DE1174001B

DE1174001B - Electron accelerator

Info

Publication number: DE1174001B
Application number: DEU6299A
Authority: DE
Inventors: Nicholas Constant Christofilos; Kenneth Warren Ehlers
Original assignee: US Atomic Energy Commission (AEC)
Current assignee: US Atomic Energy Commission (AEC)
Priority date: 1958-06-24
Filing date: 1959-06-24
Publication date: 1964-07-16
Also published as: CH362152A; FR1234873A; US2931939A; NL111554C

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLANDFEDERAL REPUBLIC OF GERMANY

DEUTSCHESGERMAN

PATENTAMTPATENT OFFICE

AUSLEGESCHRIFTEDITORIAL

BIBLIOTHEKLIBRARY DES DEUTSCHENOF THE GERMAN

PATEiITAMTESFILE OFFICE

Internat. Kl.: H 05 hBoarding school Class: H 05 h

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Auslegetag:Number:
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Deutsche Kl.: 21 g - 36German class: 21 g - 36

U 6299 VIII c/21g
24. Juni 1959
16. Juli 1964U 6299 VIII c / 21g
June 24, 1959
July 16, 1964

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf die Erzeugung energiereicher Elektronen und insbesondere auf einen Elektronenbeschleuniger energiereicher Elektronen mit hoher Strahlstromstärke im Impulsbetrieb.The invention relates generally to the generation of high energy electrons, and more particularly to an electron accelerator of high-energy electrons with a high beam current in the Impulse operation.

Elektronenbeschleuniger und andere Elektronenquellen sind auf dem Gebiet der Elektronik und der Kernphysik zur Erzeugung eines pulsierenden Strahls energiereicher Elektronen an sich bekannt. Solche Elektronenquellen weisen im allgemeinen eine Elektronen emittierende Kathode und eine geeignete Beschleunigungselektronenanordnung in einem Niederdruckbereich auf. Außerhalb des Niederdruckbereiches ist ferner ein Impulstransformator oder eine andere Quelle einer pulsierenden Hochspannung vorgesehen, welche mit der Elektrodenanordnung verbunden ist, um an diese periodisch eine Beschleunigungsspannung zu legen. Von der Kathode emittierte Elektronen werden daher periodisch auf eine Energie beschleunigt, welche der Spannung der der Elektrodenanordnung zugeführten Impulse entspricht, um dadurch einen pulsierenden Strahl energiereicher Elektronen zu erzeugen. Die Energie und der Strom eines pulsierenden Elektronenstrahls, die aus den bekannten Elektronenquellen oder Elektronenbeschleunigern erzielbar sind, sind verhältnismäßig gering, wobei zufriedenstellende Impulsformen und Impulsanstiegszeiten infolge der verschiedenen Beschränkungen hinsichtlich des Materials und der Konstruktion zusätzliche Erfordernisse darstellen. Insbesondere sind die Strahlenergie und der Strahlstrom im allgemeinen auf Werte von mehreren hundert Kiloelektronenvolt bzw. auf mehrere zehn Ampere beschränkt, was durch die Schwierigkeit bedingt ist, die Wicklungen des Impulstransformators voneinander und von der Elektrodenanordnung ausreichend zu isolieren. Will man durch Vergrößerung eines Elektronenbeschleunigers üblicher Art pulsierende Elektronenstrahlen erzeugen, deren Energien und Ströme höher bzw. stärker sind als die vorerwähnten Werte, so ist im allgemeinen ein Dielektrikum von hoher Spannungsfestigkeit, beispielsweise öl, zur Isolierung der Wicklungen des Transformator erforderlich. Außerdem muß zwischen dem Dielektrikum des Transformators und dem Niederdruckbereich der Elektrodenanordnung ein Einführungsisolator für eine außerordentlich hohe Spannung verwendet werden, der auch als Vakuumdichtung dient. Selbst nach Überwindung der Schwierigkeiten, welche die Herstellung der erforderlichen Hochspannungs-Einführungsisolatoren darstellen, ergibt die notwendigerweise hohe Dielektrizitätskon-Elektronenbeschleuniger Electron accelerators and other electron sources are in the field of electronics and the Nuclear physics for generating a pulsating beam of high-energy electrons is known per se. Such Electron sources generally have an electron-emitting cathode and a suitable accelerating electron assembly in a low pressure area. Outside the low pressure area is also a pulse transformer or a another source of a pulsating high voltage is provided, which is connected to the electrode assembly is to apply an accelerating voltage to this periodically. Emitted from the cathode Electrons are therefore periodically accelerated to an energy which corresponds to the voltage of the electrode arrangement supplied pulses corresponds to thereby a pulsating beam more energetic To generate electrons. The energy and current of a pulsating electron beam emanating from the known electron sources or electron accelerators are achievable are proportionate low, with satisfactory pulse shapes and pulse rise times due to the various constraints represent additional requirements in terms of material and construction. In particular, the beam energy and the beam current are generally at values of several one hundred kiloelectron volts or limited to several tens of amps, which is due to the difficulty the windings of the pulse transformer from each other and from the electrode assembly is sufficient to isolate. If one wants to enlarge an electron accelerator of the usual type pulsating Generate electron beams whose energies and currents are higher or stronger than those mentioned above Values, it is generally a dielectric with high dielectric strength, for example oil, required to isolate the transformer windings. It must also be between the dielectric of the transformer and the low pressure area of the electrode assembly is a lead-in insulator used for an extraordinarily high voltage, also used as a vacuum seal serves. Even after overcoming the difficulties involved in making the required Representing high voltage lead-in insulators results in necessarily high dielectric con-electron accelerators

Anmelder:Applicant:

United States Atomic Energy Commission,United States Atomic Energy Commission,

Germantown, Md. (V. St. A.)Germantown, Md. (V. St. A.)

