DE1188225B - Einrichtung zum Bestrahlen eines Objektes mit Ladungstraegern - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

H05h

Deutsche Kl.: 21g-36

Nummer: 1188 225

Aktenzeichen: G 32524 VIII c/21 g

Anmeldetag: 19. Juni 1961

Auslegetag: 4. März 1965

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Bestrahlen eines Objektes mit Ladungsträgern gleichen Ladungszustandes.

Es ist bekannt, ein Objekt in vorgegebenem Abstand vor dem Strahlenaustrittsfenster einer oder mehrerer Beschleunigungsröhren anzuordnen, die einen Ladungsträgerstrahl erzeugen und Vorrichtungen aufweisen, die den Strahl linear über die Ebene des Strahlenaustrittsfensters führen.

Die Merkmale der Erfindung lassen sich bei verschiedenartigen Beschleunigungsvorrichtungen für positive oder negative Ladungsträger anwenden; der Gegenstand der Erfindung wird in erster Linie jedoch in Verbindung mit einem Elektronenstrahlerzeuger als bevorzugte Anwendungsform beschrieben. Als Elektronenstrahlerzeuger dient üblicherweise eine langgestreckte evakuierte Röhre, in der die Elektronen über einen großen Potentialunterschied zwischen einer Elektronenquelle, ζ. Β. einer Glühkathode am einen Ende der Röhre und einer Anode an ihrem anderen En.de beschleunigt werden. Die Anode enthält ein für Elektronen durchlässiges Fenster, durch das der Strahl auf einen zu bestrahlenden Gegenstand oder eine Substanz gerichtet ist. Der Strahl wird innerhalb der Röhre gebündelt und besitzt auf dem Fenster einen Durchmesser in der Größenordnung von 1 cm, der üblicherweise zunimmt, wenn der Strahl in die Atmosphäre eintritt, da die Elektronen im Fenster und beim Zusammentreffen von Gasteilchen innerhalb der Atmosphäre gestreut werden. Die Elektronendichte ist stets in der Nähe der Strahlrnitte am größten, während sie zum Rand hin beträchtlich abnimmt. Die Elektronenstromdichte besitzt nicht nur auf nebeneinanderliegenden Abschnitten eines Strahlquerschnittes Unterschiede, sondern normalerweise besitzen auch die verschiedenen Elektronen nicht die gleiche Energie. Die Energieunterschiede lassen sich auf geringe Veränderungen der Höhe der Beschleunigungsspannung zurückführen. Daher werden die Substanzen oder Gegenstände bei der Elektronenbestrahlung unterschiedlichen Energien oder Strahlenmengen bei unterschiedlichen Tiefen an verschiedenen Oberflächenabschnitten ausgesetzt.

Um die zur Verfügung stehende Ionisierungsenergie eines Elektronenstrahles zu verteilen, hat man den Strahl bereits in Längs- und Querrichtung zum Fenster durch übliche elektrostatische oder elektromagnetisch wirkende Ablenkeinrichtungen beeinflußt. Bei verschiedenen Einrichtungen, bei denen der Strahl impulsgesteuert ist und das Beschleunigungspotential sich sinusförmig während der Impuls-Einrichtung zum Bestrahlen eines Objektes
mit Ladungsträgern

Anmelder:

General Electric Company, Schenectady, N.Y.

(V. St. A.)

Vertreter:

Dr.-Ing. W. Reichel, Patentanwalt,

Frankfurt/M. 1, Parkstr. 13

Als Erfinder benannt:

James Albert Knowlton jun.,

Fox Point, Milwaukee, Wis.;

Richard Harold Arndt, Milwaukee, Wis.

(V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:

V. St. v. Amerika vom 20. Juni 1960 (37 360) --

dauer verändert, beispielsweise wenn ein Resonanztransformator verwendet wird, ist es üblich, ein Ablenkfeld zu erzeugen, das den Strahl bei allen aufeinanderfolgenden Stromimpulsen an dem gleichen Punkt des Fensters beginnen und nach einer Längsbewegung an dem gleichen Punkt enden läßt. Man kann auch sagen, es ist üblich, die aufeinanderfolgenden Impulse stets dann beginnen zu lassen, wenn die Ablenkspannung die gleiche Größe besitzt, und die Impulse zu beenden, wenn die Ablenkspannung wieder die gleiche Größe aufweist. Wenn ein sich sinusförmig änderndes Ablenkfeld vorhanden ist, versucht man üblicherweise, die Impulse zeitlich so abzustimmen, daß sie mit dem linearen Teil der ablenkenden Sinusschwingung zusammenfallen, wie dies annäherungsweise erreicht wird, wenn die Schwingung von dem positiven zum negativen Wert übergeht. Diese Maßnahme soll dazu dienen, den Strahl mit annähernd linearer Geschwindigkeit zu bewegen oder eine geringe Verzögerung in der Nähe der Ablenkungsendpunkte zu erzielen. Dazu wird die Ablenkfrequenz entsprechend ausgewählt und der Impuls phasenmäßig so gelegt, daß er andauert, bis die Ablenkspannung die stärker gekrümmten Abschnitte der Sinuswelle in der Nähe des Scheitels durchläuft. Damit läßt sich eine Vermehrung der Elektronen an den Rändern des Fensters erreichen, und das übliche Abfallen der Strahlstromstärke in der Nähe des Anfangs und des Endes eines jeden Impulses wird kompensiert. Dies geschieht zu dem Zweck, daß über dem überstrichenen Ab-

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schnitt des Fensters die gleiche Elektronendichteverteilung entsteht.

