Elektronenstrahlröhren

Demonstrationspraktikum
Elektronenstrahlröhren
Florian Wetzel
Elektronenstrahlröhren Lernziele: - Umgang mit Hochspannung
- Darstellung von Kennlinien
- Helmholtzspulen
- Umgang mit Regeltransformatoren
- Demonstrationsoszillograph
Versuche: • Anschluss verschiedener Elektronenstrahlröhren
• Ablenkung des Strahles im E- und B- Feld
• Wien‐Filter mit e/m Bestimmung
• Elektronenbeugungsröhre • Kennliniendarstellung einer Diode (und Triode)
• Unterschied zwischen Vakuum‐ und gasgefüllter Triode (nicht durchgeführt!) Allgemeine Tipps zum Arbeiten mit Elektronenstrahlröhren Kathodentyp
direkt beheizt („Haarnadelkathode“)
indirekt beheizt
-
Geräte potenzialfrei halten (nicht an ein definiertes Potenzial, wie z.B. Erde anschließen)
Hochspannung! Kabel sind nicht feldfrei – daher Berührung der Kabel mit Geräten und
anderen Kabeln vermeiden
Geräte in Betriebsreihenfolge einschalten (Heizspule, Kathoden/Anodenspannung, …)
Ein Knattern ist ein Indiz dafür, dass sich irgendwelche Bauteile noch berühren und
Spannung an falschen Stellen abfällt.
Achtung beim Benutzen von Spartrafos! – Leiter/Nullleiterstellung des Netzsteckers
überprüfen:
Dazu Spannung zwischen einer Gehäuseschraube (Masse) und jeweils einer der zwei
Buchsen messen – dabei zunächst den Spartrafo auf 0V einstellen und während dem
Messen aufdrehen.
Mögliche Messergebnisse:
U zwischen Masse und…
Material
Wolfram
Bariumoxid
… Buchse 1
konstant 0V
konst. max.V
… Buchse 2
0 … max.V
max. … 0V
1
Netzstecker drehen!
Demonstrationspraktikum
Elektronenstrahlröhren
Florian Wetzel
Anschluss verschiedener Elektronenstrahlröhren Aufbau einer Elektronenstrahlröhre:
Funktionsweise einer Elektronenstrahlröhre:
Elektronen in einem Festkörper befinden sich in verschiedenen Energieniveaus innerhalb
eines Potenzialtopfs. Bei 0 K sind die Niveaus von unten an voll besetzt – das oberste Niveau
in dem sich noch Elektronen befinden, bezeichnet man als Ferminiveau.
Je höher die Temperatur ist, desto wahrscheinlicher wird es, dass die Vollbesetzung der
unteren Niveaus „aufbricht“ und auch obere Niveaus besetzt sind. Daher wird die Kathode
direkt oder indirekt beheizt. (in der Regel: UHeizkathode= 6,3 kV)
Durch den Potenzialabfall zur Anode hin, entsteht ein Potenzialwall, der ab einer gewissen
Energie der an der Kathode austretenden Elektronen überwunden werden oder aber auch
von Elektronen auf niedrigeren Niveaus mit einer bestimmten Wahrscheinlichkeit
„durchtunnelt“ werden kann.
Durch den extremen Potenzialabfall von der Kathode zur Anode hin (ca. 1-3 kV) werden die
Elektronen stark in Richtung der Anode beschleunigt. Allerdings treten auch in beliebige
Richtungen Elektronen aus der Kathode aus. Um den Elektronenfluss in Richtung der Anode
zu maximieren, verwendet man einen Wehneltzylinder, der um die Kathode gestülpt wird
und mit einem offenen Ende zur Anode zeigt.
Dieser wird auf das Potenzial der Kathode gelegt und hat daher ein starkes negatives
elektrisches Feld. Das Innere eines Wehneltzylinders ist wie in einem Faradayschen Käfig
feldfrei. Treten die Elektronen am Ende des Zylinders jedoch aus (auf den sie durch den
Potenzialabfall zur Anode hingezogen werden), so erfahren sie das elektrische Feld, welches
sie bündelt. Um den Elektronenstrahl auf dem Schirm jedoch scharf sehen zu können (z.B.
durch Fluoreszenz), benötigt man noch eine Elektronenlinse.