Vertreter:Representative:

Dr.-Ing. W. Abitz, Patentanwalt,Dr.-Ing. W. Abitz, patent attorney,

München 27, Pienzenauer Str. 28Munich 27, Pienzenauer Str. 28

Als Erfinder benannt:
Nicholas Constantine Christofilos,
Oakland, Calif.,
Kenneth Warren Ehlers,
Lafayette, Calif. (V. St. A.)Named as inventor:
Nicholas Constantine Christofilos,
Oakland, Calif.,
Kenneth Warren Ehlers,
Lafayette, Calif. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:Claimed priority:

V. St. ν. Amerika vom 24. Juni 1958 (744 297)V. St. ν. America June 24, 1958 (744 297)

stante des Tranformatorisolationsmaterials eine entsprechend hohe Querkapazität in dessen Sekundärwicklung, was eine ernste Beschränkung hinsichtlich der Form und der Anstiegszeit der Ausgangselektronenimpulse aus dem Beschleuniger bedeutet. Daher war es in den Fällen, in welchen verhältnismäßig genau geformte Elektronenimpulse von schneller Anstiegszeit bei Strömen von etwa hundert Ampere und Energien von mehreren Megavolt erforderlich sind, bisher notwendig, einen pulsierenden Elektronenbeschleuniger üblicher Art von verhältnismäßig geringer Energie in Verbindung mit einem Hilfsbeschleuniger für geladene Teilchen zu verwenden, um pulsierende Elektronenstrahlen zu erzeugen, welche die erwähnten Eigenschaften aufweisen.constant of the transformer insulation material has a correspondingly high transverse capacitance in its secondary winding, which is a serious limitation on the shape and rise time of the output electron pulses from the accelerator means. Hence, in the cases where it was proportionate precisely shaped electron pulses with a fast rise time at currents of about one hundred amperes and energies of several megavolts are required, previously required a pulsating electron accelerator usual type of relatively low energy in connection with an auxiliary accelerator to use for charged particles to generate pulsating electron beams, which have the properties mentioned.

Bekannt ist ein Elektronenbeschleuniger mit im Abstand voneinander in einem Vakuumbehälter angeordneten koaxialen Elektroden, welche die von einer Elektronenquelle emittierten Elektronen beschleunigen und welche an Abgriffe der Sekundärwicklung eines in dem Vakuumbehälter angeordneten Transformators angeschlossen sind.An electron accelerator is known which is arranged at a distance from one another in a vacuum container coaxial electrodes that accelerate electrons emitted by an electron source and which at taps of the secondary winding of a arranged in the vacuum container Transformer are connected.

Bei diesem bekannten Elektronenbeschleuniger sind die Stromzuleitungen zu dem Glühfaden unabhängig von der massiv ausgebildeten Sekundärwicklung des Transformators durch Dichtungen in der Behälterwand nach außen geführt.In this known electron accelerator, the power leads to the filament are independent from the massive secondary winding of the transformer through seals in the container wall outwards.

409 630/288409 630/288

Demgegenüber ist bei dem Elektronenbeschleuniger nach der Erfindung vorgesehen, daß die Sekundärwicklung des Transformators eine Hohlleiterwicklung ist, die das Gehäuse der durch einen Glühfaden beheizten Elektronenquelle mit dem Äußeren des Vakuumbehälters verbindet, daß die Stromzuleitungen zu dem Glühfaden durch den Hohlleiter geführt sind und daß der Hohlleiter mit einer vakuumdichten Durchführung für die Stromzuleitungen versehen ist.In contrast, it is provided in the electron accelerator according to the invention that the secondary winding of the transformer is a waveguide winding that encases the casing of a filament heated electron source with the exterior of the vacuum container that connects the power supply lines to the filament through the waveguide and that the waveguide with a vacuum-tight Implementation for the power supply lines is provided.

Durch diese erfindungsgemäße Ausbildung ergibt sich der Vorteil, daß die in dem Hohlleiter befindlichen Stromzuleitungen gegenüber den Beschleunigungselektroden abgeschirmt sind, so daß Feldstörungen des Beschleunigungsfeldes verhindert werden, die durch den durch die Zuleitungen fließenden Wechselstrom auftreten können.This inventive design results in the advantage that those located in the waveguide Power lines are shielded from the acceleration electrodes, so that field disturbances of the acceleration field can be prevented by the flowing through the supply lines Alternating current can occur.

Vorzugsweise erfolgt der Anschluß des Hohlleiters an das Gehäuse der Elektronenquelle durch eine Hochspannungskappe.The connection of the waveguide to the housing of the electron source is preferably carried out by a High voltage cap.

In Weiterbildung der Erfindung ist zwischen dem Gehäuse der Elektronenquelle und der ersten Beschleunigungselektrode eine Absaugelektrode vorgesehen, deren Verbindungsleitungen zu einer Impulsspannungsquelle, die außerhalb des Vakuumbehälters angeordnet ist, durch den Hohlleiter über eine Dichtung geführt sind.In a further development of the invention, the electron source is located between the housing and the first acceleration electrode a suction electrode is provided, the connecting lines of which lead to a pulse voltage source, which is arranged outside the vacuum container, are passed through the waveguide via a seal.

Vorzugsweise ist die Stromquelle für den Glühfaden eine Halbwellengleichrichteranordnung, und die Impulsspannungsquelle für den Betrieb des Beschleunigers und die Absaugspannungsquelle werden während nacheinanderfolgender Nulldurchgänge des Glühfadenstromes synchron erregt. Bei anders ausgebildeten Elektronenbeschleunigern ist die Verwendung einer Impulsspannung für die Versorgung des Glühfadens an sich bekannt.The current source for the filament is preferably a half-wave rectifier arrangement, and the pulse voltage source for the operation of the accelerator and the suction voltage source excited synchronously during successive zero crossings of the filament current. With different trained electron accelerators is the use of a pulse voltage for the supply of the filament known per se.

Der erfindungsgemäße Elektronenbeschleuniger ist auf vielen Gebieten der Elektronik und der Kernphysik anwendbar, bei welchen pulsierende Elektronenstrahlen mit den vorangehend beschriebenen Eigenschaften erforderlich sind. Beispielsweise kann der Elektronenstrahlerzeuger als außerordentlich leistungsfähige Quelle einer ionisierenden Strahlung verwendet werden, für die ein ausgedehntes Anwendungsgebiet zur Strahlenbehandlung verschiedener Materialien in großen Partien, beispielsweise von Kunststoffen, zur Verbesserung verschiedener Eigenschaften derselben, und für Nahrungsmittel und Drogen od. dgl., um diese zu sterilisieren, besteht.The electron accelerator of the present invention is used in many fields of electronics and nuclear physics applicable to which electron beam pulsing with those described above Properties are required. For example, the electron gun can be extremely powerful Source of ionizing radiation can be used for an extensive field of application for radiation treatment of various materials in large lots, for example of Plastics, to improve various properties thereof, and for food and drugs Od. Like. To sterilize them, there is.

