DE883938C - Elektronen-Entladungseinrichtung - Google Patents
Elektronen-EntladungseinrichtungInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf Elektrodensysteme für Elektronen-Entladungseinrichtungen, insbesondere
auf Elektrodensysteme zur Erzeugung konzentrierter Elektronenstrahlen, welche in Kathodenstrahlröhren
u. dgl. Verwendung finden können, nach Patent 862 640.
Zu einer befriedigenden Wirkungsweise solcher Elektronen-Entladungseinrichtungen
ist es erforderlich, daß ein großer Teil der Elektronen, die von der Elektronenquelle
ausgehen, innerhalb des Strahls konzentriert wird und daß diese Elektronen gleiche Wege.
durchlaufen, so daß sie leicht beeinflußt werden können. Der Entwurf von Elektrodensystemen zur Erzeugung
derartiger Strahlen beruhte bisher in der Hauptsache auf Erfahrung und auf ziemlich mangelhafter
theoretischer Analyse.
Insbesondere hat man den Anteil der Raumladung entweder völlig vernachlässigt oder nur nebensächlich
behandelt, wobei man wohl im Hochspannungsgebiet und für kleine Raumladungsfelder in der Praxis genügend
genaue Ergebnisse erhielt. Bei Elektronen-
Emissionseinrichtungen genügen derartige Voraussetzungen
nicht mehr, und die" praktischen Ergebnisse weichen beträchtlich von den in der Theorie vorausgesagten
Ergebnissen ab, wenn nicht die Raumladung in Rechnung gesetzt wird.
Gegenstand der Erfindung ist es, diese Schwierigkeiten zu beseitigen und ein Verfahren zur Herstellung
von Elektronen-Emissionseinrichtungen mit einer genau vorauszusehenden Wirkungsweise zu schaffen.
Die Elektronen-Entladungseinrichtung nach dem Patent 862 640 besteht aus einer Elektronen-Emissionsfläche
und einem Paar Elektroden, die in Achsrichtung mit dieser Fläche liegen und mit Mittelbohrungen versehene
gegenüberstehende, schalenförmige Flächen besitzen, die derart ausgebildet und in einem solchen Abstand
angeordnet sind, daß bei vollständiger Raumladung an allen Punkten in dem Strahl die Komponente
des elektrischen Feldes, die zu einer Normalen der Emissionsfläche senkrecht steht, im wesentlichen Null ist.
Das Potential an jeder Normalen zu der Emissionsfläche
ändert sich mit dem Abstand von dieser Fläche, wenigstens für einen, wesentlichen Teil des Abstandes
zwischen der Emissionsfläche und der am weitesten entfernten Elektrode in einer vorausbestimmten Art,
beispielsweise so, wie sich das Potential zwischen unendlichen parallelen und ebenen oder zwischen konzentrischen
zylindrischen Elektroden ändert. Als Ergebnis der Erfindung wird der Aufbau von Elektronen-Emissionseinrichtungen
nach dem Patent 862 640 weiter ausgebildet und vereinfacht, wobei gleichzeitig ihr
Wirkungsgrad vergrößert wird und ihre Form genau errechnet werden kann.
Erfindungsgemäß sollen die gegenüberliegenden Flächen der beiden Elektroden Äquipotentialbündeln
eines Feldes entsprechen, welches der Gleichung von Laplace zwischen den gegenüberliegenden Flächen
entspricht, und in welchen das Potential längs einer Linie normal zur Emissionsfläche über einen wesentlichen
Teil des Abstandes zwischen dieser Fläche und der am weitesten von ihr entfernten Elektrode variiert,
und zwar in Übereinstimmung mit einer bekannten Lösung der Raumladungsgleichung für geradlinige Bewegung
von Elektronen, beispielsweise zwischen unendlichen parallelen Ebenen oder konzentrischen
Zylindern.
Eine Elektronen-Emissionseinrichtung, die eine flache Schicht von Elektronen ergibt, kann aus einer
ebenen Kathode mit einer schalenförmigen, unmittelbar von der Kathode ausgehenden Elektrode bestehen,
die einen Winkel von etwa 67,5° mit der Normalen zur Kathodenfläche bildet, während eine zweite gewölbte
Elektrode, die in einem Abstand von der Kathode und in Achsrichtung zu ihr angeordnet ist, eine Oberfläche
aufweist, welche der Gleichung -~ = (cos4'3 Θ) —*'*
entspricht, wobei D den Abstand zwischen der Emissionsfläche und der zweiten Elektrode und r und Θ
Polarkoordinaten darstellen.
