sich jedoch so niedrig halten, daß für eine ausreichende Anzahl von
Ladungsträgern, insbesondere Ladungsträgern genügender Geschwindigkeit, die vorhandenen
Masseteilchen keine nennenswerte Hemmung darstellen. Auch bei Gasdrucken, die keine
nennenswerte Hemmung rasch fliegender Ladungsträger bedeuten, lassen sich Stromdichten
von mehreren iooo Ampere pro Quadratzentimeter erzeugen. Der Druck des Gases oder
Dampfes braucht dabei die Größenordnung von i Torr nicht zu übersteigen. Im allgemeinen
wird man mit Drucken auskommen, die wesentlich unter i Torr, z. B. bei o,o5 Torr,
liegen. Solche Gas oder Dampfdichten bieten raschen Teilchen praktisch kein Hindernis,
wenn das Füllgas aus Atomen kleiner Ordnungszahl besteht.
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Die Wirksamkeit der beschriebenen Stabilisierungsmethode wird im folgenden
an Hand der quantitativen physikalischen Zusammenhänge erläutert, aus denen sich
gleichzeitig eine Vorschrift für die Dimensionierung :der einzelnen Größen ergibt.
Der über . den Sollbahnbereich verteilte Strom habe die Dichte j. Das von ihm erzeugte
magnetische Wirbelfeld, das sich in Form konzen= trischer Kreise ausbildet, hat
dann im Abstand r von der Achse den Wert H=2njy. Es nimmt also mit steigendem Abstand
von der Achse zu. Dementsprechend nimmt die elektrodynamische Kraft, mit der ein
Teilchen der Massem der Ladung e und der Geschwindigkeit v auf das Stabilisierungszentrum
zugezogen wird, mit steigendem Abstand von der Mitte zu, und zwar beträgt diese
Kraft h=evH=2azevjr. Diese einfache Formel gilt unter der Annahme, daß die Stromdichte
über den ganzen Sollbahnbereich konstant ist und daß der Sollbahnbereich kreisförmigen
Querschnitt besitzt: Die Erfindung ist jedoch keinesfalls auf diesen Fall beschränkt,
da die stabilisierende Wirkung auch bei ungleichmäßiger Stromverteilung und auch
bei Sollbahnbereichen von anderen als kreisförmigem Querschnitt vorhanden ist.
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Wegen der Zunahme der Feldstärken nach außen zu besitzt das beschriebene
Verfahren den Vorteil, daß die Teilchen um so stärker gegen das Innere des Sollbahnbereiches
gezogen werden, je weiter sie sich von der Mitte entfernt haben.
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Wenn es sich darum handelt, bewegte Ladungsträger längs eines gekrümmten
Sollbahnbereiches mit dem Krümmungsradius zu führen, so muß, wie bereits im Zusammenhang
mit der Fig. i b angedeutet, die auftretende Zentrifugalkraft
durch elektrodynamische Kräfte kompensiert werden. Im Zusammenhang mit der oben
angegebenen Gleichung für die auftretenden elektrodynamischen Kräfte ergibt sich,
daß im Sollbahnbereich die Feldstärke den Wert
erreichen muß. Daraus folgt, daß die Stromdichte j, die innerhalb des Sollbahnquerschnittes
mit dem Durchmesser :2 R (Fig. 2 a) mindestens fließen muß, den Wert
haben muß. Hieraus ergeben sich für einen Sollbahnbereieh von a cm Durchmesser und
Elektronen von etwa 107 Volt Geschwindigkeit Stromdichten in der Größenordnung
von ioooAmpere pro Quadratzentimeter bei einem Krümmungsradius 2 von etwa 15 cm.
Um Stromdichten dieser Größenordnung führen zu können, reichen bei derVerwendung
von Quecksilber Dampfdrucke in der Größenördnung von o,ooi Torr aus. Bei der Verwendung
von Füllgasen mit geringerem Atomgewicht, wie sie zur Vermeidung von Streuverlusten
(Zusammenstöße der zu führenden Ladungsträger mit Atomen) wünschenswert sind, können
etwa io- bis ioomal höhere Gasdrucke angewandt werden, ohne daß auch bei sehr langen
Flugstrecken für rasche Teilchen eine nennenswerte hemmende Wirkung zu erwarten
ist.