Während es für manche Anwendungsgebiete zulässig ist, einen Strahldurchmesser wiederholt in der gleichen Bewegung und mit linearer Geschwindigkeit über das Fenster zu bewegen, ist dies in anderen Fällen unvorteilhaft, da die maximale Strahlstromstärke und die beschleunigende Spitzenspannung immer dann auftritt, wenn der Strahl sich auf der gleichen Stelle auf dem Fenster befindet. Daraus entsteht eine Überhitzung und oftmals ein Schmelzen des Fensters oder eine Überdosis für die zu bestrahlende Substanz in den Bereichen, in denen die maximalen Ströme wiederholt auftreffen, und eine Unterbestrahlung anderer Abschnitte der Substanz sowie eine Veränderung des Durchdringungsgrades. Die Spitzenstrombereiche bestimmen die maximale Strombelastbarkeit des Fensters und damit auch die Auslegung des Elektronenstrahlgenerators selbst. Sie besitzen außerdem Einfluß auf die erforderliche Fensterkühlung und auf die Energieverluste am Fenster.

Wenn der Strahlimpuls verzerrt oder unsymmetrisch ist, lassen sich die Schwierigkeiten der Überhitzung dadurch verringern, daß der Strahl bei aufeinanderfolgenden Impulsen in abwechselnden Richtungen auf dem Fenster abgelenkt wird. In diesem Falle entstehen wechselweise an zwei Stellen maximale Strahlstromintensitäten und Beschleunigungsspitzenspannungen, so daß die Erhitzung des Fensters besser verteilt wird.

Bisher galt die Ansicht, daß eine gleichbleibende Ladung, d. h. eine ebene oder flache, gleichmäßige Elektronendichteverteilung über dem Fenster auch zu einer ebenen oder gleichmäßigen Elektronendichte in der Ebene des zu bestrahlenden Gegenstandes führt und demzufolge auch zu einer gleichmäßigen Durchdringung des Gegenstandes. Es hat sich jedoch gezeigt, daß diese Annahme nur unter ganz bestimmten Umständen richtig und für die meisten anderen praktischen Anwendungsbedingungen falsch ist. Wenn das Objekt unter dem Fenster einer für eine Million Elektronenvolt ausgelegten Röhre in einem sehr kleinen Abstand von dem Fenster, d. h. etwa 25 mm vorbeiläuft, dann kann die Elektronendichteverteilung am Objekt im wesentlichen die gleiche wie am Fenster sein. Bei der Untersuchung, auf der die vorliegende Erfindung aufbaut, hat sich ergeben, daß bei größeren Entfernungen als der genannte Wert vom Fenster die gleichbleibende Qualität der Elektronendichteverteilung sehr schnell verlorengeht; je größer der Abstand des Objektes von dem gleichmäßig belasteten Fenster ist, desto mehr verändert sich die Elektronenstrahlverteilung über dem Objekt. Demzufolge führen Bemühungen zur Erzielung einer gleichmäßigen Belastung des Röhrenfenster zu keinem Erfolg, wenn das zu bestrahlende Objekt in einer beträchtlichen Entfernung unter dem Fenster vorbeiläuft.

Die Elektronendichteverteilung verändert sich in Abhängigkeit von der Entfernung von dem Fenster infolge der Streuwirkung, die sich aus dem Zusammenstoß zwischen Elektronen des Strahls und den Bestandteilen der Luft zwischen dem Fenster und dem Gegenstand ergibt. Die Zusammenstöße der Elektronen mit Molekülen und Partikeln in der Luft führen zu einer Streukurve, die durch die Charakteristik der wahrscheinlichen Zusammenstöße auf dem Ablenkungsweg bestimmt wird. Die Zusammenstöße sind im wesentlichen isotrop. Die daraus zu beobachtende Wirkung besteht darin, daß jede mögliche Ablenkrichtung in einer bestimmten Zeitdauer von der gleichen Anzahl von Elektronen durchlaufen wird, die in dieser wie in jeder anderen möglichen Ablenkrichtung nach dem Zusammenstoß weiterfliegen. Daraus läßt sich ableiten und ist experimentell bestätigt worden, daß bei einer gleichmäßigen Elektronendichteverteilung in der Ebene des Röhrenfensters nach dem Durchqueren einer wesentlichen Entfernung in Luft in einer Ebene unterhalb des Fensters eine Dichteverteilung mit einer erhöhten Dichte im Mittelpunkt der Verteilung und einer geringen Dichte an den Außenbereichen entsteht. Dies läßt sich damit erklären, daß der Mitte des Verteilungsfeldes von beiden Seiten abgelenkte Elektronen zugeführt werden, während die Außenbereiche des Feldes nur abgelenkte Elektronen vom Fensterbereich her zugeführt erhalten und nicht von der Seite jenseits des Randes des Röhrenfensters. Die Elektronendichteverteilung besitzt daher ein Maximum in der Mitte und nimmt in der Größe in Richtung auf die Außenbereiche verstärkt ab. In diesem Fall folgt die Durchdringungsfähigkeit eines solchen Elektronen-Strahls der gleichen Verteilerkurve. Die Nichtlinearität der Elektronendichteverteilung nimmt mit der Entfernung vom Fenster zu, was so zu verstehen ist, daß bei sehr geringen Entfernungen vom Fenster die einheitliche Verteilung erhalten bleibt, während bei größeren Entfernungen vom Fenster die Wirkungen der Elektronenstreuung sich immer mehr bemerkbar machen.

