DE1121747B - Verfahren zur Herstelung einer gleichmaessigen Verteilugn der Energiedichte in einem pulsierenden Strahl geladener Teilchen - Google Patents

Description

DEUTSCHES

PATENTAMT

ANMELDETAG: 22. MÄRZ 1960

BEKANNTMACHUNG DER ANMELDUNG UNDAUSGABE DER AUSLEGESCHRIFT: 11. J A N U A R 1962

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Beschleunigung geladener Teilchen innerhalb einer luftleeren Röhre und zur Aussendung dieser Teilchen durch ein Fenster in Form eines Strahles, der auf irgendwelche Gegenstände, die innerhalb des Strahlweges liegen, aufprallt und diese Teile bestrahlt. Insbesondere betrifft die Erfindung Mittel und eine neue Technik, um den Strahl im Bereich des Fensters abzulenken, um die bestmögliche Energieverteilung innerhalb des bestrahlten Bereiches zu erreichen.

Die Grundzüge der Erfindung sind für zahlreiche Beschleuniger brauchbar, durch die entweder positiv oder negativ geladene Teilchen beschleunigt werden. Aus Gründen der Einfachheit wird aber in der vorliegenden Erfindung vornehmlich ein Elektronenstrahlgenerator beschrieben.

Elektronenstrahlgeneratoren enthalten in den meisten Fällen eine lange isolierende, evakuierte Röhre, in der die Elektronen mit Hilfe eines Potentialgefälles das zwischen einer an dem einen Ende befindlichen Elektronenkanone, die eine heiße Emitterkathode besitzt, und einer am anderen Ende befindlichen Anode herrscht, beschleunigt werden. Die Anode enthält ein elektronendurchlässiges Fenster, das der Strahl der Röhre durchtritt und dadurch auf die Substanz treffen kann, die bestrahlt werden soll. Der Strahl wird in der Röhre fokussiert, so daß sich im Fensterbereich ein Strahldurchmesser von etwa 1 cm ergibt, wobei sich dieser Durchmesser in der Atmosphäre vergrößert, da die Elektronen durch das Fenster zerstreut werden und auf atmosphärische Gasteilchen auftreffen. Die Elektronendichte ist jedoch immer im Bereich der Mittellinie des Strahles am größten und schwächt sich zum äußeren Rand des Strahles immer mehr ab.

Der Elektronenstrom bzw. die Dichte dieses Stromes ändert sich aber nicht nur, je weiter man sich vom Innern des Strahles entfernt. Die verschiedenen Elektronen unterscheiden sich auch durch ihren Gehalt an Bewegungsenergie. Diese Energieunterschiede resultieren aus Veränderungen der Beschleunigungsspannung. Ein Gegenstand, der einer Elektronenbestrahlung ausgesetzt wird, wird infolgedessen ungleichmäßig ionisiert bzw. bis zu ungleichmäßigen Tiefen durchdrungen.

Um die Unterschiede in der Energie der Teilchen eines Elektronenstrahles auszugleichen, ist bereits vorgeschlagen worden, den Elektronenstrahl in zwei aufeinander senkrechte Richtungen abzulenken, und zwar durch bekannte elektrostatische oder elektromagnetische Ablenkmittel. In einigen Generatoren, in denen der Strahl pulsiert und bei denen die

Verfahren zur Herstellung einer gleichmäßigen Verteilung der Energiedichte in einem
pulsierenden Strahl geladener Teilchen

Anmelder:

General Electric Company,
Schenectady, N. Y. (V. St. A.)

Vertreter: Dr.-Ing. W. Reichel, Patentanwalt,
Frankfurt/M., Parkstr. 13

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 23. März 1959 (Nr. 801 320)

Richard Harold Arndt, Milwaukee, Wis. (V. St. A.), ist als Erfinder genannt worden

Beschleunigungsspannung sich sinusförmig mit der Dauer der einzelnen Impulse ändert — wie dies beispielsweise der Fall ist, wenn ein Resonanz-Transformator als Quelle der Beschleuniger verwendet wird — ist es üblich, ein Ablenkfeld zu erzeugen, das den Strahl so beeinflußt, daß sein Durchströmungspunkt, bei Ablenkung in der einen Richtung, immer von der gleichen Stelle des Fensters ausgeht und auch wieder zu dieser Stelle zurückkehrt. Es ist üblich, einen gleichartigen Impuls dann zu bilden, wenn die Ablenkspannung wieder denselben Wert besitzt, und diesen Impuls wieder zu beenden, wenn die Ablenkspannung erneut den betreffenden Wert einnimmt.