Für eine Elektronen-Emissionseinrichtung, die einen Elektronenstrahl mit zylindrischer oder konischer Begrenzungsfläche
erzeugen soll, sind die zusammenwirkenden Flächen der beiden in Achsrichtung mit der
Kathode liegenden Elektroden Rotationsflächen, In einer Abart, welche insbesondere für schnelle Herstellung
bestimmt ist, sind die Elektrodenflächen so ausgebildet, daß die Erzeugende der einen Fläche eine
Gerade und die Erzeugende der anderen Fläche eine Gerade und ein Kreisbogen sind.
Da in manchen Fällen die zur Bestimmung der Elektrodenform erforderliche mathematische Analyse ausserst
verwickelt ist, kann die gewünschte Form empirisch mit Hilfe eines elektrolytischen Gefäßes bestimmt
werden. Bei diesem Verfahren werden zwei formbare Metallstreifen, die nach den Erzeugenden der Elektrodenflächen
gebildet sind, und ein Isolationsstreifen in .einen Elektrolyten getaucht, der sich in einem Behälter
mit schrägem, isolierendem Boden befindet, wobei die Streifen an dem Gefäßboden in der gleichen
Weise angeordnet werden, wie die Elektroden mit Bezug auf den Elektronenstrahl angebracht werden
sollen und wobei der Isolationsstreifen die Strahlbegrenzungsfläche
darstellt. Alsdann wird eine Spannung an die Metallstreifen gelegt, die alsdann' verformt
werden, bis das Potential an dem Isolationsstreifen in der gewünschten Weise abweicht.
Durch die nachfolgende Beschreibung und durch die Zeichnungen wird eine genauere Erläuterung der Erfindung
gegeben:
Fig. ι ist eine perspektivische Darstellung einer Elektronenstrahl-Entladungseinrichtung
gemäß einer Aus- go führung nach der Erfindung, wobei ein Teil des Mantels
herausgebrochen ist, um den Elektrodenaufbau deutlicher zu zeigen;
Fig. 2 ist eine graphische Darstellung der Gestalt der
Erzeugenden einer Anzahl von Elektrodenflächen in einem Elektrodensystem gemäß der Erfindung, das zur
Erzeugung einer parallelen geradlinigen Bewegung der Elektronen in einer Elektronenstrahl-Entladungseinrichtung
dient ;
Fig. 3 ist eine vergrößerte Teilansicht einer Elektronen-Emissionseinrichtung
im Schnitt;
Fig. 4 ist eine weitere graphische Darstellung der Gestalt von Erzeugenden für Elektrodenoberflächen in
einem Elektrodensystem nach der Erfindung, das zur Erzeugung eines konvergierenden Elektronenstrahls
dient, in welchem die Elektronen geradlinige Wege durchlaufen;
Fig. 5 ist ein Schnitt durch ein Elektrodensystem mit Elektroden, deren gegenüberliegende Flächen
durch Erzeugende der Form in Fig.4 gebildet sind;
Fig. 6 ist die perspektivische Ansicht eines Apparates zur Bestimmung der erforderlichen Form eines
Elektrodensystems nach der Erfindung, zusammen mit einer schematischen Darstellung des zugehörigen elektrischen
Stromkreises;
Fig. 7 ist ein vergrößerter Schnitt einer weiteren Elektronen-Emissionseinrichtung und
Fig. 8 die Draufsicht eines Apparates zur Bestimmung
der Form von Elektrodenflächen gemäß Fig. 7.
Die Elektronen-Entladungseinrichtung der Fig. 1 besteht aus einem evakuierten Rohr 10 mit den vom
Stiel χι getragenen Elektroden, der in den Preßteil 12
ausläuft, in welchem die Einführungsleitungen befestigt
sind.
Der Elektrodenaufbau mit der Kathode, der Modulationselektrode 17, der Anode 18, den beiden Ab-
■lenkungsplatten 19, 20 und der Scheibe 21 wird
zwischen den Isolationsständern 13 getragen, die an starren Drähten 14 befestigt sind, welche von der an
den Stiel 11 angeklemmten Metallhülse 16 gehalten
werden.
Die im Hauptpatent beschriebenen Einrichtungen erzeugen sämtlich eine dünne flache Schicht von Elektronen.
In vielen Fällen, beispielsweise in Kathodenstrahlröhren, ist ein Elektronenstrahl mitkreisförmigem
Querschnitt erwünscht, welcher auf einen Brennpunkt gebracht werden kann; in diesem Falle wird die
Strahlbegrenzungsfläche zylindrisch oder konisch. In den Fig. 3 und 5 sind Elektronen-Emissionseinrichtungen
zur Erzeugung derartiger Strahlen dargestellt.
In der Fig. 3 besteht die Elektronen-Emissionseinrichtung aus einer indirekt geheizten Kathode mit
dem Heizelement 56, der Kappe 54 und der Grundfläche 55, die mit einem Emissionsstoff überzogen ist.