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Bei den obigen Angaben über die erforderlichen Stromdichten wurde
einegleichmäßigeStromverteilung über den Sollbahnquerschnitt vorausgesetzt. Diese
Bedingung läßt sich nicht ohne weiteres ganz erfüllen. Praktisch kann man dennoch.
mit Stromdichten der aus den obigen Darlegungen sich ergebenden Größenordnungen
rechnen, zumal man das stabilisierende Feld etwas stärker machen wird als es zur
Stabilisierung der schnellsten in Betracht kommenden Ladungsträger erforderlich
ist.
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Im folgenden soll zunächst gezeigt werden, auf welchem Wege man eine
zur Erzeugung eines stabilisierenden
magnetischen Wirbelfeldes
dienende Entladung erzeugen kann. Obwohl dies unter Zuhilfenahme von Elektroden
möglich ist, soll zunächst an Hand eines Gerätes Zur Erzeugung rascher Elektronen
gezeigt werden, daß man vorteilhaft eine elektrodenlose Ringentladung für die Zwecke
der Erfindung heranzieht, weil hier die auftretenden Erscheinungen besonders übersichtlich
sind. Bei dem im folgenden beschriebenen Gerät wird von der an sich bekannten Methode
zur Erzeugung von Elektronen hoher Geschwindigkeit Gebrauch gemacht, bei der eine
durch die Änderung eines Magnetfeldes erzeugte Umlaufspannung zur Beschleunigung
der Ladungsträger der Elektronen dient. DieseUmlaufspannung wird gemäß der -Erfindung
gleichzeitig zur Erzeugung einer das stabilisierende Magnetfeld für die raschen
Ladungsträger dienenden Entladung verwendet.
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In den -Fig. 3 a und 3 b ist mit 5 ein ringförmiges evakuiertes Entladungsgefäß
bezeichnet, das mit einem Gas, z. B. Wasserstoff oder Helium, geringen Druckes gefüllt
ist. Dieses Entladungsgefäß wird von einem leitenden Rohr 6, z. B. aus Kupfer oder
Aluminium, umschlossen, welches, wie Fig. 3 b zeigt, bei 7 aufgetrennt ist. Es bildet
die einzige Primärwindung eines Transformators, dessen Sekundärwindung durch die
von dem aus Isoliermaterial bestehenden Ringrohr 5 umschlossene Entladungsbahn dargestellt
ist. Das-Rohr 6 kann über die Funkenstrecke 8 an einen in üblicher Weise aufgeladenen
Kondensator 9 angeschlossen werden. Abgesehen davon, .daß hier der Transformator
nur eine Primärwindung besitzt, ist dies eine der bekannten zur Erzeugung von Ringentladung
üblichen Schaltungen.
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Die Anordnung wirkt in folgender Weise: Im Augenblick des Durchschlages
der Funkenstrecke 8 wird der Kondensator 9 an die Enden des Rohres 6 angeschlossen.
Unter dem Einfluß des über das Rohr 6 fließenden Stromes baut sich innerhalb des
vom Rohr umschlossenen Querschnittes das Magnetfeld 0 auf, welches einerseits die
an den .Enden des Rohres 6 herrschende Gegenspannung erzeugt, andererseits aber
auch innerhalb des Entladungsrohres 5 eine Umlaufspannung erzeugt, welche praktisch
mit der an den Enden des Rohres 6 herrschenden Spannung übereinstimmt. Unter dem
Einfluß dieser Spannung kommt im Entladungsrohr 5 eine Ringentladung zustande, die
im Sinn der obigen - Ausführung innerhalb des Entladungsrohres 5 ein stabilisierendes
Magnetfeld erzeugt. Dieses Magnetfeld wird durch den primären Strom nicht wesentlich
beeinflußt, weil das vom Primärstrom innerhalb des Rohrquerschnittes erzeugte Feld
gleich Null ist.