Wenn die Ablenkspannung sinusförmig ist, wird bei bekannten Einrichtungen versucht, einzelne Impulse in Koinzidenz mit den linearen Teilen der Sinuswelle zu bringen, die beispielsweise dann vorhanden sind, wenn man vom positiven in den negativen Bereich der Sinuswelle übergeht. Dies hat den Zweck, den Strahl mit einer nahezu linearen Geschwindigkeit oder mit einer gewissen Verzögerung gegen das Ende des Strahles zu zu bewegen. Dies erreicht man durch Festlegung der Strahlfrequenz und durch eine Phasenverschiebung der Impulse, in der Weise, daß diese etwas verlängert werden, solange die Ablenkspannung sich im Bereich des kurvenförmigen Teiles

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der Sinuswelle, also etwa in der Kuppe dieser Welle, befindet. Es entsteht dadurch eine solche Elektronenverteilung innerhalb des Fensters, daß der gewöhnliche Abfall an Intensitätsdichte am Beginn und am Ende jedes Impulses kompensiert wird.

Für bestimmte Anwendungsgebiete ist es durchaus ausreichend, wenn der Elektronenstrahl immer in demselben Pfad innerhalb des Fensters geführt wird und dies mit einer linearen Geschwindigkeit. Für andere Fälle ist dies aber mit zu großen Nachteilen verbunden, weil die maximale Strahldichte und die schwache Beschleunigungsspannung sich immer dann einstellen, wenn sich der Strahl innerhalb des Fensters in der jeweils gleichen Stellung befindet. Dadurch kann es nämlich zu einem Überheizen und oft zu einer Zerstörung des Fensters kommen, wie auch zu einer Überdosierung hinsichtlich der Substanz, die bestrahlt werden soll, nämlich dann, wenn immer an derselben Stelle die Stromdichte ihr Maximum erhält. Andere Teile der Substanz werden hingegen wieder unterdosiert, so daß sich keine gleichmäßige Bestrahlung ergibt. Die schwachen Bestrahlungszonen bestimmen den höchstdurchlässigen Strom für das Fenster und damit auch die Leistung des gesamten Generators. Sie bestimmen außerdem die Kühlungsmenge, die dem Fenster zugeführt werden muß, sowie die durch das Fenster bedingten Energieverluste.

Infolgedessen ist es ein erstes Ziel der vorliegenden Erfindung, daß ein Strahlgenerator geschaffen wird, der bei einer gegebenen Eingangsleistung eine bestmögliche Bestrahlung einer Substanz ergibt.

Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, einen Strahlgenerator zu schaffen, der ein Ablenksystem enthält, durch das die eine hohe und niedrige Intensität besitzenden Strahlenzonen über die gesamte ausnutzbare Fläche innerhalb des Fensters verteilt werden mit dem Erfolg, daß sich hinsichtlich der zu bestrahlenden Substanz eine sehr gleichförmige Ionisation ergibt.

Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht in der Schaffung eines Strahlgenerators mit Ablenkorganen, der sich durch eine verhältnismäßig einfache Steuerung auszeichnet und der alle bisher notwendigen Vorrichtungen entbehrlich macht, um die einzelnen Impulse des Strahles mit der Ablenkspannung in Phase zu bringen.

Diese Merkmale und andere noch besonders beachtenswerte Gegenstände der Erfindung werden im Verlauf der nachfolgenden Beschreibung erkenntlich werden.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer gleichmäßigen Verteilung der Energiedichte in einem pulsierenden Strahl geladener Teilchen der längs eines elektronendurchlässigen Fensters einer zeitabhängigen Beschleunigungsspannung ausgesetzt ist und der durch sich periodisch mit der zeitabhängigen Beschleunigungsspannung wiederholende, etwa die gleiche Teilchendichte aufweisende Pulsgruppen gebildet und durch ein elektrisches oder magnetisches Feld abgelenkt wird.