Da vom praktischen Standpunkt her der Verlauf der Elektronendichteverteilung am zu bestrahlenden Gegenstand von größter Wichtigkeit ist, waren vollkommen neue Maßnahmen hinsichtlich der Belastung des Röhrenfensters erforderlich.

Die Hauptaufgabe der Erfindung wird darin gesehen, ein Objekt mit einem Strahl von Ladungsträgern gleichmäßig in jeder gewünschten praktisch vorkommenden Entfernung unterhalb der Ebene des Fensters der den Strahl erzeugenden Vorrichtung zu bestrahlen.

Es hat sich herausgestellt, daß eine nicht gleichförmige Elektronendichteverteilung über dem Röhrenfenster erforderlich ist, um eine gleichförmige Elektronendichteverteilung in der Ebene des bestrahlten Gegenstandes zu erzielen, der mehrere Zentimeter unterhalb des Röhrenfensters liegt, und daß die nicht gleichförmige Verteilung über dem Fenster eine ganz besondere Form aufweisen muß.

Gemäß der Erfindung wird dieses Zeil durch Mittel erreicht, die den Strahl während des Ablenkvorgangs so beeinflussen, daß längs der Ablenkstrecke in der Ebene des Strahlenaustrittsfensters eine derart ungleichförmige Dichteverteilung der Ladungsträger entsteht, daß die Dichteverteilung in der zum Strahlenaustrittsfenster parallelen Ebene des zu bestrahlenden Objektes gleichmäßig verläuft.

Die Erfindung kann sowohl bei Anwendung einer einzelnen als auch bei Verwendung zweier oder mehr Elektronenstrahlröhren verwirklicht werden.

Bei einer Ausführungsform gemäß der Erfindung mit einer einzigen Beschleunigungsröhre weist die Dichteverteilung der Ladungsträger in der Ebene des Strahlungsaustrittsfensters zwei Maxima auf, die zu beiden Seiten der Mitte der Ablenkstrecke in der Fensterebene liegen.

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Der Abstand zwischen den in der Ebene des Fen- genden Sinuswellenspannung, der von 10 bis 90°, sters liegenden Maxima ist vorzugsweise veränderbar, aber bei den meisten Anwendungsarten von 60 bis während das Minimum der Dichteverteilung zweck- 90° andauert. Bei einer derartigen Anordnung liegt mäßig in der Mitte der Ebene des Fensters liegt. Es die Elektronendichte am Beginn des Impulses und kann ferner erforderlich sein, die beiden in der Ebene 5 nimmt am Ende ab. Ein phasenmäßig so erzeugter des Fensters liegenden Maxima näher an den Außen- Impuls ist gleichmäßiger als einer, der durch Überbereichen als der Mitte der Verteilungskurve anzu- lastung des Resonanztransformators entsteht und daordnen und die Anordnung so zu treffen, daß die her unter bestimmten Bedingungen auch zweckmäßi-Maxima annähernd gleiche Abstände von der Mitte ger. Andererseits muß auf die Erhöhung des Wirdes Fensters aufweisen. io kungsgrades infolge des größeren Elektronenstromes

Beim Ablenkvorgang wird die Energie der La- bei überlastetem Resonanztransformator verzichtet

dungsträger vorzugsweise so gesteuert, daß die werden.

höchste Energie des Ladungsträgerstrahls näher den Sämtliche oben und nachfolgend beschriebenen

Begrenzungen des Fensters als dessen Mitte liegt. Einrichtungen zur Steuerung der Elektronenimpuls-

Die Erfindung kann auch mit einer Impulssteue- 15 verteilung sind so ausgebildet, daß jede beliebige

rung des Elektronenstrahls verwirklicht werden, der- Kombination möglich ist und sie sämtlich zu gleicher

art, daß die eine Hälfte des Fensters beim Hinlauf Zeit angewendet werden können,

und daß die andere Hälfte des Fensters beim Rück- Die neuartigen Merkmale der Erfindung werden

lauf vom Strahl durchsetzt wird. zusammen mit weiteren Zielen und Vorteilen in der

Die Phasenbeziehung der Ablenkspannung zur 20 folgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die

Beschleunigungsspannung sowie die Amplitude der Zeichnungen erläutert.