Die Erfindung ist in der Beschreibung in Verbindung mit den Zeichnungen erläutert, und zwar zeigtThe invention is explained in the description in conjunction with the drawings, namely shows

F i g. 1 eine Draufsicht im Schnitt einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung,F i g. 1 is a sectional plan view of a preferred one Embodiment of the invention,

F i g. 2 eine Ansicht dieser Ausführungsform im Schnitt nach der Linie 2-2 der F i g. 1 undF i g. FIG. 2 is a view of this embodiment in section along line 2-2 of FIG. 1 and

F i g. 3 ein Schaltbild der bevorzugten Schaltanordnung zur Erregung der Bauelemente der in F i g. 1 und 2 dargestellten Ausführungsform.F i g. 3 is a circuit diagram of the preferred circuit arrangement for exciting the components of the circuit shown in FIG F i g. 1 and 2 illustrated embodiment.

Die Zeichnungen zeigen den Elektronenbeschleuniger 11. Er besitzt nicht dargestellte Mittel zur Erzeugung eines Hochvakuums im Behälterinnenraum, der allgemein mit 12 bezeichnet ist. Innerhalb des Vakuumbehälters ist ein neuartiger, im wesentlichen ringförmiger Hochspannungs-Impulstransformator 13 angeordnet. Innerhalb des Transformators ist an dessen einem Ende eine Elektronenquelle 14 axial angeordnet, von der Elektronen in reichlichen Mengen emittiert werden. Die Beschleunigungselektrodenanordnung 15, die aus einer Anzahl von gleichachsig in Abstand voneinander angeordneten Elektroden besteht, ist ebenfalls so angeordnet, daß sie sich gleichachsig von der Elektronenquelle 14 durch den Transformator 13 zu dessen entgegengesetztem Ende erstreckt. Die Elektroden sind mit Anzapfungen gleicher Spannungsstufen der Sekundärwicklung des Transformators verbunden, um ein Elektronenbeschleunigungsfeld von hoher Spannung im Impuls- betrieb zu erzeugen, das sich durch den Transformator 13 hindurch von der Elektronenquelle 14 aus erstreckt. Die reichlichen Mengen von emittierten Elektronen werden daher periodisch durch das pulsierende Feld auf hohe Energien beschleunigt, um dadurch einen energiereichen Elektronenstrahl mit hoher Strahlstromstärke im Impulsbetrieb zu erzeugen. The drawings show the electron accelerator 11. It has means for generating, which are not shown a high vacuum in the interior of the container, which is generally designated by 12. Within the Vacuum container is a novel, substantially ring-shaped high-voltage pulse transformer 13 arranged. Within the transformer, an electron source 14 is axially arranged at one end thereof, from which electrons are emitted in abundant quantities. The accelerating electrode assembly 15, consisting of a number of coaxially spaced electrodes exists, is also arranged so that it is equiaxed from the electron source 14 through the Transformer 13 extends to its opposite end. The electrodes are the same with taps Voltage stages of the secondary winding of the transformer connected to an electron acceleration field of high voltage in the pulse to generate operation, which extends through the transformer 13 from the electron source 14 extends. The abundant amounts of emitted electrons are therefore periodic due to the pulsating Field accelerated to high energies, thereby using a high-energy electron beam to generate high beam current in pulse mode.

Zur Erzeugung des erwähnten Hochvakuumraumes 12 ist ein hohler zylindrischer VakuumbehälterA hollow cylindrical vacuum container is used to generate the aforementioned high vacuum space 12

ao 16 vorgesehen. Dieser Behälter ist vorzugsweise erhöht und lotrecht aufgestellt und weist eine kreisförmige Grundplatte 17 (s. Fig. 2) auf, die über der Fußbodenhöhe durch senkrechte Stützen 20 gelagert ist und mit der die zylindrische Wandung 18 des Behälters fest verbunden ist. Die andere Stirnseite der Wandung 18 ist mit einem Flansch versehen, um die Befestigung einer abnehmbaren Abschlußplatte 19 an ihr mit Druckabdichtung zu erleichtern und um einen bequemen Zugang zum Inneren des Behälters 16 für den Einbau der Bauelemente des Elektronenstrahlerzeugers zu ermöglichen. Die Grundplatte 17 weist eine mittige axiale öffnung 21 auf, welche entweder einen offenen Strahlaustritt gestattet, wobei die öffnung dann mit dem Vakuumsystem einer Hilfsvorrichtung zur Strahlausnutzung zu verbinden ist, oder für die gleichen Anwendungsfälle mit einem nicht gezeigten Strahlaustrittsfenster druckdicht verschlossen ist. Außerdem kann ein Anodengitter 40 in manchen Fällen innerhalb der öffnung 21 für nachstehend näher beschriebene Zwecke angeordnet sein. Das Innere des geschlossenen Behälters 16 wird zur Erzeugung des Hochvakuums mit Hilfe einer nicht gezeigten anschließbaren Vakuumpumpe evakuiert. Um dies zu erleichtern, ist ein Pumpstutzen 22 druckdicht an der Wandung 18 angeordnet.ao 16 planned. This container is preferably raised and set up vertically and has a circular base plate 17 (see FIG. 2), which above the Floor height is supported by vertical supports 20 and with which the cylindrical wall 18 of the container is firmly connected. The other end face of the wall 18 is provided with a flange to the To facilitate attachment of a removable end plate 19 to her with pressure seal and around a convenient access to the interior of the container 16 for the installation of the components of the electron gun to enable. The base plate 17 has a central axial opening 21, which either allows an open beam exit, the opening then with the vacuum system of a Auxiliary device for beam utilization is to be connected, or for the same applications with one not shown beam exit window is closed pressure-tight. In addition, an anode grid 40 in some cases within the opening 21 for the following purposes described in more detail be arranged. The interior of the closed container 16 becomes Generation of the high vacuum evacuated with the aid of a connectable vacuum pump, not shown. In order to facilitate this, a pump nozzle 22 is arranged on the wall 18 in a pressure-tight manner.