Dies wird dadurch erreicht, daß das ablenkende Feld asynchron zur Pulsfrequenz verläuft und innerhalb einer bestimmten stets wiederkehrenden Zahl von aufeinanderfolgenden Strahlpulsen zu Beginn jedes Pulses eine andere Amplitude besitzt, so daß die Strahlpulse durch ihren zeitlichen Einsatz, ihren maximalen Energieinhalt und ihr jeweiliges Ende aufeinanderfolgend jeweils andere Punkte des Fensters belasten, wenn der Strahl während jedes Pulses längs des Fensters abgelenkt wird.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird an Hand der Zeichnung dargestellt. In dieser zeigt

Fig. 1 die schematische Wiedergabe eines nach dem Resonanz-Transformator-Typ aufgebauten Elektronenstrahlgenerators, der mit den erfindungsgemäßen Mitteln ausgestattet ist,

Fig. 2 einen Teilausschnitt entlang der Linie 2-2 der Fig. 1 mit Teilen der Anode und des Elektronendurchlaßfensters einer Elektronenstrahlgeneratorröhre sowie mit den Materialien, die bestrahlt werden sollen,

Fig. 3 eine Ansicht des den Elektronenstrahl durchlassenden Fensters, wobei durch eine gestrichelte Linie angezeigt ist, in welcher Weise sich der Elektronenstrahl entlang des Fensters bewegt,

Fig. 4, ähnlich der Fig. 3, eine Ansicht des Fensters, jedoch wird hier mit Hilfe einer gebrochenen Linie gezeigt, wie sich der Elektronenstrahl quer zu dem Fenster bewegt,

Fig. 5 ein Diagramm, aus dem die Beziehung zwischen der Beschleunigungsspannung, den Stromimpulsen und der mit der Zeit sich ändernden Stromdichte hervorgeht, wenn der Strahl längs des Fensters geführt wird,

Fig. 6 eine Darstellung der Wege des Strahles längs des Fensters während nachfolgender Ablenkvorgänge in Verbindung mit der vorliegenden Erfindung und

Fig. 7 die Veränderungen der Beschleunigungsspannung und der Elektronenstrahldichte in bezug auf die jeweilige Stellung des Elektronenstrahles in dem Fenster, wenn die bisher übliche lineare Ablenkungstechnik verwendet wird.

Fig. 1 zeigt einen Elektronenstrahlgenerator, durch den die im obigen beschriebene, erstrebte Energieverteilung innerhalb des Strahles in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung erreicht wird. Dieser Elektronenstrahlgenerator enthält eine evakuierte Röhre 10, in welcher die Elektronen sehr stark beschleunigt werden. Die Röhre ist so ausgelegt, daß zwischen ihren einander entgegengesetzten Enden eine Durchschlagsfestigkeit von 1 Million Volt und darüber hinaus besteht. Er enthält außerdem eine Mehrzahl gläserner Ringe 11, die miteinander in einem gewissen Abstand durch dazwischenliegende metallische Abstandhalter 12 verbunden sind und ist an seinem oberen Ende durch eine die Kathode tragende Anordnung abgeschlossen. Diese besteht aus einer fokussierenden Elektronenkanone 13 mit einer heißen Kathode 14 und einem Steuergitter 15. Durch die vakuumdichten Isolatoren 17 sind Drähte 16 geführt, um den Heizstrom der Kathode 14 zuzuleiten.

Am anderen Ende ist die Röhre 10 durch einen Metallring 18 abgeschlossen, mit dem ein rundes Metallrohr 9 verbunden ist, an das sich ein nach unten öffnender Ansatz 20 anschließt. Dieser konische Ansatz 20 endet in einem weiteren Ansatz 21, der durch ein Elektronendurchlaßfenster 22 abgeschlossen ist, das gewöhnlich aus sehr dünnem Titan, Aluminium oder einem anderen Metall niedrigen Atomgewichtes besteht. Die in diesem letzteren Absatz beschriebenen Teile bilden die Beschleunigungsanode, und sie sind, wie bei der Bezugszahl 23 erkannt werden kann, für gewöhnlich geerdet und damit auf Nullpotential gegenüber dem Potential der Kathode 14 gebracht. Durch diese Vorrichtung erhält

der als gestrichelte Linie dargestellte Elektronenstrahl eine so große Energie, daß er das Fenster 22 durchdringen kann, um einen Gegenstand 25 zu bestrahlen, der auf das Förderband 26 unterhalb des Fensters aufgebracht ist.

Die Beschleunigungsspannung für die Elektronen wird der Hochspannungssekundärwicklung 30 des Resonanztransformators 31 entnommen. Die Sekundärwicklung 30 ist für gewöhnlich rund um die Beschleunigungsröhre 10 angeordnet. Am oberen Ende, das die Hochspannung führt, ist die Wicklung 30 mit einer Kathodenleitung 16 verbunden, während das untere Ende 32 ebenso wie die Anode der Röhre geerdet ist. Geeignete Abgriffe 33 der Sekundärwicklung sind mit entsprechenden Zwischenelektroden 34 innerhalb der Röhre 10 verbunden, so daß auch hier ein fortlaufendes Potentialgefälle erzielt wird. Nähere Einzelheiten der Konstruktion und eines Resonanztransformators und einer Beschleunigerröhre mit den hier vorausgesetzten Eigenschaften können beispielsweise der USA.-Patentschrift 2 144 518 entnommen werden.