Ablenkfrequenz sind Hilfsmittel zur Beeinflussung F i g. 1 ist eine graphische Darstellung der Elekdes Abstandes, um die die beiden Elektronendichte- tronendichteverteilung gemäß bekannten Anordnunmaxima in der Ebene des Fensters voneinander ge- gen in der Fensterebene eines Elektronenstrahltrennt sind. Durch Veränderung der Phasenbeziehung 25 generators und in einer Ebene parallel zum Fenster oder der Amplitude oder beider Größen der Ablenk- unter einem vorbestimmten Abstand unterhalb des frequenz kann eine Elektronendichteverteilung in der Fensters, wobei die Fensterabmessung in der Abs-Ebene des Fensters so verändert werden, daß eine zisse und die Elektronendichte in der Ordinate aufgleichförmige Verteilung in beinahe jeder gewünsch- getragen sind;

ten Entfernung unterhalb des Fensters und damit für 30 F i g. 2 ist eine graphische Darstellung von Elek-

fast jede Lage des Gegenstandes erreicht wird. tronendichteverteilungen gemäß der Erfindung;

Nach der Erfindung wird ein bisher als Nachteil F i g. 3 ist eine graphische Darstellung von Elek-

angesehenes Merkmal in dem Aufbau von Elek- tronendichteverteilungen unter verschiedenen aufein-

tronenstrahlerzeugern zu einem Hilfsmittel gemacht, anderfolgenden Abständen zwischen der Ebene des

um den Wirkungsgrad von Elektronenstrahlerzeuger- 35 Röhrenfensters und der Ebene der Oberfläche eines

röhren zu erhöhen. Es ist bekannt, daß die Über- bestrahlten Gegenstandes;

lastung des Resonanztransformators eines Elek- Fig. 4, 4 A und 4 B sind Schaltbilder und Schema-

tronenstrahlerzeugers zur unerwünschten Verformung zeichnungen eines Elektronenstrahlerzeugers mit

von Elektronenstrahlimpulsen führt, wobei die Ver- Resonanztransformator zur Verwendung in der er-

teilung des Elektronenstrahls bezüglich der Zeitachse 40 findungsgemäßen Anordnung;

unsymmetrisch wird. Dies kann zu einer Dichte- Fig. 5A und 5B stellen bestimmte Phasenbezie-

verteilung im Elektronenstrahl führen, bei der eine hungen zwischen der Beschleunigungsspannung und

ausgeprägtere Anstiegszeit als Abfallzeit vorhanden den Gittersteuerimpulsen des Generators nachFig. 4

ist. Andererseits führt die Überlastung des Trans- dar;

formators zu dem erwünschten Ergebnis, daß die 45 Fig. 6 ist eine Draufsicht auf zwei der Elektronen-Elektronenstrahlerzeugereinheit bei einem höheren strahlerzeuger nach F i g. 4 in der Anordnung gemäß Elektronenstrom als ohne Überlastung arbeitet und einer Weiterbildung der Erfindung;
dadurch eine größere Strahlungsmenge mit einer F i g. 7 ist eine graphische Darstellung der Elekbesseren Tiefenwirkung erzeugt. Wenn jedoch gemäß tronendichte auf der Zeitachse, die sich in der Ander Erfindung die Dichteverteilung am Fenster nicht 50 Ordnung nach F i g. 6 ergibt;

gleichmäßig sein muß, ist ein unsymmetrischer Elek- F i g. 8 ist eine graphische Darstellung der Elek-

tronenstrahlimpuls von Vorteil, wobei sich gerade tronendichteverteilung, wie sie durch die Anordnung

die Überlastung des Resonanztransformators als eine nach Fig. 6 erzeugt wird;

günstige Maßnahme erweist. F i g. 9 ist eine graphische Darstellung von Elek-

Bei der Einrichtung mit zwei getrennten Elek- 55 tronendichteverteilungen, wie sie erzielt werden,

tronenstrahlröhren, bei der die Frequenz der Ablenk- wenn drei Elektronenstrahlerzeuger erfindungsgemäß

spannung die gleiche wie die Frequenz der Beschleu- angeordnet werden;

nigungsspannung ist, läßt sich die erforderliche Fig. 10 und 11 zeigen die Anordnung einer einAsymmetrie bei jedem Impuls dadurch herstellen, zelnen Elektronenstrahlröhre mit zwei virtuellen daß der Steuerimpuls für die Vorspannung des Roh- 60 Elektronenstrahlquellen in der Ausbildung gemäß rengitters relativ zum Spitzenwert der beschleunigen- der Erfindung.

