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Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Bestrahlung von Objekten mit Elektronen, enthaltend einen ein bandförmiges Elektronenstrahlbündel liefernden Elektronenstrahlerzeuger und einen Ablenkelektromagneten mit einem Rahmenkern, der zwei Ablenkwicklungen besitzt, die an eine Gleichstromquelle angeschlossen sind.
Bei der Bestrahlung von Objekten mit Ladungsträgern, einschliesslich Elektronen, beispielsweise in Anlagen zur strahlungschemischen Bearbeitung von Werkstoffen, ist ein langgestrecktes Bestrahlungsfeld zu gewährleisten, dessen Länge mindestens der Breite des zu bestrahlenden Objekts gleich ist. Die Behandlung der gesamten Oberfläche des Objekts wird durch eine Fortbewegung des Objekts im Strahlenfeld auf seiner vollen Länge erzielt.
Um dem zu bestrahlenden Werkstoff homogene Eigenschaften auf allen Abschnitten seiner Oberfläche zu verleihen, muss das Bestrahlungsfeld ausserdem homogen sein, d. h. es muss eine gleichmässige Verteilung der Energie der Ladungsträger über die Oberfläche des zu bestrahlenden Objekts erzielt werden, damit die Ladungsträger in den Stoff des zu bestrahlenden Objekts auf gleiche Tiefe eindringen.
Weit bekannt sind Einrichtungen zur Bestrahlung von Objekten mit Elektronen, bei denen die Ausbildung langgestreckter Bestrahlungsfelder auf der Ablenkung des Elektronenstrahlbündels basiert, d. h. der Fortbewegung eines Elektronenstrahlbündels mit geringem Querschnitt über die zu bestrahlende Oberfläche mittels seiner Ablenkung durch ein zeitmoduliertes Feld, meistenteils ein Magnetfeld. Bei Einrichtungen solchen Typs hängt die maximale Breite des zu bestrahlenden Werkstoffs von der Grösse der Vakuumkammer der Einrichtung in Senkrechtrichtung ab. So muss beispielsweise zur Auslenkung des Elektronenstrahlbündels um 1 m die Grösse der Vakuumkammer in Senkrechtrichtung zirka 2 m betragen und bei einer weiteren Vergrösserung der Breite des zu bestrahlenden Werkstoffs wächst die Grösse der Anlage in Senkrechtrichtung erheblich.
Wenn aber die Grösse der Auslenkung des Elektronenstrahls bei Beibehaltung der Höhe der Vakuumkammer vergrössert wird, ergibt sich eine ungleichmässige Bestrahlung der Objekte in Breitenrichtung, weil der Auffallwinkel der Elektronen auf das Objekt in Grenzstellungen des Strahlenbündels sich erheblich von dem rechten Winkel unterscheidet, der der Elektronenbahn in Mittelstellung des Strahlenbündels entspricht.
Es ist eine Einrichtung zur Bestrahlung von Objekten mit Elektronen (DE-OS 2901056) bekannt, die einen Elektronenstrahlerzeuger, einen Ablenkelektromagnet mit einem Rahmenmagnetkern zum Werfen des Elektronenstrahlbündels auf das zu bestrahlende Objekt praktisch unter dem Winkel von 90 und eine Vakuumkammer zum Transport des Elektronenstrahlbündels von dem Elektronenstrahlerzeuger durch den Elektromagnet und weiter durch das Austrittsfenster der Vakuumkammer auf die Oberfläche des zu bestrahlenden Objekts enthält, wobei der Ablenkelektromagnet ausserhalb der Vakuumkammer angeordnet sein und sie umfassen oder sich im Inneren der Vakuumkammer befinden kann. Der Elektromagnet besitzt mehrere Wicklungen, die auf seinen Polen angeordnet und geometrisch gegeneinander entlang den Polen versetzt sind.
Die Elektromagnetwicklungen werden der Reihe nach über einen Schalter an die Speisequelle geschaltet, wodurch das Feld des Elektromagneten auf einer Linie fortwandert, die der Oberfläche des zu bestrahlenden Objekts äquidistant ist.