Die Beschleunigerröhre 10 und die diese Röhre konzentrisch umgebende Wicklung 30 des Resonanztransformators können in einem Metallbehälter 27 eingeschlossen sein, von dem lediglich ein Ausschnitt in Fig. 1 dargestellt ist. Dieser Metallbehälter kann mit einem dielektrischen Medium, wie beispielsweise Öl oder Preßgas, gefüllt sein.

Es sind außerdem Mittel vorhanden, um eine Vorspannung zwischen der Kathode 14 und dem Steuergitter 15 zu erzeugen, und zwar in dem Ausmaß, daß die Röhre 10 nur dann leitend wird, wenn sich die Beschleunigungsspannung nahe beim Scheitelwert der einzelnen Wechselstromhalbwellen befindet. Die Vorspannungsenergie wird von der sinusförmigen Spannung abgegriffen, welche sich an der Kapazität einstellt, die durch den Behälter 27 und eine Kappe 37 oberhalb der Röhre 10 gebildet wird. Der Ladestrom, der durch diese kapazitive Spannung verursacht wird, wird in eine Steueranordnung 50 geleitet, und zwar über einen Draht 28 von der Kappe 37 ab und über einen Draht 29 vom hochgespannten Ende der Sekundärwicklung 30. In der Steuereinrichtung 40 befinden sich ein Gleichrichter und ein Rechteckwellengenerator, die beide nicht dargestellt sind. Die durch diese Einrichtungen erzeugten Ausgangsimpulse werden in Phase mit der Beschleunigungsspannung zwischen der Kathode 14 und dem Gitter 15 über Drähte 38 und 39 abgenommen, und die Vorspannung ist so eingestellt, daß die Röhre Impulse führt und diese nur dann durchsetzt, wenn sich die Beschleunigungsspannung nahe den positiven Scheitelwerten der sinusförmigen Stromkurve befindet.

Die Beziehung zwischen den Strahlimpulsen und der Beschleunigungsspannung, die sich zwischen der Kathode 14 und dem Fenster 22 einstellt, kann aus dem oberen Teil der Fig. 5 ersehen werden. Die Kurve der Beschleunigungsspannung 44 besitzt eine Amplitude in der Größenordnung von über einer Million Volt und eine Frequenz von 180 Schwingungen je Sekunde in diesem betreffenden Augenblick. Da die Röhre 10 nur dann leitend ist, wenn sich die Anode oder das Fenster 22 gegenüber der Kathode 14 in positivem Zustand befindet, erscheinen die Stromimpulse 45 lediglich während der positiven Halbwellen der Beschleunigungsspannung. Durch entsprechende Einstellung der Vorspannung können die Impulse derart beschnitten werden, daß nur dann, wenn die Spannungskurve 44 den jeweiligen Scheitelwert annimmt, sich ein im wesentlichen rechteckiger Stromimpuls 45 bildet. Die Vorspannung hat wie der Stromimpuls eine im wesentlichen sinusförmige Form. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel hat der Stromimpuls etwa eine Breite von 72 , doch kann man auch diese Breite verändern, falls es für bestimmte Verhältnisse gewünscht wird. Auf diese

ίο Weise wird erreicht, daß nur diejenigen Elektronen, die die höchstmögliche Beschleunigung besitzen, fortgeleitet werden, so daß eine Aufheizung weitgehend vermieden wird, da die eine geringe Energie besitzenden Elektronen gar nicht zum Fenster 22 kommen, um dort eine unerwünschte Entwicklung hervorzurufen.