Der innerhalb des Hochvakuumraumes 12 vorgesehene Transformator 13 ist, wie F i g. 1 zeigt, konzentrisch innerhalb des zylindrischen Vakuumbehälters 16 angeordnet. Im besonderen weist der Transformator eine Anzahl rechteckiger geschichteter magnetischer Kerne 23 auf, die innerhalb des Vakuumbehälters 16 in Abstand voneinander radial angeordnet sind. Die Kerne 23 sind vorzugsweise in zwei Gruppen 24, 26 von gleicher Zahl aufgeteilt, welche einander entgegengesetzte, sich über 90° erstreckende Ringsektoren der kreisförmigen' Querschnittsfläche einnehmen. Für diesen Zweck sind zwei sich im wesentlichen über 90° erstreckende Halteringsegmente 27, 28 mit Hilfe von Haltern 29 einander diametral entgegengesetzt um die Innenfläche der Wandung 18 in der Nähe ihres geflanschten oberen Endes befestigt. Wie F i g. 2 zeigt, ist eine Anzahl radial angeordneter Gurtbänder 31 vorgesehen, die auf den oberen radialen Kantenflächen der in Gruppen 24, 26 aufgeteilten Kerne 23 aufliegen. Die äußeren Enden der Gurtbänder 31 sind an den entsprechenden Halteringen 27, 28 durch eine Anzahl langgestreckter Zugstangen 32 befestigt,The transformer 13 provided within the high vacuum space 12 is, as shown in FIG. 1 shows concentric arranged within the cylindrical vacuum vessel 16. In particular, the transformer a number of rectangular laminated magnetic cores 23 positioned within the Vacuum container 16 are arranged radially at a distance from one another. The cores 23 are preferably in divided into two groups 24, 26 of the same number, which are opposite to one another and extend over 90 ° Ring sectors of the circular 'cross-sectional area take in. For this purpose there are two essentially extending over 90 ° Retaining ring segments 27, 28 diametrically opposed to one another around the inner surface with the aid of holders 29 attached to wall 18 near its flanged upper end. Like F i g. 2 shows is a Number of radially arranged belt straps 31 provided on the upper radial edge surfaces of the cores 23 divided into groups 24, 26 rest. The outer ends of the straps 31 are on attached to the corresponding retaining rings 27, 28 by a number of elongated tie rods 32,

deren eines Ende an den Gurtbändern befestigt ist und die sich axial durch die Segmente erstrecken. Die entgegengesetzten Enden der Zugstangen 32 sind ihrerseits an einer Anzahl radial angeordneter Sättel 33 befestigt, die in ihrer Form den unteren radialen Kantenflächen der Kerne 23 angepaßt sind und an der Grundplatte 17 in radialer Ausfluchtung mit den Gurtbändern 31 angebracht sind. Die Gurtbänder 31 sind zusätzlich an ihren inneren Enden mit den Sätteln 33 durch eine zweite Anzahl von Zugstangen 34 ίο verbunden. Die starre Halterung der Kerne 23 innerhalb des Vakuumbehälters kann daher dadurch erzielt werden, daß die Zugstangen 32, 34 so verstellt werden, daß die Gurtbänder 31 gegen die Oberkantenflächen der Kerne festgezogen werden.one end of which is attached to the webbing and which extend axially through the segments. The opposite ends of the tie rods 32 are in turn on a number of radially arranged saddles 33 attached, which are adapted in shape to the lower radial edge surfaces of the cores 23 and to the base plate 17 are attached in radial alignment with the belt straps 31. The straps 31 are also at their inner ends with the saddles 33 by a second number of tie rods 34 ίο tied together. The rigid mounting of the cores 23 within the vacuum container can therefore be achieved that the tie rods 32, 34 are adjusted so that the straps 31 against the upper edge surfaces the cores are tightened.

In jedem der Kerne 23 wird ein magnetischer Fluß durch die Erregung einer Primärwicklung 36 erzeugt, welche um jeden Kern gewickelt ist. Um einen Aufbau mit niedriger Impedanz bei den verhältnismäßig starken Erregungsströmen und -spannungen, die bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Anwendung kommen, zu erzielen, bestehen die Primärwicklungen 36 aus verhältnismäßig breiten dünnen Blechstreifen, die zu konzentrischen Spiralen gebogen sind, welche jeweils die inneren axialen geraden Teile des Kernes umgeben und isoliert an den Zugstangen 32 befestigt sind. Jede Windung (in den Fig. 2 und 3 sind zwei Windungen dargestellt) der Spirale bildet eine Windung der Primärwicklung, wobei die Enden jeder auf diese Weise gebildeten Primärwicklung mit dem inneren bzw. äußeren Leiter je einer als koaxiale Verbindungsklemme ausgebildeten vakuumdichten Durchführung 37 verbunden sind, die radial durch die Wandung 18 des Vakuumbehälters isoliert geführt ist. Die Durchführungen 37 befinden sich in der Wandung 18 in Umfangsrichtung in Abstand voneinander und enden außerhalb derselben in üblichen koaxialen Hochspannungsabschlüssen, um die Erregung der Primärwicklungen 36 von einer geeigneten Quelle in einer nachstehend näher beschriebenen Weise zu ermöglichen.In each of the cores 23 a magnetic flux is generated by the excitation of a primary winding 36, which is wrapped around each core. In order to have a structure with low impedance in the case of the relatively strong excitation currents and voltages that are used in the device according to the invention come to achieve, the primary windings 36 consist of relatively wide thin sheet metal strips, which are bent into concentric spirals, each being the inner axial straight parts of the core are surrounded and secured to the tie rods 32 in an isolated manner. Each turn (in Figures 2 and 3 are two Turns shown) of the spiral forms one turn of the primary winding, with the ends of each on Primary winding formed in this way with the inner or outer conductor each one as a coaxial Connecting clamp formed vacuum-tight passage 37 are connected, which radially through the wall 18 of the vacuum container is insulated. The bushings 37 are located in the wall 18 in the circumferential direction at a distance from each other and end outside the same in usual coaxial high voltage terminations in order to excite the primary windings 36 from a suitable Source in a manner described in more detail below.