Die Einrichtung gemäss der genannten DE-OS 2901056 beseitigt die Nachteile, die den Einrichtungen eigen sind, in denen die Ablenkung des Elektronenstrahlbündels verwendet wird, u. zw. kann sie ein homogenes Bestrahlungsfeld mit praktisch beliebiger Ausdehnung ohne Vergrösserung der Höhe der Einrichtung infolge einer waagrechten Anordnung des Elektronenstrahlerzeugers und der Vakuumkammer gewährleisten. Aber der Wechselfeldbetrieb des Ablenkelektromagneten bedingt folgende Komplizierungen der Konstruktion der Einrichtung :
Im Ablenkelektromagnet muss ein geschichteter Eisenkern verwendet werden.
Es muss eine Schaltung zum Anschalten der Elektromagnetwicklungen an die Speisequelle mit entsprechender Steuerschaltung für den Schalter verwendet werden.
Bei der Anordnung des Ablenkelektromagneten ausserhalb der Vakuumkammer muss letztere entweder ausreichend dünne Wände (mit einer Dicke von 0, 3 bis 0, 5 mm) aus nichtrostendem Stahl besitzen, wobei die Wände der Vakuumkammer ähnlich wie Balgmembranen gewählt sein müssen, um die mechanische Steifheit der Kammer zu gewährleisten, oder aber die Wände der Kammer müs-
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sen aus Dielektrikum, beispielsweise aus Keramik, ausgeführt werden.
Bei der Anordnung des Ablenkelektromagneten im Inneren der Vakuumkammer muss eine nur sehr geringfügige Gasausscheidung im Innenraum der Vakuumkammer aus dem geschichteten Eisenkern des Elektromagneten und seinen Wicklungen gewährleistet werden, zu welchem Zweck das Verbacken der besagten Baugruppen in Epoxykompoundmassen bzw. andere Kompoundmassen mit mineralischen Füllstoffen und geringer Gasausscheidung verwendet wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zur Bestrahlung von Objekten mit Elektronen zu schaffen, in der der Elektronenstrahlerzeuger und der Ablenkelektromagnet derart ausgeführt sind, dass die Bauart der gesamten Einrichtung einfacher wird unter Aufrechterhaltung der gleichmässigen Bestrahlung planer Objekte mit beliebiger praktisch vorkommender Breite.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass bei der Einrichtung zur Bestrahlung von Objekten mit Elektronen, enthaltend einen ein bandförmiges Elektronenstrahlbündel liefernden Elektronen- strahlerzeuger und einen Ablenkelektromagneten mit einem Rahmenkern, der zwei Ablenkwicklungen besitzt, die an eine Gleichstromquelle angeschlossen sind, erfindungsgemäss der Ablenkelektromagnet ausgeprägte Pole mit rechteckigem Querschnitt aufweist, welche an den zur Ebene des Elektronenstrahlbündels parallelen Schenkeln des Rahmenkerns angeformt sind, wobei die Ablenkwicklungen die Seiten der Rechtecke der Pole umfassen und die über die Breite des zu bestrahlenden Objektes erstreckten, dem Elektronenstrahlerzeuger zugewandten Seiten der Rechtecke gegenüber den Bahnen des Elektronenstrahlbündels eine Neigung aufweisen.
Der zweipolige Ablenkelektromagnet mit Polen, deren Länge der Breite des zu bestrahlenden Objekts entspricht, und mit der angeführten Anordnung der Wicklungen in bezug auf die Pole, gewährleistet die Erzeugung eines homogenen und stationären Magnetfelds in der Apertur des Elektromagneten, wodurch sämtliche Elektronen im Elektronenstrahlbündel auf das zu bestrahlende Objekt unter einem gleichen Winkel abgelenkt werden, so dass das Bestrahlungsfeld über die gesamte Breite des zu bestrahlenden Objekts homogen ist.