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Der wesentlichste Teil der innerhalb des Entladungsrohres 5 fliegenden
Ladungsträger dient zur Erzeugung eines stabilisierenden Magnetfeldes. Ein Teil
der Ladungsträger wird jedoch eine Geschwindigkeit von mehreren iooo Volt erreichen
können, ohne daß er mit Masseteilchen zusammentrifft. Da die Wahrscheinlichkeit
der Abbremsung von Ladungsträgern mit steigender Geschwindigkeit abnimmt, wird eine
bestimmte Menge von Ladungsträgern praktisch ungehindert den Entladungsraum durcheilen
können und dabei entsprechend der Höhe der Umlaufspannung und der zur Verfügung
stehenden Zeit sehr hohe Geschwindigkeiten, nämlich bis zu mehreren Millionen Volt,
erreichen können.
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Bei der in den Fig. 3 a und 3 b dargestellten Anordnung ist die Umlaufspannung,
welche zur Beschleunigung der Ladungsträger dient, gleich der Brennspannung der
Gasentladung, die das stabilisierende Magnetfeld erzeugt. Damit eine ausreichende
Spannung zur Beschleunigung der Ladungsträger zur Verfügung steht, empfiehlt es
sich, deshalb den Gasdruck so zu wählen, daß die Brennfeldstärke der Gasentladung
in der Größenordnung von 50 Volt je Zentimeter liegt. Daraus ergibt sich
für praktische Dimensionen, z. B. ein Ringrohr von 15 cm Halbmesser, eine Brennspannung
von mehreren iooo Volt. Die Wahl eines geringen Gasdruckes zwecks Erhöhung der Brennspannung
wirkt sich auch insofern günstig aus, als. mit sinkendem Gasdruck die Wahrscheinlichkeit
kleiner wird, daß Ladungsträger auf Masseteilchen treffen. Man kann die Brennspannung
anstatt durch Verminderung des Gasdruckes auch dadurch erhöhen, daß man den Sollbahnquerschnitt
verhältnismäßig klein macht, so daß wegen der benachbarten Wandung (Trägerverlust)
die Brennspannung ansteigt. Mit Rücksicht darauf, daß der Gasdruck auch für die
zur Beschleunigung der Ladungsträger,dienende Spannung maßgebend ist, empfiehlt
es sich, Vorkehrungen zu treffen, um den Gasdruck leicht einstellbar zu machen.
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Um zu vermeiden, daß die Ringentladung im Rohr 5 verzögert einsetzt,
kann es sich empfehlen, Ladungsträger, insbesondere Elektronen, in den Entladungsraum
einzuführen. Zu diesem Zweck kann, man eine Elektronenquelle in einem seitlichen
Ansatz unterbringen und die von ihr gelieferten Elektronen unter Zuhilfenahme einer
besonderen Elektrode in die Sollbahn ziehen.
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Bei der Erzeugung von Ladungsträgern sehr hoher ,Geschwindigkeit und
verhältnismäßig kleinen Krümmungsradien der Sollbahnen sind starke Entladungsströme
erforderlich, um das stabilisierende Magnetfeld zu erzeugen. Es kann sich dabei
ergeben, daß die Gasdrucke, welche man zur Erzeugung solcher Ströme benötigt, eine
unerwünschte Behinderung der zu beschleunigenden Ladungsträger zur Folge haben.
Man kann hier dadurch ,Abhilfe schaffen, daß man durch zusätzliche Mittel im Entladungsraum
Ladungsträger so hoher Geschwindigkeit erzeugt, daß bei den herrschenden Gasdrucken
für diese Ladungsträger keine nennenswerte Behinderung mehr vorhanden ist. Die Einführung
von Ladungsträgern genügend hoher Geschwindigkeit kann durch ein seitlich angebautes
Elektrodensystem (Elektronenkanone) geschehen. Man kann aber auch durch äußereMittel,
wie später an Hand der Fig. 7 gezeigt werden wird; einer begrenzten Menge der im
Entladungsraum vorhandenen Ladungsträger, insbesondere Elektronen,
stoßartig
eine hohe Geschwindigkeit erteilen, so daß sie dann in der Lage sind, nur den Gasraum
im wesentlichen unbehindert zu durchfliegen.
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Wie bereits erwähnt, gelingt es mit Hilfe der Einrichtung nach Fig.