Der in jedem der Kerne 23 bei der Erregung der ihm zugeordneten Primärwicklung 36 erzeugte magnetische Fluß dient bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung dazu, aufeinanderfolgend eine außerordentlieh hohe Spannung in einer Sekundärwicklung 38 zu induzieren. Zu diesem Zweck ist die Sekundärwicklung 38 vorzugsweise in Form einer selbsttragenden spiraligen Wendel ausgebildet, die gleichachsig innerhalb des Vakuumbehälters 16 angeordnet ist, wobei jede Windung der Wendel alle Fenster der Kerne 23 durchsetzt. Die spiralige Sekundärwicklung 38 verjüngt sich vorzugsweise in Richtung zur Grundplatte 17 und ist für die nachstehend näher beschriebenen Zwecke aus einem Rohr hergestellt, das aus einem baulich widerstandsfähigen Material besteht, welches auch für einen Hochvakuumbetrieb geeignet ist, beispielsweise aus korrosionsbeständigem Stahl. Die ganze Wicklung 38 ist innerhalb des Vakuumbehälters 16 mittels Stützen 39 gelagert, die an der Grundplatte 17 vorzugsweise in Umfangsrichtung zwischen den beiden Gruppen 24, 26 der Kerne 23 befestigt sind und starr gegen die unterste Windung der Wicklung anliegen. Die Starrheit der Sekundärwicklung 38 und der richtige Abstand ihrer benachbarten Windüngen werden außerdem durch isolierte Abstandsstücke 41, die zwischen den Windungen angeordnet sind, aufrechterhalten. Das untere Ende der Sekundärwicklung 38 ist aus dem Vakuumbehälter 16 durch eine isolierte Durchführungsdichtung 42 herausgeführt, die in der Wandung 18 zweckmäßig an einer Stelle annähernd radial gegenüberliegend der Stütze 39 angeordnet ist. Das obere Ende der Wicklung 38 endet in einer kuppeiförmigen Hochspannungs-Abschirmungskappe 43, die im wesentlichen gleichachsig zum Vakuumbehälter 16 im oberen Endbereich angeordnet ist. Um die Sekundärwicklung 38 von den Primärwicklungen 36 zu isolieren, ist eine Anzahl geschlossener Abschirmungen 44 vorgesehen, die dem Innenumfang der Kerne 23 im wesentlichen angepaßt und an diesen befestigt sind. Die Abschirmungen 44 bilden daher einen geschlossenen elektrischen Leitungspfad parallel zu den Pfaden des magnetischen Flusses durch die Kerne und sind zwischen den Primärwicklungen und der Sekundärwicklung angeordnet, so daß äußere Kopplungswirkungen zwischen ihnen vermieden werden.The magnetic generated in each of the cores 23 when the primary winding 36 assigned to it is excited Flow is used in the device according to the invention to successively an extraordinarily borrowed induce high voltage in a secondary winding 38. For this purpose is the secondary winding 38 preferably in the form of a self-supporting spiral helix, which is coaxial within of the vacuum container 16 is arranged, with each turn of the coil all windows of the cores 23 interspersed. The spiral secondary winding 38 preferably tapers in the direction of the base plate 17 and is made for the purposes described in more detail below from a tube that consists of a structurally resistant material, which is also suitable for high vacuum operation, for example made of corrosion-resistant steel. The entire coil 38 is inside the vacuum vessel 16 mounted by means of supports 39, which on the base plate 17 preferably in the circumferential direction between the two groups 24, 26 of the cores 23 are attached and rigidly against the lowermost turn of the winding issue. The rigidity of the secondary winding 38 and the correct spacing of its adjacent turns are also provided by insulated spacers 41 that are placed between the turns are maintained. The lower end of the secondary winding 38 is out of the vacuum container 16 led out through an insulated grommet 42, which is expediently connected to the wall 18 a point is arranged approximately radially opposite the support 39. The top of the coil 38 ends in a dome-shaped high-voltage shielding cap 43, which is essentially is arranged coaxially to the vacuum container 16 in the upper end region. To the secondary winding To isolate 38 from the primary windings 36, a number of closed shields 44 are provided, which are substantially adapted to the inner circumference of the cores 23 and attached to them. the Shields 44 therefore form a closed electrical conduction path parallel to the paths of the magnetic flux through the cores and are between the primary windings and the secondary winding arranged so that external coupling effects between them are avoided.