Infolge der Neigung der Ebene des Elektro- magnet-Rahmenkerns gegenüber den Bahnen der Elektronen, die in das von dem Elektromagnet erzeugte Feld einfliegen, d. h. gegenüber der Längsachse des Elektronenstrahlerzeugers, wird das von dem Elektronenstrahlerzeuger gewährleistete bandförmige Elektronenstrahlbündel mit anfänglich kleiner Breite in ein Bündel mit grösserer Breite unter Aufrechterhaltung der homogenen Verteilung der Elektronen über den Bündelquerschnitt umgewandelt ; somit kann man bei annehmbarer Höhe der Einrichtung ein ausreichend gestrecktes Bestrahlungsfeld erzielen.
In der erfindungsgemässen Einrichtung wird der Aufbau einer Reihe von Baugruppen einfacher : Als Vakuumkammer kann eine dickwandige Vakuumkammer konventioneller Bauart verwendet werden, der Magnetkern des Ablenkelektromagneten kann massiv ausgeführt werden und die Speiseschaltung des Elektromagneten wird auch einfacher.
Aus der GB-PS Nr. 872, 518 ist eine Einrichtung zur Bestrahlung von Objekten mit Elektronen bekannt, bei der wie beim Erfindungsgegenstand eine Magneteinrichtung zum Ablenken des bandförmigen Elektronenstrahlbündels auf das zu bestrahlende Objekt vorhanden ist. Zum Unterschied von der bekannten Einrichtung ist beim Erfindungsgegenstand der ein bandförmiges Elektronenstrahlbündel liefernde Elektronenstrahlerzeuger und der Ablenkelektromagnet mit dem Rahmenkern so orientiert, dass die Bahnen des Elektronenstrahlbündels zur Ebene des Elektromagneten geneigt sind. Durch diese Ausbildung wird die Umformung des bandförmigen Bündels mit einer geringen Breite von 200 bis 300 mm in ein Bündel mit einer grossen Breite von 1 bis 1, 5 m ermöglicht, wobei dessen Gleichartigkeit über die gesamte Breite erhalten bleibt.
Dadurch wird ein derartiges Strahlenbündel zur Bestrahlung von gerollten Gütern, insbesondere von Textilbahnen, geeignet und es hat sich gezeigt, dass die Höhe der erfindungsgemässen Einrichtung die Anlagenhöhe bei der herkömmlichen Abtastung, die bei chemischen Bestrahlungsvorgängen eine breite Verwendung findet, um das 3-bis 4-fache unterschreitet. Durch die geringe Höhe der erfindungsgemässen Einrichtung wird deren Einsatz für Textilbahnen bei gewöhnlicher Höhe der Produktionshalle ermöglicht.
Bei der bekannten Einrichtung wird das Strahlenbündel abgelenkt, ohne breitenmässig umgeformt zu werden, da der Elektronenstrahlerzeuger und der Elektromagnet auf einen senkrechten Eintritt des Strahlbündels in das Polsystem abgestellt sind. Bei der bekannten Einrichtung wird
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darüber hinaus ein Hufeisenmagnet verwendet, der kein homogenes Feld mit ausreichender Ausdehnung sicherzustellen vermag.
An Hand der Zeichnungen wird die Erfindung beispielsweise näher erläutert. Es zeigt Fig. 1 die erfindungsgemässe Einrichtung zur Bestrahlung von Objekten mit Elektronen, eine Seitenansicht mit einem Teilschnitt durch die Vakuumkammer und den Ablenkelektromagneten ; Fig. 2 eine Draufsicht der in Fig. 1 gezeigten Einrichtung ; Fig. 3 eine der Ausführungsvarianten des Elektronen-
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mittels eines Flansches --5-- an der Vakuumkammer --3-- festgemacht ist. Unter dem Austrittsfenster --4-- ist das zu bestrahlende Objekt --6--, beispielsweise eine Folie, ein Lacküberzug bzw. ein Gewebe, angeordnet.