Der Resonanztransformator 31 enthält eine Primärwicklung 46 mit verhältnismäßig geringer Windungszahl, verglichen mit der Sekundärwicklung, wobei der Primärwicklung über eine Amplitudenregeleinrichtung, die mit 47 bezeichnet ist, Strom zugeführt wird. Die Einrichtung 47 wird gespeist durch einen 180-Hz-Generator 48. Der Generator 48 enthält die üblichen Steuervorrichtungen, die im einzelnen nicht gezeigt sind, und wird durch einen schematisch dargestellten Synchronmotor 49 angetrieben. Ein anderer Wechselstromgenerator 51 erzeugt einen Strom mit einer Frequenz von 1005 Hz, wobei dieser Strom den Ablenkspulen 50 zugeführt wird, um den Elektronenstrahl 24 längs des Fensters 22 zu bewegen. Der Generator 51 wird durch den Motor 49 über ein Übersetzungsgetriebe 52 angetrieben, so daß die erzeugte Frequenz, die in der Kurve 53 der Fig. 5 dargestellt ist, ein bestimmtes Verhältnis zur Beschleunigungsspannung und zu den Stromimpulsen der Fig. 5 besitzt. Die Wellenform des Generators 51 kann sinusförmig sein und kann unmittelbar in dieser Form Verwendung finden. Man kann aber auch einen Impulsformer Zwischenschalten, dessen Ausbildung bekannt ist und der infolgedessen nur symbolisch an Hand des Gerätes 54 in Fig. 1 angedeutet ist. Im selben Stromkreis kann auch eine Regeleinrichtung für die Amplitude der Ablenkspannung vorhanden sein, die durch die regelbare Induktivität 55 angedeutet sein soll. Falls eine Impulsformung durchgeführt wird, ist es zweckmäßig, den Wicklungen 55 eine sägezahnförmige Spannung zuzuführen, die beispielsweise in der Fig. 53 im unteren Teil der Fig. 5 angedeutet ist.

Bei der vorliegenden Ausführungsform der Erfindung wird die dem Generator 51 entnommene Spannung Vorrichtungen zugeführt, durch die der Elektronenstrahl 24 in der Längsausdehnung des Fensters 22 abgelenkt wird. Dies ist in Fig. 3 angedeutet, wo der Strahlpunkt 56 zu sehen ist, der sich längs des Fensters 22 hin- und herbewegt. Die Ablenkorgane können elektrostatischer Natur sein, doch werden im vorliegenden Fall auch elektromagnetische Wicklungen 50 benutzt, die auf einander entgegengesetzten Seiten des Anodenrohres 19 angeordnet sind.

Ein anderer Satz von Ablenkspulen 59, die rechtwinklig zu den Spulen 50 angeordnet sind, wird durch eine Spannung sehr hoher Frequenz erregt, so daß der Strahlpunkt 56 mit einer außergewöhnlich hohen Geschwindigkeit quer zu der Längsrichtung des Fensters 22 hin- und herbewegt wird, und zwar während jedes Stromimpulses sehr viele Male. Die dadurch hervorgerufene Strahlbewegung ist in Fig. 4 darge-

stellt. Es wird zur Speisung der Wicklungen 59 irgendeiner der bekannten Oszillatoren verwendet. Bei einem Anwendungsbeispiel, bei welchem das Fenster mit 180 Hz bestrichen wird, und zwar in der jeweiligen Längsrichtung, ist die dazu senkrecht verlaufende Ablenkung so ausgeführt, daß sie etwa 20OkHz beträgt. Im allgemeinen wird jedoch diese Ablenkfrequenz mit Rücksicht auf den Durchmesser des jeweiligen Strahles, die Größe des Fensters und die gewünschte Überlappung des Strahles gewählt. Außerdem spielt hierbei die Natur des zu bestrahlenden Produktes, die Beförderungsgeschwindigkeit dieses Produktes und dessen Widerstandsfähigkeit gegen Bestrahlung eine Rolle.

Die Steuerung des Strahles in zwei Richtungen, wie dies in den Fig. 3 und 4 dargestellt ist, dient dazu, den Elektronenstrahl möglichst gleichförmig über die zu bestrahlende Fläche zu verteilen, d. h. über Gegenstände 25, die in den Fig. 1 und 2 dargestellt sind. Diese Gegenstände können entweder sta- ao tionär oder auf einem Transportband 26 beweglich angeordnet sein, damit sie längs des Strahlfeldes bewegt werden können, wobei sie während dieser Bewegung eine vorher bestimmte Dosis der Strahlung empfangen. «5