den Sinuswellenspannung verzögert wird, so daß die In der F i g. 1 zeigt die Kurve 4 die Elektronen-Röhre an oder in der Nähe des Scheitels der Sinus- dichteverteilung in der Röhrenfensterebene im Verweile zu zünden beginnt. Eine ähnliche Anordnung gleich zur Verteilung in einer mehrere Zentimeter läßt sich im Falle einer einzelnen Elektronenröhre 65 unterhalb des Fensters liegenden Ebene entsprechend mit wechselweise erfolgender Ablenkung verwenden. der Kurve 5. Auf der senkrechten Achse ist die Dies führt zur Erzeugung eines Elektronenstrahls an Elektronendichte aufgetragen, so daß ein Vergleich oder in der Nähe des Maximalwertes der beschleuni- der Dichteverteilungen in einem relativen Sinn abge-

lesen werden kann, während auf der Abszisse Abstandseinheiten rechts und links von der Mittelpunktslinie C_L des Röhrenfensters in der Ebene des Fensters ausgetragen sind. Die Dichteverteilung 4 in der Ebene des Fensters besitzt im wesentlichen einen konstanten Wert und erstreckt sich flach über die Länge des Fensters, was sich durch Ablenkung erreichen läßt. In einer Ebene von mehreren Zentimetern unterhalb des Fensters verstärkt sich jedoch die Dichteverteilung in der Mitte, wie bereits zuvor erwähnt, gemäß der Kurve 5 und ergibt eine nicht konstante Verteilung, die symmetrisch zu einem einzelnen Maximum am Mittelpunkt des Röhrenfensters liegt. An den Enden der Verteilungskurve entstehen keinerlei Zuschüsse von den Flächen jenseits der Fensterkanten, die sich an den Abszisseneinheiten 7 ganz rechts und ganz links befinden, da sich dort keine Elektronen ausbreiten, und demzufolge findet auch keine Streuung von dem Bereich außerhalb dieser Einheiten 7 statt, die sich dem Endverlauf der Dichteverteilung zuaddieren könnte. Die graphische Darstellung in der F i g. 1 ist für einen Elektronenstrahlerzeuger für 1 MeV charakteristisch, der bei annäherungsweise 3 mA Strahlstromstärke arbeitet oder für einen Elektronenstrahlerzeuger für 2 MeV, der bei annähernd 5 mA Strahlstromstärke arbeitet.

In der Fig. 2 ist eine verbesserte Elektronendichteverteilung dargestellt, die sich aus der Anwendung der erfindungsgemäßen Merkmale ergibt. Die Kurve 6 in der F i g. 2 stellt die Elektronendichteverteilung in die Röhrenfensterebene dar; sie ist symmetrisch zur Mittellinie des Fensters, wobei jedoch in jeder Hälfte des Fensters die Verteilung nicht symmetrisch zur Mitte der Hälfte liegt. Der Punkt der maximalen Elektronendichte liegt in beiden Fensterhälften etwas dichter am Fensterrand als an der Mittellinie. Die Verteilung über dem gesamten Fenster verläuft symmetrisch bezüglich der Mittellinie. Eine Verteilung entsprechend der Kurve 6 am Fenster führt zu einer Verteilung in einer Ebene von etwa 30 cm unterhalb des Fensters entsprechend der Kurve 7. Als Folge der Ausbreitung vom Fenster auf die Ebene des unterhalb gelegenen bestrahlten Gegenstandes wird die Elektronendichte in der Mitte und an den Enden so verstärkt, daß sich die relativ flache Kurve 7 ergibt. Auf diese Weise führt die geschilderte ungleichförmige Verteilung am Röhrenfenster zu einer im wesentlichen gleichförmigen Verteilung in einer Ebene in einer geringen Entfernung darunter; dabei handelt es sich um die Ebene des bestrahlten Gegenstandes.

Die beiden Maxima der Kurve 6 können mittels einer doppelten virtuellen Elektronenquelle oder zweier räumlich getrennter Quellen von Elektronenstrahlen erzielt werden. Tatsächlich läßt sich dies mit einem einzigen Elektronenstrahlerzeuger erreichen, der scheinbare doppelte Elektronenquellen an seinem Röhrenfenster erkennen läßt. Diese Verteilung wurde beispielsweise bei einer Röhre für 1 MeV erzielt, die bei einem Strahlstrom von 5 mA arbeitet. In dieser Anordnung ergab sich die Kurve 7 bei einer Entfernung von 30 cm unterhalb der Ebene des Röhrenfensters.

In der F i g. 3 sind drei Kurven 8, 9 und 10 angegeben, welche Dichteverteilungen in drei aufeinanderfolgenden Ebenen darstellen, die in einem Abstand von 3, 10 bzw. 20 cm unterhalb des Röhrenfensters angeordnet sind. Damit zeigen die Fig. 2 und 3, wie die Streuung der Elektronen als Funktion der Entfernung die Gestalt der Dichteverteilung verändert. Der Abstand von 30 cm entsprechend der Kurve 7 bietet die beste Lage für einen zu bestrahlenden Gegenstand, wenn die besondere Elektronenstrahldichteverteilung über dem Röhrenfenster verwendet wird, wie sie durch die Kurve 6 gegeben ist.