Erfindungsgemäss gewährleistet der Elektronenstrahlerzeuger--1auf die eine bzw. andere Art, wie nachstehend ausgeführt wird, die Erzeugung eines bandförmigen Elektronenstrahlbündels--7--, d. h. eines Bündels, bei dem die Grösse seines Querschnitts in einer Richtung ein Vielfaches der Grössen dieses Querschnitts in andern Richtungen darstellt ; in Fig. 1 liegt der grössere Durchmesser des Elektronenstrahlbündels in der Ebene der Zeichnungen, und der kleinere fällt mit der Richtung zusammen, die senkrecht zur Ebene der Zeichnungen ist.
In Fig. 1 ist der Elektronenstrahlerzeuger --1-- schematisch dargestellt, d. h. die Bauelemente des Elektronenstrahlerzeugers, mit deren Hilfe die Bildung des bandförmigen Elektronenstrahlbündels erzielt wird, sind nicht gezeigt, und das Bündel --7-- selbst ist mit geringfügiger Strahlenverbreitung in der Senkrechtebene dargestellt, was dem allgemeinsten Fall der Bildung der Elektronenstrahlbündel, darunter auch der bandförmigen Strahlbündel, bei denen die natürliche Verbreitung nicht beseitigt ist, oder aber die Ablenkung um einen kleinen Winkel (+5 ) des fokussierten Elektronenstrahlbündels entspricht.
Die Einrichtung enthält auch einen Ablenkelektromagnet --8-- mit einem Rahmenkern --9--, der die Vakuumkammer --3-- umfasst und die Aufgabe hat, das von dem Elektronenstrahlerzeuger - gelieferte Elektronenstrahlbündel auf das Objekt --6-- unter einem Winkel von 90 zu werfen. Erfindungsgemäss ist der Ablenkelektromagnet --8-- derart angeordnet, dass die Bahnen der Elektronen auf dem Abschnitt vom Elektronenstrahlerzeuger-l-bis zum Ablenkelektromagnet - zur Ebene des Rahmens seines Magnetkerns --9-- geneigt sind. Der Ablenkelektromagnet - besitzt zwei Pole --10 und 11-- (Fig. 2), die entlang der Längsseiten des Magnetkerns - angeordnet sind, und zwei Wicklungen --12 und 13--, die die Pole --10 bzw. 11-- umfassen und elektrisch in Reihe und gleichsinnig untereinander verbunden sind.
Die Wicklungen --12 und 13-- sind an eine Gleichstromquelle --14-- (Fig. 1) angeschlossen. Die Länge der Pole --10 und 11-- (Fig. 2) ist etwas grösser als die maximale Breite, die das zu bestrahlende Objekt --6-besitzen darf.
In Fig. 3 ist eine der Ausführungsvarianten der erfindungsgemässen Einrichtung dargestellt, wobei der Ablenkelektromagnet --8-- als ein Rechteck eingezeichnet ist, das den Bereich des von dem Elektromagnet aufgebauten Magnetfelds begrenzt, dessen Feldlinien senkrecht zur Ebene der Zeichnungen verlaufen und mit Kreuzen bezeichnet sind. Nach dieser Ausführungsvariante der Erfindung enthält der Elektronenstrahlerzeuger --1-- eine Elektronenkanone --15-- mit einer längsgestreckten Glühkathode --16--, die mit Heizstrom über Klemmen --17-- versorgt wird. Die Elektronenkanone --15-- ist im Inneren einer Hochspannungselektrode --18-- installiert, die mit einer Beschleunigungsröhre --19-- gekoppelt und elektrisch über einen Durchführungsisolator
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beispielsweise Transformatoröl, gefüllt ist.
Die Beschleunigungsanordnung der Beschleunigungsröhre --19--, die aus Elektroden --23-und Isolatoren --24-- besteht, weist im Querschnitt, der zum Bündel --7-- senkrecht ist, eine derartige Gestaltung auf, dass sie die Beschleunigung des von der längsgestreckten Kathode --16--
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erzeugten bandförmigen Elektronenstrahlbündels --7-- mit praktisch parallelen Elektronenbahnen gewährleistet.