Die Elektrode 52 besteht aus zwei abgestumpften Kegeln 52° und 52δ, mit ungleichen Winkeln. Die Oberfläche
57 der Elektrode 53, welche der Elektrode 52 gegenüberliegt, ist gewölbt. Die Gestalt dieser Elektroden,
welche dazu dienen, die Elektronen, die von der Fläche 55 der Kathode ausgehen, in einen parallelen,
geradlinigen Strahl zu bringen, wird später noch beschrieben.
Die Elektronen-Emissionseinrichtung der Fig. 5 ist ■geeignet, einen konvergierenden Elektronenstrahl zu
erzeugen. Sie besteht hauptsächlich aus den gleichen Elektroden der Fig. 3, die jedoch eine abweichende
Form und Oberflächengestaltung besitzen. Die Elektronen-Emissionsfläche 150 des Kathodenteils 140 ist
nach Art eines Kugelsegmentes geformt. Die strahlformende Elektrode 120 ist mit einer gewölbten Fläche
i20a, I2O6 versehen, während die andere Elektroden
eine Fläche 170 besitzt. Diese Flächen weisen eine besondere Form auf, die noch später beschrieben wird.
Die Elektrode 130 hat auch zwei gleichachsige zylindrische
Bohrungen 180, 190, die durch eine gedrosselte Öffnung 200 in Verbindung stehen.
Im wesentlichen können die Felder, welche zur Erzeugung einer geradlinigen Bewegung der Elektronen
innerhalb einer zylindrischen oder konischen Begrenzung erforderlich sind, nach bekannten Lösungen der
Raumladungsgleichungen bestimmt werden, für welche die Gleichung von Po iss on und die Bewegungsgesetze
von Newton anzuwenden sind, wobei lediglich die elektrostatischen Kräfte in Rechnung gesetzt werden.
Die Bedingung für den gewünschten geradlinigen Elektronenfluß innerhalb des Strahls ist, daß die Felder
außerhalb des Elektronenstroms die Gleichung von Laplace erfüllen und mit der Lösung der Raumladungsgleichungen
innerhalb des Strahls übereinstimmen, und zwar über das zylindrische oder konische Strahlbündel, wobei das Feld außerhalb
des Strahls spannungsmäßig dem Feld innerhalb des Strahls entspricht und einen Nullgradienten
senkrecht zur Begrenzungsfläche des Strahls auf-
fio weist.
Für den FaIJ einer parallelen Elektronenbewegung zwischen zwei Äquipotentialgrenzen, z. B. Elektronenflächen,
kann bei der Annahme eines Elektronenflusses in Richtung ζ die Gleichung von Poisson folgendermaßen
geschrieben werden:
δ2 ψ
δ ζ2
δ ζ2
P0 /2—■
ψ m
ψ m
δχ
(ι)
(2)
Hierbei bedeutet φ das Potential gegenüber der Elektronennullgeschwindigkeit,
/ die Stromdichte, P0 die Dielektrizitätskonstante eines Vakuums, e die Elektronenladung,
m die Elektronenmasse und x, y die Richtungen senkrecht zu der Richtung des Elektronenflusses
und der gegenseitigen Richtung.
In dem Falle eines derartigen parallelen Elektronenflusses in einem Strahl von konstantem gleichförmigem
Querschnitt zwischen zwei gegenüberliegenden Äquipotentialflächen, wobei der Fluß zu der Achse der
Flächenrichtungen parallel ist, muß das Feld außerhalb des Strahls eine axial-symmetrische Lösung der Gleichung
von Laplace sein, welche über das Strahlbündel die Bedingungen erfüllt:
= f{z)
δφ
lh
= 0.
(3)
(4)
Hierbei bedeutet ζ den Abstand längs des Strahls, f (z)
eine Lösung der Gleichung (1) und r den Abstand senkrecht zu dem Strahlbündel.
Wenn φ = O und
oz
= O bei ζ — O ist, ent-
sprechend dem durch die Raumladung bestimmten Fluß von der Kathode bei ζ = O, so stellt sich die
genaue Lösung der Gleichung (1) folgendermaßen dar:
(5)
wobei
A=
V 2,33
In einer Elektronen-Emissionseinrichtung zur Erzeugung eines konvergierenden Elektronenstrahls mit
konischer Zone muß das Feld außerhalb des Strahls eine axial-symmetrische Lösung der Gleichung von
Laplace sein, für welche der Potentialgradient senkrecht
zu der konischen Strahlbegrenzungsfläche Null ist und das Potential längs der Strahlbegrenzungsfläche
sich mit einer Lösung der Raumladungsgleichungen für geradlinige Elektronenbewegung zwischen konzentrischen
Kugeln ändert. Die erforderliche Potentialänderung längs des Strahlbündels kann durch die Beziehung
ausgedrückt werden:
(6)
wobei = ( * V
\ 29,34· ίο"6/
\ 29,34· ίο"6/
i bedeutet den Strom zwischen vollkommen konzentrischen Kugeln und α2 eine Funktion des Verhältnisses
— ; r ist die Entfernung der Emissionsfläche der Ka-
thode vom Krümmungsmittelpunkt und r0 der Halbmesser
der Kathode. Die besonderen Werte von α2 kann man auf bekanntem Wege erhalten.