Eine bevorzugte Anordnung zur Erzeugung eines elektrischen Elektronenbeschleunigungsfeldes in Achsrichtung des Vakuumbehälters 16 aus der in der Sekundärwicklung 38 induzierten Spannung besteht aus einer Anzahl abgestufter zylindrischer becherförmiger Elektroden 46 mit einer mittigen öffnung. Diese Elektroden sind innerhalb der Sekundärwicklung 38 gleichachsig zueinander angeordnet, haben einen für die erforderliche Isolation ausreichenden Abstand voneinander und sind so ineinandergeschachtelt, daß sie sich von der Hochspannungskappe 43 zur Strahlaustrittsöffnung 21 der Grundplatte erstrecken. Die Öffnungen der Elektroden 46 für den Strahldurchtritt sind außerdem so geformt, daß das elektrische Feld einen Verlauf hat, der zur Bildung eines scharf begrenzten Elektronenstrahls beiträgt. Bei der bevorzugten Ausführungsform entspricht die Zahl der Elektroden 46 der Zahl der Windungen der Sekundärwicklung 38. Dementsprechend sind zur Erregung der Elektroden und zur starren Halterung derselben in der vorangehend beschriebenen Lage eine Anzahl elektrisch leitender Aufhängestäbe 47 vorgesehen, die an den Windungen der Wicklung 38 und an den Elektroden 46 befestigt sind. Die Aufhängestäbe 47 sind vorzugsweise parallel angeordnet und an den Windungen der Wicklung mittels Ringklemmen 48 an lotrecht übereinanderliegenden Stellen zwischen den Gruppen 24 und 26 der Kerne 23 befestigt. Die Hängestäbe erstrecken sich von der Wicklung radial nach innen und sind an ihren inneren Enden mit den Elektroden 46 durch Befestigungsmittel 49 verbunden. Die Elektroden 46 sind zusätzlich durch eine Anzahl isolierter Hängestäbe 51 gehalten, die an ihren äußeren Enden mit Hilfe von Ringklemmen 52 an den Windungen der Wicklung 38 diametral gegenüberliegend den leitenden Hängestäben 47 befestigt sind. Die Hängestäbe 51 erstrecken sich von der Wicklung 38 radial nach innen und sind an ihren inneren Enden an den Elektroden 46 mit Hilfe der Befestigungsmittel 53 befestigt. Auf diese Weise ist die in der Wicklung induzierte Gesamtspannung in etwa gleiche Spannungsstufen unterteilt, die an die aufeinanderfolgenden Elektroden gelegt sind, so daß zwischen den benachbarten Elektroden ein elektrisches Feld erzeugt wird, das in Richtung zur Grundplatte 17 stufenweise zunimmt. Zur Bildung eines optimalen Abschlusses für das Beschleunigungsfeld kann ein Anodengitter 40 in der Strahlaustrittsöffnung 21 angeordnet sein, dasA preferred arrangement for generating an electrical electron acceleration field in the axial direction of the vacuum container 16 from the voltage induced in the secondary winding 38 consists of a number of stepped cylindrical cup-shaped electrodes 46 with a central opening. These electrodes are arranged coaxially to one another within the secondary winding 38 a sufficient distance from one another for the required insulation and are nested in one another, that it extends from the high-voltage cap 43 to the jet outlet opening 21 of the base plate extend. The openings of the electrodes 46 for the beam passage are also shaped so that that the electric field has a course that leads to the formation of a sharply delimited electron beam contributes. In the preferred embodiment, the number of electrodes 46 corresponds to the number of turns of the secondary winding 38. Accordingly, the electrodes are used to excite and to rigid Holding the same in the position described above, a number of electrically conductive suspension rods 47 is provided which is attached to the turns of the winding 38 and to the electrodes 46 are. The suspension rods 47 are preferably arranged in parallel and on the turns of the winding by means of ring clamps 48 at vertically one above the other between the groups 24 and 26 of the cores 23 attached. The hanging bars extend radially inward from the coil and are on their inner ends are connected to the electrodes 46 by fastening means 49. The electrodes 46 are additionally held by a number of isolated hanging rods 51, which at their outer ends with With the help of ring clamps 52 on the turns of the winding 38 diametrically opposite the conductive ones Hanging rods 47 are attached. The hanging rods 51 extend radially from the winding 38 inside and are fastened at their inner ends to the electrodes 46 with the aid of the fastening means 53. In this way, the total voltage induced in the winding is subdivided into approximately equal voltage levels, which are applied to the successive Electrodes are placed so that an electric field is generated between the adjacent electrodes, which gradually increases in the direction of the base plate 17. To create an optimal deal for the acceleration field, an anode grid 40 can be arranged in the beam exit opening 21, the

durch elektrischen Kontakt mit der Grundplatte 17 geerdet ist. Das Gitter 40 ist vorzugsweise so ausgebildet, daß es eine hohe Strahlendurchlässigkeit hat, wobei es wegen der hohen Energie des Strahls zweckmäßig ist, für das Gitter eine Wasserkühlung vorzusehen.is grounded by electrical contact with the base plate 17. The grid 40 is preferably designed so that it has a high radiation permeability, it being because of the high energy of the beam it is advisable to provide water cooling for the grid.

Innerhalb der ersten Beschleunigungselektrode ist die vorerwähnte Elektronenquelle 14 angeordnet, welche ein hohles zylindrisches Kathodengehäuse 54 aufweist, das konzentrisch innerhalb der ersten Elektrode und in radialem Abstand von dieser angeordnet und an seinem oberen Ende an der Hochspannungskappe 43 mittels einer ringförmigen KlemmeThe aforementioned electron source 14 is arranged within the first acceleration electrode, which has a hollow cylindrical cathode housing 54 concentrically within the first electrode and arranged at a radial distance therefrom and at its upper end on the high-voltage cap 43 by means of an annular clamp

56 starr befestigt ist. Eine Elektronen emittierende Kathode 57 ist innerhalb des unteren Endes des Gehäuses 54, dieses abschließend, benachbart dem offenen Ende der ersten Beschleunigungselektrode angeordnet. Innerhalb des Gehäuses ist ferner benachbart der Kathode ein Heizfaden 58 angeordnet, der die Kathode beheizt und aus dieser eine ther- ao mische Elektronenemission bewirkt. Die Kathode 57 ist dementsprechend aus einem thermisch emittierenden Material hergestellt, wobei es sich in diesem Zusammenhang in der Praxis als besonders vorteilhaft erwiesen hat, eine Kathode zu verwenden, die aus einem Gemisch von Barium- und Strontiumcarbonat und Nickelpulver, das auf eine Nickelstützplatte aufgepreßt ist, hergestellt ist. Um die Raumladungswirkungen an den Rändern des von der Kathode 57 emittierten Elektronenstrahls auf ein Mindestmaß herabzusetzen, weist die Elektronenquelle 14 zusätzlich eine Absaugelektrode 59 auf, die im wesentlichen ähnlich wie die Beschleunigungselektroden 46 ausgebildet ist, d. h. eine zylindrische, becherförmige, mit einer mittigen Öffnung versehene Elektrode ist und konzentrisch um das Gehäuse 54 in radialem Abstand von diesem und mittels einer ringförmigen Halterung 61 von diesem isoliert angeordnet ist. Die Absaugelektrode 59 ist daher konzentrisch zwischen dem Gehäuse 54 und der ersten Beschleunigungselektrode angeordnet, wobei das offene Ende der Kathode 57 zugekehrt ist. Die Absaugelektrode 59 ist außerdem mit einer Hilfsspannungsquelle verbunden, wie nachstehend näher beschrieben wird, um ein Elektronenabsaugfeld benachbart der Kathode56 is rigidly attached. An electron emissive cathode 57 is within the lower end of the housing 54, this final, adjacent to the open end of the first acceleration electrode arranged. A filament 58 is also arranged within the housing adjacent to the cathode, which heats the cathode and causes thermal electron emission from it. The cathode 57 is accordingly made of a thermally emitting material, and it is in this context has proven to be particularly advantageous in practice to use a cathode made from a mixture of barium and strontium carbonate and nickel powder, which is pressed onto a nickel support plate is, is made. In order to reduce the space charge effects at the edges of the cathode 57 To reduce the emitted electron beam to a minimum, the electron source 14 also has a suction electrode 59, which is substantially similar to the acceleration electrodes 46 is formed, d. H. is a cylindrical, cup-shaped, central opening electrode and concentrically around the housing 54 at a radial distance therefrom and by means of an annular Bracket 61 is arranged isolated from this. The suction electrode 59 is therefore concentric between the housing 54 and the first accelerating electrode, the open end of the Cathode 57 is facing. The suction electrode 59 is also connected to an auxiliary voltage source, as will be further described below, to create an electron extraction field adjacent the cathode