In Fig. 4 ist eine andere Ausführungsvariante der erfindungsgemässen Einrichtung gezeigt, in der der Elektronenstrahlerzeuger --1-- eine Elektronenkanone --25-- mit einer spitzen Kathode - und eine Beschleunigungsröhre mit einer derartigen Gestaltung von Beschleunigungs- elektroden --28-- und Isolatoren --29-- enthält, die die Beschleunigung des im Querschnitt fokussierten Elektronenstrahlbündels gewährleistet, das von der spitzen Kathode --26-- erzeugt wird. Anders gesagt, stellt die Beschleunigungsröhre --27-- im vorliegenden Fall eine Röhre dar, die zum weitverbreiteten Typ der Röhren mit Beschleunigungs-Ringelelektroden und Isolatoren gehört, die in der Beschleunigungstechnik vielfach verwendet werden.
Zur Vereinfachung der Zeichnungen sind ein Teil der Vakuumkammer --3--, der Ablenkelektromagnet --8-- und das zu bestrahlende Objekt in Fig. 4 nicht gezeigt.
Der Elektronenstrahlerzeuger-l-enthält auch einen Kondensorelektromagneten --30--, der auf der Elektronenleiteinrichtung --2-- installiert ist, und einen Korrektionselektromagneten - -31--, der in Laufrichtung der Elektronen hinter dem Kondensorelektromagneten --30-- angeordnet ist. Die Wicklungen --32-- des Kondensorelektromagneten --30-- sind an einen Ablenkstromgenerator --33-- angeschlossen.
Der Korrektionselektromagnet --31-- besitzt zwei Paar-34 und 35-- keilförmiger Pole, wobei die Wicklungen --36 und 37-- des Korrektionselektromagneten --31-- elektrisch in Reihe und gegeneinander geschaltet und an eine Gleichstromquelle --38-- angeschlos-
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Austritt aus der Beschleunigungsröhre --27-- sind.
Die erfindungsgemässe Einrichtung funktioniert wie folgt.
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(Fig. l)quelle --14-- durch die Wicklungen --12 und 13-- des Ablenkelektromagneten --8-- fliesst, wird in dem Raum zwischen den Magnetpolen ein stationäres homogenes Magnetfeld aufgebaut, dessen Feldlinien die Vakuumkammer --3-- in Richtung, die senkrecht zur Ebene des Elektronenstrahl- bündels --7-- ist, durchstossen. Die Richtung der Feldlinien des von dem Ablenkelektromagneten - aufgebauten Felds ist in Fig. 2 mit Pfeilen gekennzeichnet.
Die in dieses Feld einfliegenden Elektronen bewegen sich auf einer Kreisbahn, deren Radius durch die Energie der Elektronen und die magnetische Feldstärke bestimmt wird, und werden von ihren anfänglichen Laufbahnen in Richtung auf das zu bestrahlende Objekt --6-- abgelenkt, wobei die Homogenität der Verteilung der Elektronen über den Querschnitt des Bündels --7-- der Homogenität ihrer Verteilung im anfänglichen bandförmigen Elektronenstrahlbündel gleich bleibt, das im Elektronenstrahlerzeuger --1-- gebildet worden ist.
Durch entsprechende Regelung des Erregerstroms, der in den Wicklungen --12 und 13-- des Ablenkelektromagneten --8-- fliesst, wird bei vorgegebener Breite seiner Pole --10 und 11-- (Fig. 2) und vorgegebener Energie der Elektronen gewährleistet, dass die mittigen Laufbahnen im in Fig. 1 dargestellten Bündel --7-- auf das zu bestrahlende Objekt --6-- unter dem Winkel von 900 gerichtet werden.