In beiden Fällen der erwähnten Elektronenbewegung, also in den Fällen der parallelen, geradlinigen
ίο ■ und der konvergierenden Strahlen hängt die Potentialänderung
längs des Strahlbündels von der Form der Emissionsfläche der Kathode und von den gegenüberliegenden
Flächen der strahlformenden Elektroden ab. Die -Bestimmung der erforderlichen Form mit Hilfe
einer Lösung der Raumladungsgleichungen ist sehr verwickelt und führt nur zu mehr oder weniger mangelhaften
Annäherungen an das Optimum. Gemäß der Erfindung wird dagegen die Bestimmung der erforderlichen
Elektrodenform wesentlich erleichtert.
Es wird hervorgehoben, daß in den beiden angeführten
Fällen der Strahl und die Elektrodenflächen der Emissionseinrichtung Rotationsflächen sind. Daher
wird jeder Sektor des Feldes, der von Ebenen durch die Symmetrieachse und die Elektrodenflächen begrenzt
ist, die Felder zwischen den Elektroden kennzeichnen.
Ein Apparat zur Bestimmung der erforderlichen Elektrodenform, gemäß der Erfindung ist in Fig. 6
dargestellt und besteht aus einem Gefäß 62 mit dem schrägen Boden 63 aus Isolationsmaterial. Das
Gefäß enthält einen Elektrolyt 64, z. B. Wasser. Auf der schrägen Fläche 63 ist ein geradliniger Isolationsstreifen
65 mit mehreren parallelen Leitern 66 angebracht. An dem Isolationsstreifen 65 sind zwei
biegsame Metallstreifen 67, 68 befestigt, die in Schlitzen des Isolationsstreifens angebracht sind.
Wie in Fig. 6 dargestellt, wird eine Spannung an die Metallstreifen 67, 68 gelegt, und zwar durch einen
Oszillator 69, an dessen Klemmen ein geeichtes Potentiometer 70 angeschlossen ist. Eine Anzeigevorrichtung,
z. B. ein Telephonempfänger 71, ist mit einem Schleifkontakt des Potentiometers 70 verbunden
und kann an jeden einzelnen Leiter 66 angeschlossen werden.
Der Isolationsstreifen 65 stellt das Strahlbündel in
einem Elektrodensystem dar, dessen Symmetrieachse A-A durch den Rand des Elektrolyts 64, d.h. also
durch die Wasserlinie auf der schrägen Fläche 63, gebildet wird. Die Metallstreifen 67 und 68 bilden
die gegenüberliegenden Flächen der Elektroden 52
und 53.
Insofern als die schräge Fläche 63 aus Isolationsmaterial besteht, ist kein Potentialgradient in dem
Elektrolyt senkrecht zu dieser Fläche oder zu der Fläche des Elektrolyts vorhanden. Da gleichfalls
der Streifen 65, der das Strahlbündel darstellt, aus Isolationsmaterial besteht, ist kein Potentialgradient
senkrecht zu dieser Fläche vorhanden. Mithin ergibt sich, daß die beiden Bedingungen erfüllt sind, nämlich
—- = -^- = O gemäß der Gleichung (2) bzw. (4), die
für das Entstehen eines Feldes' erforderlich sind, Welches in einem geradlinigen Elektronenfluß auftritt.
Das Potential, das dem Stromfluß in einem gleichförmigen Elektrolyt zugeordnet ist, genügt der Gleichung
von Laplace und erfüllt daher auch die Bedingung, daß das Potential außerhalb des Strahls
ebenfalls der Gleichung von Laplace genügen muß. Mithin bleibt nur noch übrig, die Elektrodenform
zu bestimmen, welche sich bei der vorgeschriebenen Potential verteilung längs des Strahlbündels
ergibt.
Die erforderliche Potentialverteilung längs des Strahlbündels kann nach den Gleichungen (5) und (6)
bestimmt werden. Die Elektrodenform, welche für die Entstehung dieser Potentialverteilung erforderlich
ist, kann alsdann durch Biegen oder Verformen der Streifen 67, 68 und durch Spannungsmessung an den
Leitern 66 bestimmt werden. Die passende Verteilung wird man erhalten, wenn die Streifen 67, 68 eine solche
Form besitzen, daß das Potential an jedem Leiter 66 dem besonderen Potential angepaßt ist, welches durch
das geeichte Potentiometer 70 angegeben wird. Das Anzeigen kann hierbei durch das Abhören eines Tonzeichens
in dem Empfänger 71 erfolgen.