3 a und 3 b Ladungsträger, insbesondere Elektronen, auf Geschwindigkeiten von mehreren
Millionen Volt zu beschleunigen, ohne daß es umfangreicher magnetischer Mittel zur
Erzeugung magnetischer Hilfsfelder bedarf. Um Ladungsträger, nachdem sie eine ausreichende
Geschwindigkeit erhalten haben, nutzbar zu machen, kann -man sie innerhalb des Entladungsrohres
zur Wirkung bringen. Man kann'sie beispielsweise auf Metallteile, z. B. Wolframkörper,
auftreffen lassen und so zur Erzeugung harter Röntgenstrahlen benutzen. Ein anderer
Weg, die Ladungsträger hoher Geschwindigkeit im Rohr auszunutzen, besteht darin,
daß man ein Element, welches man der Strahlung aussetzen will, in Gasform in den
Entladungsraum einbringt und gegebenenfalls selbst zum Träger der Entladung macht.
Bei schwer verdampfenden Stoffen kann man auch den Umweg über leichter verdampfbare
chemische Verbindungen dieser Stoffe wählen.
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Man kann die im Entladungsraum (Sollbalinquerschnitt) erzeugten Ladungsträger
hoher Geschwindigkeit aber auch außerhalb des Entladungsraumes nutzbar machen, wie
dies bei den bekannten Einrichtungen bereits geschieht. Man kann sie beispielsweise
durch geeignete Wandungsteile, z. B. Lenardfenster, nach außen treten lassen. Bei
sehr hohen Geschwindigkeiten ist es wegen des hohen Durchdringungsvermögens der
Ladungsträger nicht erforderlich, in den Wandungsteilen besonders leicht durchlässige
Stellen vorzusehen. Der Austritt der raschen Ladungsträger findet, wenn man nicht
besondere Maßnahmen vorsieht, bei der Einrichtung nach Fig. 3 a und 3 b spätestens
dann statt, wenn entweder die Ladungsträger so rasch geworden sind, daß das stabilisierende
Magnetfeld nicht mehr in der Lage ist sie in der Entladungsbahn zu halten oder,
wenn im Verlauf des elektrischen Entladungsvorganges (Schwingung der Schaltung Fig.3)
.das stabilisierende Magnetfeld unter den Wert sinkt, welcher notwendig ist, um
Kräfte zu erzeugen, welche die Zentrifugalkraft aufheben. In den beiden erwähnten
Fällen treten die Ladungsträger nach allen Seiten hin aus. Durch Anwendung zusätzlicher
Hilfsfelder, die den Entladungsraum in bekannter Weise durchsetzen, gelingt es jedoch
auch, die Ladungsträger nach innen abzulenken und etwa im Krümmungsmittelpunkt des
Sollbahnbereiches zu sammeln.
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Im folgenden wird ein Weg gezeigt, auf dem es gelingt, gemäß der weiterenErfindung
dieLadungsträger an einer oder mehreren bevorzugten Stellen des Entladungsraumes
austreten zu lassen. Zu diesem Zweck gibt man dieser Stelle einen kleinen Krümmungsradius
etwa in .der Weise, wie es in Fig. q. schematisch dargestellt ist. Der Übersicht-1
ic'hkeit halber ist nur das Entladungsrohr gezeichnet, welches im übrigen in .der
gleichen Weise angeordnet ist und betrieben wird, wie in Fig.3 angegeben. ZVenn
man annimmt, daß die Ladungsträger in Richtung des Pfeiles io fliegen, dann treten
die raschesten Ladungsträger, z. B. Elektronen, bei i i aus. Man wird an dieser
Stelle zweckmäßig in der Primärwicklung (Rohr 6) eine Öffnung vorsehen. Der Grund
für den Austritt der Ladungsträger liegt darin, daß ein magnetisches Feldbestimmter
Stärke bei gegebenem Krümmungsradius nur Elektronen unter(hal'b einer bestimmten
Geschwindigkeit in den Sollbahnbereich zwingen kann. `Nenn nun eine Zone der Entladungsbahn
stärker als die übrigen Teile gekrümmt ist, dann wird -die Bedingung für die Kompensation
der Fliehkräfte zuerst an dieser Stelle für Elektronen bestimmter Geschwindigkeit
überschritten. Der Bahnabschnitt stärkster Krümmung stellt also gewissermaßen eine
Öffnung dar, durch welche Elektronen oberhalb einer bestimmten Geschwindigkeit austreten
können. An .der Austrittsstelle kann die Gefäßwandung gegebenenfalls .durch ein
Lenardfenster abgeschlossen sein.