Diese lenkt den Strahl, wie auf obiger Skizze zu sehen entsprechend ab, wobei das negative
Potenzial an das Kathodenpotenzial und das positive Potenzial an das Anodenpotenzial
angelegt wird.
Bei evakuierten Elektronenstrahlröhren möchte man die Haltbarkeit durch möglichst geringe
Restmengen an Sauerstoff maximieren. Um eine Oxidierung der Bauteile auszuschließen,
sieht man an mehreren Stellen am Glaskolben silbrige Flächen aus Titan.
Dieses befindet sich während der Evakuierung noch an kleinen Ringen, die man auch später
noch erkennen kann. Nach der Evakuierung bestrahlt man diese mit Mikrowellen, die
Kreisströme in den Ringen erzeugen, wodurch starke Hitze entsteht, die das Titan
verdampfen (bei ca. 1800°C) und anschließend an den Glaswänden wieder erstarren lässt.
2
Demonstrationspraktikum
Elektronenstrahlröhren
Florian Wetzel
Anschluss einer Lumineszenzröhre
Die von uns verwendete Lumineszenzröhre1 war eine Fluoreszenzröhre. In ihrem Inneren
befindet sich ein Schirm aus verschiedenen Materialien, die in unterschiedlichen Farben
fluoreszieren.
Da der Schirm dauerhaft mit Elektronen beschossen wird, muss dafür gesorgt werden, dass
diese wieder abfließen. Je mehr Elektronen sich noch auf dem Schirm befinden, desto mehr
Elektronen-Elektronen-Stöße finden statt, die Fluoreszenz verhindern.
Um für einen Abfluss der Elektronen zu sorgen, muss der Schirm mit einem positiveren
Potenzial verbunden werden, wie z.B. mit Masse oder der Anode, wobei sich letztere
aufgrund des größeren Potenzialabfalls weitaus besser eignet.
Bei richtigem Anschluss der von uns verwendeten Lumineszenzröhre leuchtet diese in
folgenden Farben (von oben nach unten): blau, rot, golden
1
Lumineszenz ist der Überbegriff für verschiedene Effekte, bei denen aufgrund von Energiesprüngen von
Elektronen Licht bestimmter Wellenlängen entsteht.
Bei der Fluoreszenz werden Elektronen kurzfristig angeregt und fallen sofort wieder auf ihre ursprünglichen
Energieniveaus, wodurch zeitgleich zur Anregung Licht ausgesandt wird.
Bei der Phosphoreszenz werden Elektronen angeregt und verweilen über einen gewissen Zeitraum in einem
Metazustand, von denen sie nach einer gewissen Zeit auf ihre ursprünglichen Energieniveaus fallen. Somit wird
auch nach der Anregung noch Licht ausgesandt. (vgl. Leuchtsterne in Kinderzimmern)
Die Biolumineszenz ist eine chemische Reaktion, die nach ähnlichem Schema Licht aussendet.
3
Demonstrationspraktikum
Elektronenstrahlröhren
Florian Wetzel
Ablenkung des Strahles im E‐ und B‐ Feld In Elektronenstrahlröhren können Elektronen mithilfe von Magnetfeldern abgelenkt werden.
(vgl. Fernseher)
Um einen Zusammenhang zwischen der Beschleunigungsspannung
(blauer Stromkreis),
der Spannung an einem senkrecht zum Elektronenstrahl angebrachten Kondensator
(grüner Stromkreis) und der Ablenkung der Elektronen in diesem Magnetfeld zu bestimmen,
variiert man die Spannungen derart, dass die Ablenkung konstant bleibt.
/ 1,4
2,0
2,6
3,2
/ 1,2
1,7
2,2
2,62
/
0,85
0,84
0,84
0,82
Spannungsverhältnis
UC /kV
3
UC = 0,79 UB
2
1
UB /kV
0
0
1
2
An diesen Messergebnissen kann man durchaus eine Proportionalität erkennen.