Die erforderlichen Elektrodenflächen werden dann durch Rotationsflächen gebildet, deren Erzeugende
der Form der Streifen 67, 68 entspricht, die in der beschriebenen Art bestimmt ist, und zwar entsprechend
der vorgeschriebenen Potentialverteilung längs des Isolationsstreifens 65.
Es sei hervorgehoben, daß bei der Bestimmung der erforderlichen Elektrodenform für eine Elektronen-Emissionseinrichtung
zur Erzeugung eines parallelen, geradlinigen Strahls der Isolationsstreifen 65 parallel
zu der Wasserlinie oder der Symmetrieachse A-A angebracht wird. Bei der Bestimmung der erforderlichen Elektrodenform für eine Elektronen-Emissionseinrichtung
zur Erzeugung eines konvergierenden Elektronenstrahls wird der Streifen 65 derart angebracht,
daß eine Fortsetzung seiner Fläche, welche das Strahlbündel darstellt, die Achse A-A in dem
Krümmungsmittelpunkt der Emissionsfläche 150 (Fig. 5) der Kathode schneidet und mit der Achse
einen Winkel bildet, welcher dem Winkel des konisehen Strahlbündels in dem einzelnen Fall entspricht.
Die Form der Elektrodenfläche ändert sich naturgemäß
mit dem von dem konischen Strahlbündel eingeschlossenen Winkel. .
Es sei erwähnt, daß die Form der Elektrodenfläche von dem Potential und dem Abstand abhängig ist,
die beide durch Bedürfnisse des praktischen Aufbaues und Betriebes bestimmt werden. Indessen ist diese
Form unabhängig von der absoluten Größe des eingeschlossenen Potentials und von der Einheit, in
welcher der Abstand gemessen wird. Die Elektrodenform für jedes gewünschte Potential und jeden
Elektrodenabstand kann in der oben beschriebenen Weise bestimmt werden.
Eine Anzahl geeigneter Erzeugender für verschiedene Elektrodenflächen zur Erzeugung eines parallelen
Elektronenstrahls sind in Fig. 2 dargestellt. Bei einer solchen Einrichtung ist es zweckmäßig, zwei strahlformende
Elektroden zu verwenden, von denen die eine (52) Kathoden- oder Nullpotential und die andere
(53) ein positives Potential φ0 oder einen Bruchteil
von ψ υ mit Bezug auf die Kathode besitzt. In Fig. 2
sind die Ordinaten als Verhältnis — aufgetragen, wobei
r den Abstand von der Strahlachse und r0 den HaIbmesser
der Emissionsfläche 55 der Kathode darstellt.
Die Abszissen sind nach dem Verhältnis — aufgetragen,
wobei ζ die Entfernung längs des Strahls von der Kathode bedeutet.
In Fig. 2 ist die Linie 0 die Erzeugende der Fläche 52°, 52b der Elektrode 52 in Fig. 3, wenn die Elektrode
52 mit Null- oder Kathodenpotential betrieben wird. Es sei hervorgehoben, daß der Teil 52" dieser
Erzeugenden eine gerade Linie darstellt, welche mit der Normalen zur Kathodenfläche 55 einen Winkel
von 67,5° bildet. Diese Beziehung hat sich als notwendig herausgestellt, damit der Elektronenfluß senkrecht
zur Kathodenfläche 55 in der Nähe ihres Randes ist. Eine zufriedenstellende Elektronen-Emissionseinrichtung
erhält man, wenn die Erzeugende des Teiles 52* der Fläche der Elektrode 52 eine Gerade ist,
die mit der Normalen zu der Kathodenfläche 55 einen Winkel von 74° 5' bildet. Obgleich bei einer genauen Bestimmung
der Form für die Elektrodenflächen 52", 52*
festgestellt wird, daß die Erzeugende nicht genau aus zwei geraden Linien zusammengesetzt ist, so kann die
Abweichung von dieser Genauigkeit bei Verwendung einer Erzeugenden der durch die Linie ο in Fig. 2 dargestellten
Form, praktisch vernachlässigt werden.
Die Fläche 57 der Elektrode 53 ist eine Rotationsfläche, die durch Kurven gemäß A1-Ai in Fig. 2 erzeugt werden, wobei in den einzelnen Fällen die verwendete Kurve von der relativen Größe des Potentials abhängig ist (<p0 oder der angegebene Teil hiervon in Fig. 2), das auf die Elektrode 53 zur Anwendung kommen soll.