Aus den Kurven der F i g. 2 und 3 ergibt sich, daß die Lage der Maxima der Dichteverteilung an dem Fenster einen wichtigen Einfluß auf die Verteilung in Ebenen unterhalb des Fensters ausübt. Zur Berücksichtigung der weiter oben geschilderten Elektronenstreuung müssen die Maxima näher am Fensterrand als der Fenstermittellinie gerückt werden, damit eine gleichförmige Verteilung an einer beliebigen Entfernung unterhalb der Ebene des Fensters erzielt wird.

Zwei räumlich getrennte Beschleunigungsröhren lassen sich verwenden, um die Verteilung der Kurve 6 zu erzielen, wobei jede einzelne Röhre eine Verteilung ergibt, wie sie für jeweils eine Fensterhälfte links und rechts von der Mittellinie eingetragen ist. Dabei würde die links angeordnete Röhre eine Verteilung, wie sie auf der linken Seite von der Mittellinie in F i g. 2 dargestellt ist, und die rechte Röhre, die direkt neben der linken Röhre liegt, die zweite Hälfte der Verteilungslinie rechts von der Mittellinie in F i g. 2 herstellen. Nachdem vorangehend die wünschenswerten Ergebnisse beschrieben worden sind, die sich entsprechend den Merkmalen der Erfindung ergeben, soll nun als Beispiel eine Elektronenbeschleunigungsröhre erläutert werden, die in den Anwendungen der Erfindung benutzt wird.

Die F i g. 4 gibt einen Elektronenbeschleuniger mit Bau- und Steuerteilen wieder, die die gewünschte Dichteverteilung ermöglichen. In einer evakuierten Röhre 10 werden Elektronen auf hohe Energien in der Größenordnung von 0,3 bis 24 MeV beschleunigt. Die Röhre 10 enthält eine Anzahl von Glasringen 11, die über Metallabstandskörper 12 miteinander luftdicht verschlossen sind. Die Röhre enthält am oberen Ende eine Heizkathode 14 mit Fokussierungsvorrichtung und ein Steuergitter 15. Die Heizleitungen 16 laufen durch vakuumdichte Isolatoren 17.

Die Röhre 10 ist an ihrem unteren Ende durch einen Metallring 18 begrenzt, an dem ein Metallrohr 19 mit einem sich aufweitenden Röhrenabschnitt 20 angeschlossen ist. Die erweiterte Röhre 20 endet an einem Anpassungsstück 21, das durch ein elektronendurchlässiges Ausgangsfenster 22 verschlossen ist, das üblicherweise aus sehr dünnem Titan, Aluminium oder anderem Metall niedriger Atomzahl besteht. Die in diesem Absatz genannten Bauelemente stellen die beschleunigende Anode dar und sind an der Stelle 23 in üblicher Weise geerdet, so daß bezüglich des Potentials der Kathode 14 ein Nullpotential vorliegt. Auf diese Weise erhält ein Elektronenstrahl, der durch die gestrichelte Linie 24 eingezeichnet ist, ausreichend Energie, um durch das Fenster 22 zu gelangen und ein Erzeugnis 25 zu bestrahlen, das beispielsweise unterhalb des Fensters auf einem Förderband 26 liegt.

Die Beschleunigungsspannung kommt von der Hochspannungswicklung 30 eines Resonanztransformators 31. Die Wicklung 30 umgibt üblicherweise die Beschleunigungsröhre 10. An dem oberen Ende mit hohem Potential ist die Wicklung 30 an eine

Kathodenzuführung 16 angeschlossen, während ihr unteres Ende 32 ebenso wie die Anode an der Stelle 23 geerdet ist. Abgriffe 33 auf der Sekundärwicklung sind mit entsprechenden Zwischenelektroden 34 innerhalb der Röhre 10 verbunden, um einen schrittweise ansteigenden Potentialunterschied zwischen den Enden zu erzeugen. Der Aufbau des Resonanztransformators und der Beschleunigungsröhre mit den hier beschriebenen Merkmalen ist im einzelnen beispielsweise in der USA.-Patentschrift 2144518 beschrieben.

Die Beschleunigungsröhre 10 und die sich konzentrisch umgebenden Resonanztransformatorwicklungen 30 können in einem Behälter 27 untergebracht sein, von dem ein Teil in der Fig. 4 dargestellt ist und der mit einem dielektrischen Medium, beispielsweise Öl oder Druckgas, gefüllt ist.