Gemäß der früher geübten Praxis ist es üblich, den Elektronenstrahl längs des Fensters mit Hilfe einer aus dem Resonanztransformator gewonnenen Spannung mit derselben Frequenz abzuleiten, die die Stromimpulse sowie die Beschleunigungsspannung besitzen. Verschiedentlich wurde auch die Ablenkfrequenz als ein bestimmtes Mehrfaches derjenigen Frequenz gewählt, die die Stromimpulse und die Beschleunigungsspannung besitzen. Immer jedoch wurde dafür gesorgt, daß eine Koinzidenz zwischen dem Impuls und dem im wesentlichen linearen Teil der Ablenkspannung herrscht, so daß der Strahl mit einer gleichförmigen Geschwindigkeit bewegt wurde. Dies sind jedoch nicht die denkbar besten Bedingungen, um eine gleichmäßige Energieverteilung und Elektronendichte auf dem zu bestrahlenden Produkt zu erhalten, denn, wie an Hand der Fig. 7 c ersehen werden kann, fällt sowohl die Beschleunigung 44 als auch der Stromimpuls 45 am jeweiligen Beginn und Ende eines solchen Impulses ab. Infolgedessen wird bei einer wiederholten Ablenkung der Elektronenstrahl hinsichtlich seiner Intensität und seiner Beschleunigung immer dann seinen höchsten Wert einnehmen, wenn er sich in derselben Stellung in bezug auf das Fenster befindet. Dies verursacht eine wiederholte Überladung des Fensters in ganz bestimmten Bereichen sowie einen Mangel an Strahlung in anderen Bereichen während dieser nacheinander sich mehrmals wiederholenden Ablenkvorgänge. Die Nachteile dieser Steuerungsanordnung werden durch die vorliegende Erfindung beseitigt.

In Übereinstimmung mit der Erfindung wird der Elektronenstrahl 24 auf Grund des gesamten, durch die Wicklung 50 erzeugten Flusses abgelenkt und nicht nur während des linearen Teiles einer solchen Welle, wie dies bisher der Fall war. Dadurch beginnt und endet die jeweilige Ablenkbewegung des Strahles immer in einer anderen Stellung gegenüber dem Fenster, und zwar während jedes einzelnen Ablenkimpulses. Da die Stellen der höchsten Energie der Strom- und Spannungsscheitelwerte usw. an verschiedenen Stellen des Fensters erscheinen, wird das betreffende Fenster deshalb gleichmäßiger belastet.

Damit dieses Resultat erzielt wird, ist es notwendig, daß der den Strahl ablenkende Fluß derart beschaffen ist, daß er die nachfolgenden Ablenkbewegungen weder beschleunigt noch verzögert, daß dadurch immer ein Beginn eines neuen Ablenkvorganges an der gleichen Stelle verursacht würde.

Aus Fig. 5 geht hervor, daß der die Längsbewegung des Strahles verursachende Fluß entsprechend der Spannungskurve 53 eine solche Frequenz besitzt, daß er mehr als eine volle Periode während des Stromimpulses 45 innerhalb der Röhre umfaßt. Wenn man infolgedessen den ersten Impuls betrachtet, so bewegt sich der Strahl über eine Zeitspanne, die durch den gestrichelten Teil der Ablenkspannungskurve 53 dargestellt ist. Während dieser Zeitspanne wird der Strahl von einem Punkt, der sich etwa in der Mitte des Fensters befindet, bis zum rechten äußersten Ende des Fensters geführt, dann zurück zur Mitte des Fensters, weiter zum entferntesten linken Ende des Fensters und dann zurück bis über die Mitte des Fensters hinaus. Der Scheitelstrom und die Beschleunigungsspannung fallen nahe der Mitte des Fensters zusammen, wie dies beispielsweise durch den Punkt 60 in der Nähe der horizontalen Achse angedeutet ist. Beim nächsten Impuls, der ebenfalls durch eine horizontale gestrichelte Linie angedeutet ist, beginnt die Bewegung an einem unterschiedlichen Punkt und läuft in umgekehrter Richtung zum Scheitelstrom und zur Spannung bis zu einem auf der anderen Seite des Fenstermittelpunktes liegenden Endpunkt, der beispielsweise mit 60' bezeichnet ist. Es findet außerdem eine mit einer Hochfrequenz stattfindende Ablenkung des Strahles senkrecht hierzu statt, wie dies bereits früher erwähnt wurde. Der Strahlpunkt wird auf diese Weise zu einem der Höhe des Fensters angepaßten Strich und durch die Längsablenkung des Strahles wird dieser Strich zu einem das gesamte Fenster ausfüllenden Band. Wird die Spur der Fig. 4 der Spur der Fig. 3 überlagert, so entsteht ein Band, das das gesamte Fenster 22 ausfüllt.