Die Fläche 57 der Elektrode 53 ist eine Rotationsfläche, die durch Kurven gemäß A1-Ai in Fig. 2 erzeugt werden, wobei in den einzelnen Fällen die verwendete Kurve von der relativen Größe des Potentials abhängig ist (<p0 oder der angegebene Teil hiervon in Fig. 2), das auf die Elektrode 53 zur Anwendung kommen soll.
Charakteristische Erzeugende für die Elektrodenflächen, von denen die eine Nullpotential und die
andere positives Potential besitzen, sind für eine 4.0 Elektronen-Emissionseinrichtung gemäß Fig. 5 zur
Erzeugung eines konvergierenden Elektronenstrahls in Fig. 4 dargestellt. In dieser Figur, welche die
Erzeugenden für eine Elektroden-Emissionseinrichtung zur Herstellung eines Strahls mit konischer
Begrenzung veranschaulicht, dessen Elemente einen Winkel von 14° mit der Symmetrieachse des Elektronensystems
bilden, bedeutet r0 den Krümmungsradius der Kathodenfläche 150 und D die axiale Entfernung
zwischen der Kathodenfläche 150 und der Fläche 170, welche die Achse schneidet. Naturgemäß
hängt die Form der Erzeugenden von dem Winkel des gewünschten konischen Strahlbündels ab.
In beiden Fällen, d. h. also bei parallelen und konvergierenden Elektronenstrahlen, übt die Öffnung in
der positiven Elektrode 52 bzw. 120, in welche der Strahl eintritt, auf den Strahl die Wirkung einer
divergierenden Linse aus. Die Größe der Divergenzwirkung kann aus der Formel für die Brennweite
einer durch eine gleichförmige Öffnung gebildeten Linse errechnet werden, nämlich
f =
4V
(7) wobei E1 und E2 die Felder an den beiden Seiten der
Öffnung und V das Potential an der Öffnung darstellen.
Im Falle eines parallelen Elektronenstrahls, der durch Elektroden mit Flächen gemäß den Formen
der Fig. 2-hervorgerufen wird, sind das Potential und das Feld auf der linken Seite (in Fig. 2) der Öffnung
in der Elektrode 53 durch die Gleichung (5) gegeben. Auf der rechten Seite der Öffnung kann der Raum
praktisch als feldfrei bezeichnet werden. Mithin wird die Brennweite der durch die Öffnung geformten Linse
(bei D als Wert von ζ an der Öffnung) betragen
-4 Ψ
■i AD'h
3
3
(8)
Insofern, als die Elektronenbahnen zwischen der Kathode und der Öffnung parallel sind, ist die Brennweite
unmittelbar nach dem Durchtritt durch die Öffnung gleich der Brennweite f. Mithin divergieren
die Elektronenbahnen jenseits der Öffnung von einem Punkt im Abstand 3 D hinter der Öffnung oder 2 D
von der Kathodenfläche.
Im Falle eines "konvergierenden Strahls kann die Brennweite jenseits der Öffnung aus der Gleichung (8)
bestimmt werden, wobei für φ und φ' die Werte aus go
einer Darstellung von -ψ nach -^- erhalten werden.
Wenn der Strahl das Ende der Öffnung 180 nach der Kathodenfläche
150 zu erreicht, konvergiert er nach dem Krümmungsmittelpunkt der Kathode zu in einem gs
Abstand r0 — D = ra. Nach dem Durchtritt durch
die Öffnung konvergiert der Strahl auf einen Punkt in der Entfernung la jenseits der Öffnung, wobei la
durch die Beziehung gegeben ist
(9)
Der Kreuzungspunkt liegt auf einer Entfernung la
jenseits des Einlaßendes der Öffnung oder auf den Abstand I = la -f- D von der Kathode.
Es sei erwähnt, daß genaue Ergebnisse für die Brennlänge aus der oben gegebenen Gleichung nur
erhalten werden, wenn der Abstand zwischen Kathode und Elektrode 130 das Mehrfache des Durehmessers
der Öffnung 180 beträgt.
Es sei auch ferner hervorgehoben, daß für einen
Wert von — = 0,29 der von der Öffnung ausgehende
Strahl im wesentlichen parallel ist.
Obwohl Elektronen-Emissionseinrichtungen mit bisher zwei strahlformenden Elektroden beschrieben
worden sind, können derartige Einrichtungen auch für mehr als zwei Elektroden hergestellt werden, und
wenn die Elektrode 52 nach der Beschreibung auch Kathodenpotential besitzen soll, so ist es möglich,
auch ein veränderliches Potential zur Anwendung zu bringen, um den Elektronenstrahl zu modulieren.