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Es wurde bereits eingangs darauf hingewiesen, daß die in den Fig.
3 a und 3 b .dargestellte EinricJhtung einen Transformator darstellt, dessen Sekundärwicklung
durch den Entladungsraum innerhalb des Rohres 5 gebildet wird. Um die Magnetisierungsströme
klein zu. halten und die,dem Rohr 6 zugeführte Energie möglichst vollständig auszunutzen,
empfiehlt es sich, die wechselseitige Induktivität von Primär- und Sekundärwicklung
dadurch zu erhöhen, .daß man den Kraftlinienweg wenigstens zum Teil mit ferromagnetischen
Stoffen, insbesondere Massekernen, die feinverteiltes Eisen enthalten (Hochfrequenzeisen),
ausfüllt. Im allgemeinen genügt es, die Primärwicklung (Rohr 6) mit Hochfrequenzeisen,
z. B. in Form von unterteilten Ringen, zu umgeben.
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Um die Zeitdauer ,zu erhöhen, während welcher die Ladungsträger beschleunigt
werden können, kann es sich empfehlen, den Ablauf der Entladung des Kondensators
9 zu verzögern. Eine solche Verzögerung läßt sich dadurch erreichen, daß man die
Primär- oder Sekundärstreuung des durch das Rohr 6 und das Rohr 5 gebildeten Transformators
vergrößert. Man kann zu diesem Zweck in die Zuleitungen zu den Enden des Rohres
6 Induktivitäten einschalten oder den Raum zwischen den Rohren 5 und 6 vergrößern
und gegebenenfalls mit ferromagnetischen Stoffen, durchsetzen.
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Es läßt sich zeigen, daß man die im Kondensator 9 gespeicherte Energie
dann möglichst weitgehend ausnutzt, wenn man die Verhältnisse so wählt, daß die
Brennspannung im Entladungsraum etwa gleich der halben Ladespannung des Kondensators
ist. Durch richtige Dimensionierung der Streuinduktion läßt sich erreichen, daß
der zur Stabilisierung der Ladungsträger dienende Entladungsstrom nicht unnötig
hohe Werte annimmt, denn ein unnötig hoher Entladestrom entlädt den Speicherkondensator
9 (Fig. 3) unnötig rasch und verringert damit die zur Beschleunigung der Elektronen
verfügbare Zeit. Eine zu große Induktivität würde zwar unnötig lange Zeit brauchen,
um den
Kondensator zu entladen, aber keine .zur Stabilisierung derElektronen
ausreichendeEntladungsstromstärke ergeben.
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Bei der in Fig. 3 a und 3 b dargestellten Einrichtung 'besteht die
Primärwicklung nur aus einer einzigen Windung. Man kann jedoch auch Einrichtungen
verwenden, bei welchen das Entladungsrohr 5 mit einer Vielzahl von in Reihe geschalteter
Primärwindungen umgeben ist. Es empfiehlt sich in diesen Fällen, diese Windungen
gleichmäßig um .das Entladungsrohr zu verteilen, damit im Innern dieses Rohres keine
nennenswerten Störfelder auftreten. Eine solche Anordnung ist schematisch in Fig.5
dargestellt.
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Die, verhältnismäßig hohen Entladungsströme, die bei der Einrichtung
nach Fig. 3 a und 3 b auftreten, bringen die Gefahr mit sich, daß die Entladung
an den äußeren Rand des Rohres 5 gedrängt wird. Bei der in Fig. 3 a und 3 b dargestellten
Einrichtung wird dieser Effekt durch Wirbelströme klein gehalten, die sich innerhalb
des Rohres 6 ausbilden. Eine Verlagerung des Schwerpunktes der Entladung nach außen
bedeutet nämlich eine Verschiebung des sich um die Entladung bildenden magnetischen
Feldes. Durch diese Verschiebung werden im Rohr 6 Ströme erzeugt, die der Verschiebung
entgegenwirken. Es läßt sich zeigen, daß diese Rückwirkung so stark ist, daß eine
Verschiebung des Entladungsschwerpunktes nur um wenige Millimeter stattfinden kann.