Um das Verständnis der Energieverteilung des Strahles und der Beziehung zwischen dem Ablenkfluß, der Beschleunigungsspannung und der Zeitdauer der einzelnen Impulse zu fördern, wird im folgenden ein Zahlenbeispiel durchgerechnet. Wenn in Fig. 5 die Stromimpulse 45 eine Frequenz von 180 Hz besitzen und wenn sie während 72 Winkelgraden andauern, innerhalb einer Zeitskala von 180 Hz der Beschleunigungsspannung, dauert so jeder einzelne Impuls V900 Sekunde:

1 Sek./Zyklus ₌
180

360°/Zyklus

Die niedrigste Frequenz, die erforderlich ist, damit in diese Zeitspanne ein voller Wechsel, also eine volle Periode fällt, beträgt

/min = = -γ, = 900 Hz .

' /900

Daher ist es, allgemein gesprochen, notwendig, daß die Ablenkfrequenz größer ist, als der Reziprokwert der Impulsdauer, damit die Strahldichte bei jedem neuen Ablenkvorgang jedesmal eine andere Amplitude und auch eine andere Polarität besitzt. Unabhängig von der Frequenz wird sich zwar schließlich eine Zurückbildung des Strahles einstellen, aber in einem solchen Abstand, daß dieses bedeutungslos ist.

Beispielsweise wird als Ablenkfrequenz von 1005 Hz gewählt. Damit ist

1005 _ 105 Strahlzyklus
180 180 Röhrenzyklus

und die Phasenverschiebung zwischen zwei nachfolgenden Stromimpulsen beträgt dann

6-5

105 \ Zyklus

180 / Zyklus
1 Röhrenstromzyklus

= ⁵I₁₂ eines

Röhrenstromzyklus

wobei 6 die nächstgrößere oder ganze Zahl von Ablenkperioden ist. Um zu berechnen, wann sich das Zeitverhältnis zwischen dem Stromimpuls und der Ablenkfrequenz wiederholt, wird die Größe der Verschiebung mit der Zahl η multipliziert. Das bedeutet

V₁., · η = Zahl der Zyklen

η = 12 Zyklen

Daraus geht hervor, daß frühestens nach zwölf Perioden der Ablenkfrequenz der Weg des Elektronenstrahles unterbrochen wird. Die Zeitspanne zwischen den Impulsen kann graphisch auf der Zeitskala der Ablenkfrequenzkurve von Fig. 5 bestimmt werden oder kann berechnet werden unter Berücksichtigung der Impulsdauer, die wiederum abhängt von der Art der Kathodenvorspannung. Im vorliegenden Beispiel können 4,46 Ablenkungswechsel stattfinden zwischen dem Ende des einen Impulses und dem Beginn des nächsten. In Fig. 6 ist der Weg des Elektronenstrahles längs des Fensters graphisch aufgetragen, und zwar in Abhängigkeit von der Zeit der jeweiligen Ablenkfrequenz. In dieser graphischen Darstellung sind diejenigen Stellen, bei denen der Impuls im Fenster beginnt, durch Punkte markiert. Die Scheitelspannungspunkte sind mit X bezeichnet und die Richtung der Strahlbewegung durch Pfeile. Der Zwischenraum zwischen den Spuren zeigt die Zeitspanne an, die zwischen dem Ende des einen Impulses und dem Beginn des nächsten Impulses liegt. Man ersieht, daß die erste und dreizehnte Spur miteinander identisch sind und daß jeder nachfolgende Startpunkt und Scheitelspannungswert an eine andere Stelle des Fensters zu liegen kommt. Allgemein gesprochen, ist es wünschenswert, eine solche Ablenkfrequenz zu wählen, daß mehr als eine und weniger als zwei Perioden in einen einzigen Stromimpuls hineinfallen. Zur Bestrahlung bestimmter Produkte kann es jedoch erforderlich werden, mehrere Perioden, also mehr als zwei Perioden, in einen einzigen Stromimpuls fallen zu lassen, damit eine größere Energiedichte innerhalb des Strahles erreicht wird. Es ist dies ein ganz besonderer Vorteil der neuen nicht synchronisierenden Ablenkmethode, die im vorstehenden beschrieben wurde, da sie erlaubt, die Strahlenergie so zu erhöhen, daß dadurch auch Produkte wirksam bestrahlt werden können, die infolge ihrer Eigenart oder ihrer Gestalt oder der Geschwindigkeit des jeweiligen Transportbandes sonst nicht in ausreichendem Maße bestrahlt werden können.

Wenn die Spuren in Fig. 6 als physikalische Darstellung des Strahlweges angesehen werden, so muß die Zeitachse vernachlässigt werden, so daß alle Spuren in eine Ebene verschoben werden, die senkrecht zur Papierebene verläuft und die sich längs der Achse des Fensters 22 erstreckt. Wie bereits früher erwähnt, wird der Strahl gleichmäßig und ohne Unterbrechung quer zum Fenster mit einer sehr hohen Frequenz abgelenkt, so daß der gesamte Strahl als ein Band angesehen werden kann, das das Fenster vorwärts und rückwärts durchläuft, und zwar mit der in Fig. 6 dargestellten Geschwindigkeit.