Eine weitere Bauart von Elektronen-Emissionseinrichtungen, die zur Erzeugung eines konischen,
konvergierenden Strahls geeignet sind, ist in Fig. 7 veranschaulicht. Sie besteht aus zwei Ringträgern 76, yy,
welche mit einem Isolationsring 78 durch starre Drähte 79 mechanisch verbunden sind und in einem
festen Abstand gehalten werden. Der Ringträger 76 ist in einer Rille in dem zylindrischen Teil 74 der
ersten strahlformenden Elektrode befestigt, welche mit einer Ringfläche 80 von bogenförmigem Querschnitt
versehen ist, die über dem Rand des einen Endes der Kathode angeordnet ist.
Die Kathode besteht aus einem gewölbten Teil 73·,
einem zylindrischen Teil 81, der auf dem Ringträger 76 aufsitzt und an ihm sowie an dem zylindrischen Teil
der Elektrode 74 befestigt ist. Sie besteht ferner aus dem Glühfaden 82, der in Isolationsmaterial 83 eingebettet
und in der Nähe der Endwandung 73 der Kathode angeordnet ist, wobei die Fläche 73* dieser
Wandung mit einem Elektronen-Emissionsmaterial bedeckt ist. Die Zuführungsleiter 84 für den Glühfaden
82 sind teilweise von einer Isolationshülse 85 umgeben. Der Faden 82 und die Isolation 83 können
hierbei von einem schalenförrnigen Abschlußglied 86 getragen werden, das an der zylindrischen Wandung 81
befestigt ist.
Zwischen dem Ringträger 76 und dem Abschlußglied
86 befinden sich zwei gewölbte Ablenkungsplatten 87 aus Metall, welche dazu dienen, die vom
Faden 82 erzeugte Hitze zurückzuhalten und hier- - durch einen hohen · Kathodenwirkungsgrad sicherzustellen. Die Ablenkungsplatten sind an der Isolationshülse
85 angebracht und durch einen Metallring 88 im Abstand gehalten, an welchem sie auch
befestigt sind.
Starre Träger, z. B. Drähte 89, gehen von dem Ringträger 76 aus und sind an einer der Ablenkungsplatten
87 befestigt.
Die strahlformende Elektrode 74 besitzt einen zylindrischen Teil, der an dem Ringträger j6 befestigt
und mit in Achsrichtung symmetrischen Flächen 74°
und 74s von noch zu beschreibender Gestalt versehen ist.
Die strahlformende Elektrode 75 ist gleichachsig zu der Kathode 73 und der Elektrode 74 durch eine
ringförmige Metallplatte 90 gehalten, welche von einem Metallzylinder 91 getragen wird, der an dem
Ringträger 77 befestigt ist.
Zur Erzeugung des gewünschten konvergierenden Elektronenstrahls ist die Emissionsfläche 73° der
Kathode nach einem Kugelsegment gebildet, und die Flächen 74", 74s und 75a, 75* besitzen eine derartige
Form und gegenseitige Beziehung, daß alle Elektronen,
die von der Fläche 73° ausgehen, geradlinige
Bahnen durchlaufen, welche nach einem Punkt auf der Achse A-A in der Richtung der Elektroden der
Elektronen-Emissionseinrichtung konvergieren.
In diesem Falle kann die erforderliche Potentialveränderung
längs des Strahlbündels durch die Gleichung
ausgedrückt werden, wobei φ das Potential, K eine
Konstante und α2 eine Funktion von — darstellen.
■ ν
r ist der Abstand vom Krümmungsmittelpunkt der Emissionsfläche 73° der Kathode und r0 der Krümmungshalbmesser
dieser Emissionsfläche. Die Konstante K kann durch die Beziehung ausgedrückt
werden:
κ
β
29,34 · io
wobei i den zwischen zwei konzentrischen Kugeln fließenden Strom darstellt. Die Werte von α2 für die
einzelnen Werte von — werden in bekannter Weise r
bestimmt.
Die Form der Flächen 74", 74* und 75°, 75s können
mit Hilfe des oben beschriebenen elektrolytischen Behälters 92 mit dem Elektrolyten 93, z. B. Wasser,
bestimmt werden. Wie in Fig. 8 dargestellt, ist die Wasserlinie auf dem schrägen Boden mit A-A bezeichnet
und entspricht der Achse der Elektronen-Emissionseinrichtung. Der Isolationsstreifen 94 stellt
die Begrenzung des Elektronenstrahls dar und ist derart angebracht, daß er mit der Achse A-A einen
Winkel bildet, der gleich ist jenem Winkel, den die
Elemente des konischen Strahlbündels mit der Achse der Einrichtung bilden.