Es sind Einrichtungen vorgesehen, die zwischen die Kathode 14 und das Steuergitter 15 eine Vorspannung legen, so daß die Röhre 10 nur dann leitet, wenn die Beschleunigungsspannung sich an ihrem oder in der Nähe ihres positiven Spitzenwertes befindet. Die Vorspannung wird von einer sinusförmigen Spannung abgeleitet, die an dem Kondensator entsteht, der zwischen dem Behälter 27 und einer Kappe 37 oberhalb der Röhre 10 gebildet wird. Der Ladestrom zusammen mit dieser Spannung wird in ein Steuergerät 40 über eine Leitung 28 von der Kappe 37 und über eine Leitung 29 von der Hochspannungsseite der Sekundärwicklung 30 eingeführt. In dem Vorspannungssteuergerät 40, das weiter unten im einzelnen beschrieben wird und in Fig. 4B gezeigt ist, befinden sich ein Gleichrichter und eine Schaltung zur Herstellung rechteckförmiger Impulse, die in Phase mit der Beschleunigungsspannung an die Gitter-Kathoden-Strecke über die Leitungen 38 und 39 angelegt werden können; die Vorspannung ist so angelegt, daß die Röhre bei Impulsen leitet, die auftreten und andauern, wenn sich die Beschleunigungsspannung im Bereich der positiven Spitzenwerte ihrer Sinuskurve befindet. Das Vorspannungssteuergerät 40 besitzt vorzugsweise eine Bauform, wie sie im einzelnen in der USA.-Patentschrift 2 897400 für eine einstellbare Vorspannung eines Elektronenstrahlgerätes beschrieben ist. Es enthält Einrichtungen in Form einer veränderlichen Induktivität, um die Phase der Gittervorspannungsimpulse relativ zur Beschleunigungsspannung zu verändern.

Die in Fig. 4B dargestellte Schaltungsanordnung des Gerätes 40 enthält eine Gleichrichterbrücke 118, die in Reihe mit dem Hochspannungsanschluß der Sekundärwicklung 30 und der Kappe 37 geschaltet ist. Sie liefert an den Ausgangsklemmen 119 und 120 einen Strom der eingezeichneten Polarität. Eine Bezugsspannungsschaltung 91 liegt zwischen den Klemmen 119 und 120 und enthält einen Gleichrichter 92, der in Reihe mit einem Kondensator 93 geschaltet ist, so daß dieser durch den Strom aus der Gleichrichterbrücke 118 aufgeladen wird. Im Nebenschluß zum Kondensator 93 liegt ein Ableitwiderstand 94, wodurch eine gleichbleibende Spannung auf dem Kondensator gewährleistet bleibt. Parallel zu dem Kondensatorkreis und parallel zu den Klemmen 119 und 120 liegt eine Strombegrenzerschaltung 96 mit einer veränderlichen Induktivität 97 und einem in Reihe geschalteten Widerstand 98. Die Veränderung der Induktivität 97 dient zur Veränderung der Phasenlage des Gittersteuerimpulszuges relativ zur Beschleunigungsspannung. Die Ausgangsspannung aus der Vorspannungsschaltung wird der Primärwicklung eines Aufwärtstransformators 100 zugeführt, dessen Sekundärwicklung 121 zwischen dem Heizfaden und der Steuerelektrode liegt. Da die der Primärwicklung des Transformators zugeführte Ausgangsspannung der Vorspannungsschaltung im wesentlichen eine Gleichspannungskomponente besitzt, ist es notwendig, einen Sperrkondensator 124

ίο vorzusehen. Es ist ferner zweckmäßig, im Kreis der Sekundärwicklung 121 eine Schaltungsanordnung vorzusehen, die aus einem in Reihe zur Wicklung 121 liegenden Kondensator 122 und einem parallel zur Wicklung 121 und zum Kondensator 122 liegenden Gleichrichter 123 besteht, der so gepolt ist, daß er nur die negativen Spannungsspitzen durchläßt, die durch die Vorspannungsschaltung erzeugt werden.

Die Beziehung der Gittersteuerimpulse (und damit wiederum die der Strahlstromimpulse) zur Beschleunigungsspannung, die zwischen der Kathode 14 und dem Fenster 22 auftritt, läßt sich aus den Fig. 5A und 5 B erkennen. Die Kurve der Beschleunigungsspannung 44 kann eine Amplitude im Bereich von mehr als 1 Million Volt aufweisen bei einer Frequenz von 180 Hz. Da die Röhre 10 nur dann leitet, wenn die Anode positiv in bezug auf die Kathode 14 ist, erscheinen Stromimpulse entsprechend den Gittersteuerimpulsen 45 oder 46 nur während der positiven Halbperiode der Beschleunigungsspannung.