57 zu erzeugen, welches die Extraktion von Elektronen aus dieser als scharf begrenzter Strahl vor der Einleitung in das durch die Elektroden 46 erzeugte Beschleunigungsfeld bewirkt. Um die Extraktionsund Beschleunigungsfelder vom Transformator 13 und vom Vakuumbehälter 16 zu isolieren, ist es zweckmäßig, die Beschleunigungselektrodenanordnung 15 und die Elektronenquelle 14 innerhalb einer hohlen zylindrischen elektrisch leitenden Abschirmung 62 anzuordnen, die konzentrisch zwischen den erwähnten Bauelementen und den Transformatorkernen 23 angeordnet ist.57 to produce which is the extraction of electrons from this as a sharply delimited beam in front of the Induction into the acceleration field generated by the electrodes 46 causes. To get the extraction and It is to isolate acceleration fields from the transformer 13 and from the vacuum vessel 16 expediently, the acceleration electrode assembly 15 and the electron source 14 within one hollow cylindrical electrically conductive shield 62 to be arranged concentrically between the mentioned components and the transformer cores 23 is arranged.

Um die Verbindung des Heizfadens 58 und der Absaugelektrode 59 mit außerhalb des Elektronenstrahlerzeugers 11 angeordneten Quellen elektrischer Energie herbeizuführen, sind an diese elektrische Leitungen angeschlossen, die aus dem Vakuumbehälter 16 nach außen herausgeführt sind. Für diesen Zweck sind Zuleitungen 63, 64 vorgesehen, die vorzugsweise mit dem einen Ende des Heizfadens 58, dessen entgegengesetztes Ende geerdet ist, und mit der Absaugelektrode 59 verbunden sind. Die Zuleitungen 63, 64 sind durch das hohle Innere der rohrförmigen Sekundärwicklung 38 in bifilarer Weise geführt und treten aus der Wicklung außerhalb des Vakuumbehälters 16 aus der Durchführungshülse 42 für die Sekundärwicklung aus.To connect the filament 58 and the suction electrode 59 with the outside of the electron gun 11 arranged sources of electrical energy to bring about, are to this electrical Lines connected, which are led out of the vacuum container 16 to the outside. For this For this purpose, feed lines 63, 64 are provided, which are preferably connected to one end of the filament 58, the opposite end of which is grounded and connected to the suction electrode 59. The supply lines 63, 64 are guided through the hollow interior of the tubular secondary winding 38 in a bifilar manner and emerge from the winding outside of the vacuum container 16 from the grommet 42 for the secondary winding.

Die Erregung der Bauelemente des vorangehend beschriebenen Elektronenstrahlerzeugers 11 kann durch eine Schaltungsanordnung der im Schaltbild der Fig. 3 dargestellten Art erfolgen. Wie Fig. 3 zeigt, ist eine Impulsleitung 66 vorgesehen, die von einer an sie angeschlossenen Gleichspannungsquelle 67 aufgeladen wird. Die Impulsleitung 66 ist über einen Hochstromschalter 68, z. B. eine Anzahl Kugelfunkenstrecken, mit den Durchführungsklemmen 37 und damit mit den Primärwicklungen des Transformators 13 verbunden. Der Schalter 68 wird periodisch, beispielsweise durch einen Auslösegenerator 69, erregt, um die Impulsleitung 66 über die parallel geschalteten Primärwicklungen 36 periodisch zu entladen. Wenn der Wellenwiderstand der Impulsleitung 66 dem der Primärwicklungen 36 angepaßt ist, wird bei der Betätigung des Schalters 68 eine Hälfte der Ladespannung der Stromversorgungsquelle 67 gleichzeitig den Primärwicklungen aufgeprägt, während die übrige Hälfte der Spannung an der Impulsleitung auftritt.The excitation of the components of the electron gun 11 described above can take place by a circuit arrangement of the type shown in the circuit diagram of FIG. Like Fig. 3 shows, a pulse line 66 is provided, which is from a DC voltage source connected to it 67 is being charged. The pulse line 66 is via a high current switch 68, e.g. B. a number of spherical spark gaps, with the lead-through terminals 37 and thus with the primary windings of the transformer 13 connected. The switch 68 is periodic, for example by a trip generator 69, energized to periodically discharge the pulse line 66 through the primary windings 36 connected in parallel. When the characteristic impedance of the impulse line 66 is matched to that of the primary windings 36, is when the switch 68 is actuated, one half of the charging voltage of the power supply source 67 is simultaneously impressed on the primary windings while the remaining half of the voltage is applied to the pulse line occurs.

Zur Erregung der Elektronenquelle 14 ist an die Heizfadenzuführung 63 eine Einwegnetzgleichrichterschaltung 71 angeschlossen, während mit der Absaugelektrodenzuführung 64 eine Leistungsimpulsquelle 72 verbunden ist. Die Leistungsimpulsquelle 72 wird synchron mit dem Auslösegenerator 69 betrieben, so daß das Extraktionsfeld und das Beschleunigungsfeld gleichzeitig erzeugt werden. Die Leistungsimpulsquelle 72 und der Auslösegenerator 69 werden außerdem während der Nullphase der Einweggleichrichteranordnung 71 mit Impulsen erregt, um nachteilige Magnetfeldwirkungen auf den Elektronenstrahl durch das durch den Stromfluß durch den Heizfaden 58 erzeugte magnetische Feld auszuschalten. Während der abwechselnden Nulldurchgänge der Heizfadenstromperiode wird der Schalter 68 durch den Auslösegenerator 69 erregt und damit die Impulsleitung 66 über die Primärwicklungen 36 des Impulstransformators 13 entladen. Gleichzeitig mit dem Impulsbetrieb des Transformators 13 und der Erzeugung des Beschleunigungsfeldes erfolgt durch die Leistungsimpulsquelle 72 eine Impulsabgabe an die Absaugelektrode 59, so daß die aus der Kathode emittierten Elektronen als scharf begrenzte Elektronenimpulse von hoher Stromstärke extrahiert und in das Beschleunigungsfeld eingeleitet werden.A one-way power rectifier circuit is connected to the filament feed 63 to excite the electron source 14 71 connected, while with the suction electrode supply 64 a power pulse source 72 is connected. The power pulse source 72 becomes synchronous with the trip generator 69 operated so that the extraction field and the acceleration field are generated simultaneously. the Power pulse source 72 and trigger generator 69 are also activated during the zero phase of the Half-wave rectifier arrangement 71 excited with pulses to avoid adverse magnetic field effects on the Electron beam through the magnetic field generated by the flow of current through the filament 58 turn off. During the alternating zero crossings of the filament current period, the Switch 68 energized by the trip generator 69 and thus the pulse line 66 via the primary windings 36 of the pulse transformer 13 is discharged. Simultaneously with the impulse operation of the transformer 13 and the acceleration field is generated by the power pulse source 72 Pulse delivery to the suction electrode 59, so that the electrons emitted from the cathode are considered sharp limited electron pulses of high amperage are extracted and introduced into the acceleration field will.