Bei Anordnungen, bei denen der Sollbahnbereich nicht durch ein als Primärwindung
dienendes Rohr umgeben ist, beispielsweise bei der Anordnung nach der weiter unten
beschriebenen Fig. 6, kann man in der Nähe des Sollbahnbereic'hes besonders leitfähige
Körper, z. B. Ringe, anordnen, in denen Wirbelströme erzeugt werden, die der Verlagerung
des Entladungsschwerpunktes entgegenwirken. Voraussetzung für das Zustandekommen
von Wirbelströmen, welche einer Verschiebung des Schwerpunktes der Entladung ausreichend
entgegenwirken, ist, daß die elektrischen Vorgänge genügend rasch verlaufen. Diese
Forderung ist bei der beschriebenen Einrichtung wegen der kleinen Induktivitäten
erfüllt. Ein weiterer Weg, einer Verschiebung des Schwerpunktes der Entladung entgegenzuwirken
besteht darin, daß man durch zusätzliche Wicklungen oder durch ungleichmäßige Verteilung
des Strombelages bei der Einrichtung nach Fi-g. 5 dafür sorgt, daß am äußeren Rand
des Entladungsrohres ein höherer Strombelag vorhanden ist als am inneren. Auf diese
Weise gelingt es, die elektrodynamischen Kräfte, welche eine Verlagerung des Entladungsschwerpunktes
- herbeizuführen suchen, ganz oder,zum größten Teil aufzuheben.
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Eine Betrachtung der Fig. 3 a und 3 b zeigt, daß zwischen den Enden
des Rohres 7 beträchtliche Spannungen, z. B. io ooo Volt, auftreten können.
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. Das zwischen den Enden herrschende elektrische Feld durchsetzt auch
den Entladungsraum. Es wird aber dort rasch durch Ladungsträger kompensiert, die
sich an den Wandungen festsetzen. Diese Wirkung kann gegebenenfalls durch einen
schlecht leitenden Wandbelag innerhalb oder außerhalb des Entladungsgefäßes verstärkt
werden.
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Es wurde bisher angenommen, däß die Umlaufspannung im Entladungsgefäß
5 durch Entladung eines Kondensators über .die Primärspule 6 erzeugt wird. Mit Hilfe
dieser Methode lassen sich kurzzeitig auf einfache Weise genügend große Energiemengen
zur Verfügung stellen. Grundsätzlich könnte man auch an .die Enden des Rohres 6
eine Wechselspannungsquelle hoher Frequenz und ausreichender Leistungsfähigkeit
anschließen.
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Wie bereits eingangs erwähnt, kann man eine Entladung, durch die ein
magnetisches Führungsfeld erzeugt wird, auch mit Hilfe von Elektroden aufrechterhalten.
Diese Methode wird man besonders dann anwenden, wenn Elektronen oder Ionen über
eine in sich nicht geschlossene Wegstrecke geführt werden sollen. Man kann zu diesem
Zweck an den Enden des Führungsbereiches Elektroden anbringen, zwischen deneneineEntladung
aufrechterhalten wird. Diese Elektroden können den Sollbahnbereich ringförmig umschließen,
um zu verhindern, daß sie ein Hindernis für die Ladungsträger bilden. Man kann die
stabilisierende Entladung aber auch bei solchen Geräten mit Hilfe von Elektroden
erzeugen, bei welchen die Ladungsträger mehrmals die gleiche Bahn .durchlaufen sollen,
wie dies bei den bekannten Einrichtungen zur Beschleunigung von Ladungsträgern auf
hohe Geschwindigkeiten der Fall ist.
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Eine solche Anordnung ist in Fig. 6 dargestellt. Mit 1z ist ein ringförmiger
Entladungsraum bezeichnet, der bei 13 entlüftet werden kann. Das Entladungsgefäß
ist durch ein Lenardfenster 1q. unterteilt, welches z. B. aus einer dünnen nichtleitenden
Folie bestehen kann. 15 und 16 sind ringförmigeElektroden, welche unterZwiscfhenschaltung
der Induktivitäten 17 beispielsweise mit Gleichstrom gespeist werden. Die Folie
14 verhindert den unmittelbaren Übergang der Entladung zwischen den Elektroden i-5
und 16. Die Entladung muß daher den längeren Weg durch .das Rohr i z nehmen. Die
unmittelbare Entladung zwischen 15 und 16 kann noch zusätzlich dadurch behindert
werden, daß man dieAbstände klein gegenüber der mittleren kleinen Weglänge der Ladungsträger
macht oder daß man mehrere Folien hintereinander in die Entladungsbahn einführt.