Wie 'oben beschrieben, wird die Form der Elektroden
durch Änderung der Form der Metallstreif en 96, 97 festgestellt, bis das Potential längs des Isolationsstreifens 94 sich in der vorgeschriebenen Weise ändert,
was an den Leitern 95 gemessen wird. Die Elektroden
74, 75 werden alsdann so ausgebildet, daß die Erzeugenden der gegenüberliegenden Flächen die
Form und gegenseitige Beziehung der Streifen 96, 97 besitzen.
Es wird betont, daß diese gegenüberliegenden Flächen eine Anzahl von Formen besitzen, von denen
die meisten verhältnismäßig verwickelt sind. Gemäß der Erfindung erhalten indessen diese Flächen eine
solche Gestalt, daß ihre Erzeugenden aus geraden Linien oder aus geraden Linien und Kreisbögen
bestehen.
Im vorliegenden Falle wurde festgestellt, daß die für eine geradlinige Elektronenbewegung erforderlichen Felder entstehen, wenn die Fläche 730 ein
Kugelsegment darstellt, die Elektrode 74 mit Kathodenpotential, die Elektrode 75 mit positivem Potential
gegenüber der Kathode arbeitet und die Erzeugenden der Flächen 74", 74* und 75 b gerade Linien und die
Erzeugende der Fläche 75° einen Kreisbogen bilden, uo
Mit einer besonderen Ausführungsform, bei welcher der eingeschlossene Winkel des Strahlbündels 84°
beträgt und sich das Potential längs des Strahlbündels
nach der Gleichung (6) für einen Wert von — = 1,88
ändert, bilden die Flächen 73" und 75™ Segmente
konzentrischer Kugeln. Die Elemente des abgestumpften Kegels 74° liegen unter einem Winkel von
67,5° zur Normalen x-x der Emissionsfläche 73® an
ihrer Peripherie, und es sind die Flächen 74s und 75* iao
ringförmig, wobei ihre Ebenen senkrecht zur Symmetrieachse A-A stehen.
Claims (7)
- PaTENTANSPBÜCHE:i. Elektronen-Emissionseinrichtung nach Patent 862640, dadurch· gekennzeichnet, daß diegegenüberliegenden Flächen der beiden Elektroden Äquipotentialbündeln eines Feldes entsprechen, welches der Gleichung von Laplace zwischen den gegenüberliegenden Flächen entspricht, und in S welchen das Potential längs einer Linie normal zur Emissionsfläche über einen wesentlichen Teil des Abstandes zwischen dieser Fläche und der am weitesten von ihr entfernten Elektrode variiert, und zwar in Übereinstimmung mit einer bekannten ίο Lösung der Raumladungsgleichung für geradlinige Bewegung von Elektronen, beispielsweise zwischen unendlichen parallelen Ebenen oder konzentrischen Zylindern.
- 2. Einrichtung nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die gegenüberliegenden Flächen der Elektroden Rotationsflächen darstellen.
- 3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Emissionsfläche ein Kugelsegment darstellt und die bekannte Lösung der Raumladungsgleichung für geradlinige radiale Bewegung der Elektronen zwischen konzentrischen Kugeln bestimmt ist.
- 4. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die gegenüberliegenden Flächen der Elektroden Kegelstumpfflächen sind.
- 5. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Erzeugende der einen von den gegenüberliegenden Flächen eine gerade Linie und die Erzeugende der anderen Fläche eine gerade Linie und einen Kreisbogen darstellen.
- 6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Emissionsfläche konkav ist und die beiden Elektroden die Elektronen von der Emissionsfläche in konvergierende geradlinige Bahnen mit einem konischen Bündel konvergieren, längs dessen das Potential im wesentlichen nach der Beziehung Φ = K (α2)"!- variiert, wobei K eine Konstante, α2 eine bekannte Funktion von—5-, rQ den Krümmungsradius der Emissionsflächeund r den Abstand vom Krümmungsmittelpunkt der Emissionsfläche darstellt.
- 7. Einrichtung nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Form der Fläche der Elektroden mit Hilfe eines elektrolytischen Behälters bestimmt wird, wobei zwei verformbare Metallstreifen, deren Schnitte die Erzeugenden der Elektrodenflächen darstellen, und ein Isolationsstreifen in einen Elektrolyt getaucht werden, der sich in dem mit schrägem isolierendem Boden versehenen Behälter befindet, und wobei die Metallstreifen an dem Behälterboden in der gegenseitigen Lage aufgestellt werden, in welcher die Elektroden mit Bezug auf den Elektronenstrahl angebracht werden, und wobei ferner der Isolationsstreifen das Strahlbündel darstellt, während ein Potential an die Metallstreifen gelegt wird, welche so lange verformt werden, bis das Potential längs des Isolationsstreifens in der gewünschten Weise variiert.Hierzu 2 Blatt Zeichnungen© 5334 8.
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