4
3
4
Demonstrationspraktikum
Elektronenstrahlröhren
Florian Wetzel
Wien‐Filter mit e/m Bestimmung Helmholtzspulen sind zwei zueinander parallel aufgestellte Spulen. Durch die Überlagerung
der beiden Felder entsteht in einem gewissen Abschnitt zwischen den Spulen ein
homogenes Magnetfeld.
Beim Anschließen der Spulen muss auf die maximale Stromstärke geachtet werden. Schaltet
man die Spulen parallel, so teilt sich die Stromstärke in die beiden Spulen auf, so dass die
Stromquelle die doppelte Stromstärke liefern darf wie die angegebene.
Stellt man die Helmholtzspulen an eine Elektronenstrahlröhre mit einem lumineszierenden
Schirm, auf dem sich der Verlauf des Elektronenstrahls verfolgen lässt, so sieht man, dass die
Helmholtzspulen einem anliegenden Magnetfeld entgegenwirken.
Bei Aufbau der Helmholtzspulen mit einer weiteren Elektronenstrahlröhre, die in einem
bestimmten Winkel eine Markierung hat und sich damit als Wien-Filter2 einsetzen lässt, kann
eine e/m-Bestimmung durchgeführt werden.
2
2
2
2
33,8 10
2
1,5
6,2
0,25
1,357 10
0,14
(Literatur: 1,7588 10
4
10
)
2
Wien Filter: Nach Wilhelm Wien benannter Geschwindigkeitsfilter, der nur Teilchen mit einer bestimmten
Geschwindigkeit durchlässt.
5
Demonstrationspraktikum
Elektronenstrahlröhren
Florian Wetzel
Elektronenbeugungsröhre Eine Elektronenbeugungsröhre besteht aus einer Kathode und einer Gitteranode, an der die
Elektronen gebeugt werden (Æ Wellencharakter von Elektronen). Bei einer
Beschleunigungsspannung von 2,6 kV erhält man ein sehr schönes Beugungsmuster auf dem
integrierten Schirm am Glaskolben.
6
Demonstrationspraktikum
Elektronenstrahlröhren
Florian Wetzel
Kennliniendarstellung einer Diode Die Kennlinie einer Diode erhält man indem Stromstärke gegenüber der Spannung
aufgetragen wird. Dies lässt sich sehr gut mit einem Oszilloskop erstellen. Da allerdings die
an einer Elektronenröhre anliegende Spannung für gewöhnliche Oszilloskope zu hoch ist,
muss ein Spannungsteiler eingebaut werden.
I
Da ein Oszilloskop nur Spannungen messen
kann, müssen wir auch anstelle des Stroms
K
A
eine Spannung messen und diese mittels
10 kΩ
wieder umwandeln. Da unser Versuch
U
jedoch nur qualitativ ist, reicht uns die
Proportionalität
aus.
Für
quantitative
Versuche ist ein 1Ω-Widerstand sehr hilfreich,
1 MΩ
10 MΩ
da bei der Umrechnung die Zahlenwerte
gleich bleiben und sich lediglich die Einheit
~
ändert.
(Achtung! Oszilloskop misst Spannung immer bezüglich der Masse! – Daher muss immer ein
Punkt im Stromkreis auf Masse gelegt werden3!)
Auf dem Oszilloskop erkennt man eine Kennlinie, die sich einem Sättigungswert annähert.
Dieser hängt lediglich von der Heizspannung ab. Ab einem gewissen Punkt können einfach
nicht mehr Elektronen aus der Kathode gelöst werden, da die Austrittsarbeit für die
angelegte Heizspannung zu groß wird.
3
Ein ungeerdeter Stromkreis kann stets an einem beliebigen Punkt geerdet werden, ohne dass dies den
Stromkreis beeinträchtigt! Die Spannung, die über einem Stromkreis abfällt ist lediglich eine Potenzialdifferenz,
kein Fixpunkt! Anschaulicher wird dies wohl mit Längenangaben. z.B. der Abstand 1m ist immer nur eine
Differenz zwischen zwei Punkten. Diese kann ich zusammen frei im Raum verschieben, 1m bleibt 1m, auch
wenn ich einen der Punkte „erde“, bzw. auf den Meeresspiegel lege.
7