Mit Hilfe der in Fig. 6 dargestellten Einrichtung gelingt es, abgesehen von dem
engen Bereich zwischen 15 und 16, eine Entladung aufrechtzuerhalten, durch die ein
stabilisierendes magnetisches Wirbelfeld entsteht.
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Wenn man die in Fig. 6 dargestellte Anordnung heranziehen will, um
Ladungsträger, z. B. Elektronen, auf eine hohe Geschwindigkeit ,zu bringen, so kann
man in die Rühre 1z eine Umlaufspannung einführen. Es genügt zu diesem Zweck, das
ringförmige Entladungsgefäß i-- mit einem veränderlichen Magnetfeld 0, z. B. einem
Wechselfeld, zu durchsetzen. Die gesamte Umlaufspannung wird dabei im wesentlichen
im Raum zwischen den Elektroden 15 und 16 auftreten. Dabei werden eine Anzahl von
Ladungsträgern so hohe Geschwindigkeiten
erreichen, daß sie das
Lenardfenster 14 durchdringen und eine Vielzahl von Umläufen ausführen können.
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Bei der Anordnung nach Fig.6 wird der Entladungsraum nur an einer
Stelle unterteilt, und es wird zur Erzeugung der Entladung, die das stabilisierende
Magnetfeld schafft, ein Elektrodenpaar verwendet. Man kann aber den Entladungsraum
auch an zwei oder mehreren beispielsweise einander gegenüberliegenden Punkten mit
mehreren Elektrodenpaaren und dazwischenliegenden Lenardfenstern ausrüsten. Die
stabilisierende Entladung geht dann zwischen ungleichnamigen Elektroden der benachbarten
Elektrodenpaare über.
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Auch bei der Anordnung nach Fig.6 kann es sich empfehlen, Ladungsträger
hoher Geschwindigkeit in den Entladungsraum einzuführent, um über eine Anzahl schneller
Ladungsträger zu verfügen, die weder durch Lenardfenster noch durch das Füllgas
nennenswert behindert werden. Man kann zu diesem Zweck seitlich rasche Ladungsträger
einschließen oder sie unter Zuhilfenahme von besonderen Elektroden innerhalb des
Entladungsraumes beschleunigen. Eine hierzu geeignete Anordnung ist in Fig.7 dargestellt.
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Die Fig.7 zeigt das ringförmige Entladungsgefäß mit dem zur Erzeugung
rasch fliegender Ladungsträger dienenden Mittel, während alle übrigen Teile, z.
B. die Mittel zur Erzeugung der Umlaufspannung, der Übersichtlichkeit halber weggelassen
sind. Das ringförmige Entladungsrohr ist mit 18 bezeichnet. Es ist durch zwei metallische
Rohrstücke ig und 2o unterteilt. An Stelle dieser Rohrstücke können auch besondere
Elektroden innerhalb oder außerhalb des Entladungsgefäßes dienen. Legt man zwischen
diese Rohrstücke bzw. Elektroden, nachdem im Entladungsraum genügend Ladungsträger
gebildet sind, eine hohe Spannung kurzzeitig an, dann wird vom elektrischen Feld
,zwischen .den Teilen ig und 2o ein Teil der Ladungsträger beschleunigt. Man kann
ihnen auf diese Weise eine Geschwindigkeit bis zu ioo ooo Volt erteilen. Die hierzu
erforderliche Spannung kann an die Elektroden ig und 2o zweckmäßig mit Hilfe einer
Funkenstrecke gelegt werden, die mit einem Kondensator in der- dargestellten Weise
zusammengeschaltet ist. Beider Anwendung der Einrichtung nach Fig. 7 bei Geräten,
bei welchen das stabilisierende Feld durch die Ringentladung erzeugt wird, kann
man die Zündung der Funkenstrecke 21 von der Zündung der die Ringentladung einleitenden
Funkenstrecke abhängig machen.
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Für die Wahl des Druckes im Entladungsraum bei Einrichtungen der Fig.6
oder 7 gelten die bereits oben im Zusammenhang mit .den Fig. 3 a und 3 b erwähnten
Gesichtspunkte.