Die Wirkungsweise des Transformators 13 bei der Erzeugung des Beschleunigungsfeldes von außerordentlich hoher Spannung wird durch das nachfolgend beschriebene Ausführungsbeispiel besser verständlich, bei welchem eine Spannung von 1 MV erzeugt wird. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind zwanzig elektrisch parallel geschaltete Primärwicklungen 36 mit je zwei Windungen um jeden von zwanzig Kernen 23 sowie eine Sekundärwicklung 38 mit acht Windungen vorgesehen. Dementsprechend besteht ein Aufwärtstransformierungsverhältnis von 4:1 je Kern zwischen jeder Primärwicklung 36 und der Sekundärwicklung 38. Da die Sekundärwicklung 38 aufeinanderfolgend durch die zwanzig Kerne 23 hindurchtritt, beträgt das resultierende Gesamtaufwärtstransformierungsverhältnis für die zwanzigThe operation of the transformer 13 in generating the acceleration field of extraordinary high voltage is better understood by the embodiment described below, at which a voltage of 1 MV is generated. In this embodiment are twenty primary windings 36 electrically connected in parallel with two turns around each of twenty cores 23 and a secondary winding 38 with eight turns are provided. Accordingly there is a 4: 1 step-up ratio per core between each primary winding 36 and of the secondary winding 38. Since the secondary winding 38 successively through the twenty cores 23 passes, the resulting total step-up ratio is for the twenty

Kerne 80:1. Daher wird bei einer Primärspannung von 1 V zwischen den Enden der Sekundärwicklung 38 eine Spannung von 80 V induziert. Bei einer Spannungsquelle 67 von 25 kV für das Laden der Impulsleitung 66 auf eine gleiche Spannung und bei 5 Anpassung des Wellenwiderstandes der Impulsleitung an den der Primärwicklungen 36 wird über den Schalter 38 an die parallelen Primärwicklungen eine Spannung von 12,5 kV gelegt. Infolge des Gesamtauf wärtstransformierungsverhältnisses von 80:1 wird in der Sekundärwicklung 38 eine Spannung von 1 MV induziert. Die Windungen der Sekundärwicklung sind jeweils mit der gleichen Zahl von Elektroden 46 verbunden, so daß den Elektroden insgesamt 1 WV verteilt zugeführt wird, und zwar mit einem Gradienten von etwa 125 kV zwischen benachbarten Elektroden. Der Feldgradient zwischen der ersten und letzten der Elektroden 46 beträgt daher 1 MV und beschleunigt die Elektronen auf eine Energie von 1 MeV.Cores 80: 1. Therefore, at a primary voltage of 1 V induces a voltage of 80 V between the ends of the secondary winding 38. At a Voltage source 67 of 25 kV for charging the pulse line 66 to an equal voltage and at 5 Adaptation of the wave resistance of the pulse line to that of the primary windings 36 is via the Switch 38 applied a voltage of 12.5 kV to the parallel primary windings. As a result of the total on transformation ratio of 80: 1 in the secondary winding 38 a voltage of 1 MV induced. The turns of the secondary winding each have the same number of electrodes 46 connected, so that a total of 1 WV is distributed to the electrodes, namely with one Gradients of about 125 kV between adjacent electrodes. The field gradient between the first and the last of the electrodes 46 is therefore 1 MV and accelerates the electrons to an energy from 1 MeV.

Zur Halterung der Elektroden 46 und zur Isolation der benachbarten Windungen der Sekundärwicklung 38 voneinander kann eine andere Anordnung vorgesehen werden. Dementsprechend kann anstatt der Abstandstücke 41 und der isolierten Hängestäbe 51 eine andere starre Hochspannungsisolierung von einer dem Fachmann bekannten Art zwischen den benachbarten Elektroden 46 angeordnet werden.To hold the electrodes 46 and to isolate the adjacent turns of the secondary winding 38 from each other, a different arrangement can be provided. Accordingly, can instead of the spacers 41 and the insulated hanging rods 51, another rigid high-voltage insulation arranged between the adjacent electrodes 46 of a type known to those skilled in the art will.

Claims

Claims: 30

1. Electron accelerators with spaced apart in a vacuum container coaxial electrodes that accelerate electrons emitted by an electron source and which at taps of the secondary winding of a arranged in the vacuum container Transformer are connected, characterized in that the secondary winding of the transformer is a waveguide winding that forms the housing of the electron source heated by a filament to the outside of the vacuum container that connects the power leads to the filament are guided through the waveguide and that the waveguide with a vacuum-tight bushing is provided for the power supply lines.

2. Electron accelerator according to claim 1, characterized in that the connection of the Waveguide to the housing of the electron source through a high-voltage cap.

3. electron accelerator according to claim 1 or 2, characterized in that between the housing of the electron source and the first acceleration electrode a suction electrode is arranged, the connecting lines to an outside of the vacuum container arranged pulse voltage source are passed through the waveguide via a seal.

4. electron accelerator according to claims 1 to 3, characterized in that the Power source for the filament of the electron source is a half-wave rectifier arrangement and that the pulse voltage source for the operation of the accelerator and the suction voltage source are excited synchronously during successive zero crossings of the filament current.

Considered publications:
U.S. Patent Nos. 2,144,518, 2,820,142.

1 sheet of drawings