Wie in Fig. 5 dargestellt ist, kann die Kurve der Ablenkspannung sägezahnförmig ausgebildet werden. In diesem Fall wird der Strahl mit einer im wesentlichen linearen Geschwindigkeit längs des Fensters 22 bewegt. Falls keine absolute Linearität gefordert wird, was oft der Fall ist, kann die sinusförmige Kurve, die direkt dem Generator 51 entnommen wird, verwendet werden, um die Spulen 50 zu beeinflussen, und der Impulsformer 54 kann dann eingespart werden. Obwohl im Ausführungsbeispiel das Verhältnis der Ablenkfrequenz zur Impulsfrequenz dadurch konstant gehalten wird, daß beide Generatoren 51 und 48 durch denselben Antriebsmotor in Gang gesetzt werden, kann man auch eine konstante Ablenkfrequenzspannung durch einen kristallgesteuerten Oszillator erreichen, der einen elektronischen Kraftverstärker speist, der allerdings im einzelnen nicht dargestellt ist. Wenn diese Ausführungsform gewählt wird, ist nur ein Generator, wie beispielsweise der Generator 48, notwendig, da die Ablenkspannung diesem Generator entnommen werden kann.

Die Erfindung ist nicht darauf beschränkt, daß ein ganz bestimmtes Impulsverhältnis und eine ganz bestimmte Frequenz für die Beschleunigungs- oder Ablenkspannung Verwendung finden. Wie im vorstehenden angegeben wird, ist dies infolgedessen nur als Beispiel zu betrachten. Die tatsächlichen Werte, die in einem bestimmten Fall gewählt werden sollen, hängen einmal von dem Gegenstand ab, der bestrahlt werden soll, ferner von der jeweiligen Eindringtiefe für die Strahlung, der Geschwindigkeit des Bandes und anderer Varianten, die in Rechnung gestellt werden müssen. Ein wesentlicher Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß der Verlauf der Beschleunigungsspannung und der Stromimpulse nicht synchron verläuft mit dem ablenkenden Fluß, so daß die Amplituden der Strahlintensität an verschiedenen Stellen des Fensters und damit auch des zu bestrahlenden Gegenstandes erscheinen. Obgleich im vorstehenden nur ein Ausführungsbeispiel dargestellt wird, ist die Erfindung darauf nicht beschränkt, sondern es sind ohne Verlassen des in den Ansprüchen gekennzeichneten Erfindungsgedankens verschiedene Ausführungsformen der Erfindung möglich.

Claims (3)

PATENTANSPRÜCHE:

1. Verfahren zur Herstellung einer gleichmäßigen Verteilung der Energiedichte in einem pulsierenden Strahl geladener Teilchen, der längs eines Elektronen durchlassenden Fensters einer zeitabhängigen Beschleunigungsspannung ausgesetzt ist und der durch sich periodisch mit der zeitabhängigen Beschleunigungsspannung wiederholende, etwa die gleiche Teilchendichte aufweisende Pulsgruppen gebildet und durch ein elektrisches oder magnetisches Feld abgelenkt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das ablenkende Feld asynchron zur Pulsfrequenz verläuft und innerhalb einer bestimmten, stets wiederkehrenden Zahl von aufeinanderfolgenden Strahlpulsen zu Beginn jedes Pulses eine andere

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Amplitude besitzt, so daß die Strahlpulse durch ihren zeitlichen Einsatz, ihren maximalen Energieinhalt und ihr jeweiliges Ende aufeinanderfolgend jeweils andere Punkte des Fensters belasten, wenn der Strahl während jedes Pulses längs des Fensters abgelenkt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Ablenkfeld mehr als einen ganzen Umlauf ausführt und innerhalb einer vorbestimmten Zahl von Pulsen zu Beginn jedes

Umlaufes jeweils eine andere Größe besitzt, so daß der Strahl während jedes Pulses mehr als die doppelte Fensterbreite überstreicht.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Amplitude der Ablenkspannung sich mit einer größeren Frequenz als das Pulsverhältnis ändert, so daß eine Phasenverschiebung zwischen der Wellenform der Ablenkspannung und den Anfangspunkten aufeinanderfolgender Pulse entsteht.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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