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Obwohl bei den bisher beschriebenen Einrichtungen auch positiv geladene
Masseteilchen entgegen der Umlaufrichtung der Elektronen beschleunigt werden, so
waren die beschriebenen Einrichtungen doch vorwiegend für die Erzeugung hoher Elektronengeschwindigkeit
bestimmt. Man kann ein magnetisches Wirbelfeld im Sinn der Erfindung aber auch bei
Einrichtungen benutzen, bei welchen es hauptsächlich auf die Beschleunigung positiver
Ladungsträger ankommt. Eine solche Einrichtung zeigt die Fig. B.
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In dieser Figur ist in Anlehnung an die Anordnung nach Fig. 6 ein
an zwei Stellen durch ein Lenardfensterpaar unterteilter ringförmiger Entladungsraum
vorgesehen.
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Zu beiden Seiten der Lenardfenster sind die Elektroden 26, 27 und
28, 2,9 angeordnet. Sie sind an Rohrstücke 30, 31, 32, 33 an die Gleichstromquelle
in der dargestellten Weise angeschlossen. Die Speisung der Elektroden über die Rohre
30, 31, 32, 33 bringt den bereits der Einrichtung nach Fig. 3 a und 3,b anhaftenden
Vorteil, daß die äußeren Stromzuleitungen das Feld im Entladungsraum nicht stören.
Die Stromquelle ist gegen Hochfrequenz durch die Drosselspulen 34 abgeriegelt. Dagegen
sind die Rohre 30, 31 und 32, 33 durch Kondensatoren 35, 36 kurzgeschlossen. Zwischen
.den Elektroden 26, 27 und 28, 29 geht eine elektrische Entladung über, .deren Stärke
nach den oben .dargelegten Gesichtspunkten gewählt ist. Legt man nun, wie dies vom
Zyklotron bekannt ist, eine Hochfrequenzquelle 37 an die durch die Fenster 28, 29
getrennten Rohrteile, so wie dies in der Figur durch den Anschluß der Hochfrequenzquelle
37 an die Rohrstücke 31 und 33 dargestellt ist, dann werden d.ie positiven Ladungsträger
im Raum zwischen den Elektrodenpaaren 26, 28 und 27, 29 beschleunigt. Nimmt man
an, daß den zu beschleunigenden Ladungsträgern, die in bekannter Weise in die Entladungsbahn
eingeführt werden, bereits eine Geschwindigkeit in der Größenordnung von ioo ooo
Volt erteilt worden ist (z. B. mit Hilfe .der Einrichtung nach Fig. 7), dann erkennt
man, daß die Umlaufzeit dieser Ladungsträger nicht mehr in erheblichem Maße von
dem noch erreichbaren Geschwindigkeitszuwachs abhängt. Man kann deshalb die Frequenz
der Spannungsquelle 37 so einrichten, daß ein Paket von Ladungsträgern stets dann
den Raum zwischen den Elektrodenpaaren durchläuft, wenn dort eine beschleunigende
Spannung herrscht. Die etwa vorhandenen Differenzen in der Umlaufgeschwindigkeit
der Ladungsträger können ausgeglichen werden, wenn. man die stabilisierende Hilfsentladung
so einstellt, daß die Ladungsträger hoher Geschwindigkeit auf Bahnen so viel größeren
Durchmessers liegen, @daß ihre größere Geschwindigkeit durch die vergrößerte Flugstrecke
ausgeglichen wird. Man kann auf diese Weise praktisch für unterschiedliche Geschwindigkeiten
eine annähernd gleiche Umlaufzeit herbeiführen und hat es .dann in der Hand, die
Frequenz der Wechselspannungsquelle 37 auf den günstigsten Wert einzustellen.
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Der Austritt der Ladungsträger nach außen kann abgesehen von den bereits
früher erwähnten Mitteln auch dadurch erfolgen, daß man die stabilisierende Hilfsentladung
im rechten Augenblick abschaltet oder daß man durch Hilfselektroden einen Teil des
Entladungsraumes von der Hilfsentladung befreit
und damit eine Zone
schafft, in der die stabilisierende Wirkung fehlt.
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Der _ letzte Weg ist auch bei Einrichtungen der in den Fig. 3 und
6 dargestellten Art verwendbar.