Es ist augenscheinlich, dass die Verbreitung der Elektronen im Bündel --7-- auch nach ihrer Ablenkung durch den Ablenk- elektromagneten --8-- fortbesteht, wodurch die im Bündel --7-- äusseren Elektronen auf das zu bestrahlende Objekt schräg auftreffen werden, da aber die Verbreitung der Elektronenlaufbahnen im Bündel 5'nicht überschreitet, ist der Schrägungswinkel klein und wirkt sich praktisch auf die Gleichmässigkeit der Bestrahlung des Objektes nicht aus. Aus diesem Grunde kann mit für die Praxis ausreichender Genauigkeit angenommen werden, dass die Elektronen auf das zu bestrahlende Objekt --6-- unter dem Winkel von 90 gerichtet werden.
Infolge der Ablenkungen der Elektronanbahnen durch den Ablenkelektromagneten --8-- erfolgt eine Vergrösserung der Breite des bandförmigen Strahlbündels --7-- von einer relativ geringen Breite, die durch die konstruktiven Eigenschaften der Bauelemente des Elektronenstrahlerzeugers - begrenzt ist, bis auf die Breite des zu bestrahlenden Objekts --6--.
Bei der in Fig. 3 gezeigten Ausführungsvariante der Einrichtung erzeugt der Elektronenstrahl-
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erzeuger --1-- ein bandförmiges Elektronenstrahlbündel --7-- mit praktisch parallelen Elektronenlaufbahnen, wobei die Breite des Elektronenstrahlbündels --7-- der Länge der Kathode --16-- gleich ist. In diesem Falle weisen sämtliche Elektronenlaufbahnen die gleiche Neigung in bezug auf die Aperturebene des Ablenkelektromagneten --8-- auf und werden gleichartig auf das Objekt abgelenkt.
Die in Fig. 4 gezeigte Einrichtung funktioniert in gleicher Weise. Der Unterschied liegt nur
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jeden Paar --34 und 35-- der Pole des Korrektionselektromagneten --31-- wird ein stationäres Magnetfeld erzeugt, dessen Stärke zur Bündelmittel abnimmt, wobei die Richtung der Feldlinien des Magnetfeldes zwischen den Polen --34-- der Richtung der Feldlinien zwischen den Polen --35-entgegengesetzt ist.
Dank einer solchen Form des Magnetfelds des Korrektionselektromagneten --31-werden die von der Bündelmitte weiterentfernten Elektronen von dem Korrektionselektromagneten --31-- um einen grösseren Winkel abgelenkt, und die auf entgegengesetzten Seiten bezüglich der Bündelmitte liegenden Elektronen werden nach entgegengesetzten Richtungen abgelenkt, wodurch die Laufbahnen sämtlicher Elektronen nach Passieren des Korrektionselektromagneten --31-einander und der anfänglichen Laufbahn der Elektronen beim Austritt aus der Beschleunigungsröhre - parallel werden.
Die Erfindung kann in der Strahlenchemie bei Anlagen für verschiedenartige technologische Abläufe eingesetzt werden. Zu solchen Abläufen gehören Bearbeitung von Polymerisationsfolien, Lacküberzügen, Textilien. Die Erfindung gewährleistet die Herstellung einer Anlage mit günstigen Gewicht und Abmessungen, wodurch es möglich gemacht wird, einen örtlichen biologischen Strahlenschutz aufzubauen, der zur Konstruktion der Anlage gehört, wobei eine solche Anlage ohne jegliche Spezialmassnahmen in Produktionsräumen aufgebaut werden kann, wo nicht strahlenchemische Prozesse durchgeführt werden.
Die Erfindung unterscheidet sich vorteilhaft von bekannten Einrichtungen mit derselben Bestimmung durch die Kombination solcher Eigenschaften, wie einfache Bauart und geringe Höhe, was den Betrieb der Einrichtung wesentlich vereinfacht. Die erfindungsgemässe Einrichtung ist imstande, beliebige Objekte mit praktisch vorkommender Breite mit zu praktischen Zwecken ausreichender Konstanz der Strahlendosis zu bestrahlen.