Durch geeignete Einstellung der Vorspannung kann das Gitter so vorgespannt werden, daß es die Röhre sperrt, bis die Spannungskurve 44 sich in der Nähe des Maximalwertes befindet, wobei aus dem üblicherweise sinusförmigen Stromverlauf ohne Vorspannung ein im wesentlichen, jedoch nicht vollkommen rechteckiger Stromimpuls gebildet wird (wie dies durch die Schnitte der gestrichelt gezeichneten Verlängerungen der Impulsseiten 45 oder 46 mit der Kurve 44 dargestellt ist). Hierbei ist besonders wichtig, daß die Symmetrie der Elektronenstromimpulse, die aus den Steuerimpulsen 45 entstehen, bei bestimmten Ausführungsarten gemäß den Merkmalen der Erfindung nicht wünschenswert ist und an Stelle dessen asymmetrische Impulse aus den Steuerimpulsen 46 nach der Fig. 5B bevorzugt werden, wie dies im einzelnen weiter unten beschrieben ist. Die asymmetrischen Elektronenstrahlimpulse lassen sich leicht durch eine Veränderung der Phasenlage der Gittersteuerimpulse relativ zur Beschleunigungsspannung in dem Steuergerät 40 nach der Fig. 4B erzielen. Wie die Zeitachse in Fig. 5B erkennen läßt, ist die Versetzung der Impulse 46 so gewählt, daß die größte Strahlenergie zu Beginn des Impulses auftritt. In diesem Beispiel wird die Stromimpulsbreite zweckmäßigerweise bei der Frequenz von 180 Hz zwischen 60 und 90° gewählt. Auf diese Weise treffen nur Elektronen mit hoher Energie auf das Fenster, und die Fensteraufheizung wird verringert, da Elektronen mit geringer Energie, die von dem Fenster 22 absorbiert werden und ihre Energie in Form von Wärme abgeben wurden, nicht vorhanden sind. Der Resonanztransformator 31 enthält eine Primärwicklung 46 mit im Vergleich zur Sekundärwicklung wenigen Windungen, die über eine Amplitudensteuerschaltung 47, die in diesem Fall aus einem Generator 48 mit 180 Hz gespeist ist, mit Strom versorgt wird. Der Generator 48 enthält übliche (nicht dargestellte) Zündsteuerungen und

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wird mechanisch durch einen schematisch dargestell- Bei anderen Ausführungsformen der Erfindung

ten Synchromotor 49 angetrieben. entsprechend den Fig. 10 und 11 ist die Frequenz-

Bei der vorliegenden Erfindung wird die Spannung steuerschaltung 54 ein Frequenzteiler, der die Fre-

von der Frequenzsteuerschaltung 54 Einrichtungen quenz von 180 Hz teilt, die von der Sekundärwick-

zur Ablenkung des Elektronenstrahls 24 über die 5 lung 30 über die Platte 36 ausgekoppelt wird, er

lange Abmessung des Fensters 22 zugeführt, auf dem liefert eine Ablenkfrequenz von 90 Hz zu den Ab-

der Strahlpunkt seine Bewegung ausführt. Die Ab- lenkspulen 50. Ein besonders bevorzugter Frequenz-

lenkeinrichtungen können elektrostatisch sein, sind teiler für die Schaltung 54 läßt sich in bekannter

in diesem Fall jedoch elektromagnetische Spulen 50 Weise dadurch aufbauen, daß synchronisierte in-

auf gegenüberliegenden Seiten der Anodenröhre 19. io stabile Multivibratoren verwendet werden, die für

Ein anderer Satz Ablenkspulen 59 unter rechtem den erforderlichen Teilbetrag der 180-Hz-Frequenz Winkel zu den Spulen 50 wird durch eine Hoch- gesperrt werden können. Die Verwendung derartiger frequenzspannung erregt, die einen Fluß erzeugt, der synchronisierter Multivibratoren in Frequenzteilerden Strahlpunkt bei jedem Stromimpuls äußerst schaltungen sind allgemein bekannt und können beischnell über die kleine Abmessung des Fensters 22 15 spielsweise dem »Radio Engineering Handbook« von ablenkt. Zur Speisung der Spulen 59 kann jeder be- Keith H e η η e y, McGraw-Hill Book Co., 5. Aufliebige geeignete Oszillator dienen. Bei einer handeis- lage, S. 16 bis 58, entnommen werden.
üblichen Ausführung, bei der die Strahlspur das Die F i g. 6 bis 9 zeigen die Ausführungsform der Fenster mit 180Hz in der langen Ausdehnung über- Erfindung, die mehrere Beschleunigerröhren verwenstreicht, liegt die Querablenkfrequenz im Bereich von 20 det, welche zusammen gemäß den Merkmalen der 200 kHz. Im allgemeinen kann jedoch die Quer- Erfindung die erforderliche ungleichförmige Dichteablenkfrequenz unter Berücksichtigung des Strahl- verteilung in der Ebene der kombinierten Fenster punktdurchmessers, der Fenstergröße und des er- erzeugen. Dieses führt wiederum zu der erwünschten forderlichen Betrages der Überlagerung des Strahl- gleichmäßigen Verteilung in einer Ebene darunter, punktes ausgewählt werden. Dies wird üblicherweise 25 die mit der Oberflächenebene des zu bestrahlenden wiederum durch die Eigenschaft des zu bestrahlen- Gegenstandes zusammenfällt. In der Fig. 6 sind den Erzeugnisses bestimmt sowie von der Geschwin- zwei Röhren genau der gleichen Bauart, wie sie im digkeit, mit der das Erzeugnis zugeführt wird, und einzelnen an Hand der Fig. 4 und 4A erläutert worvon den erforderlichen Strahlungsmengen. Die Ab- den ist, dargestellt. Es ist nur der aufgeweitete untere lenkung des Strahls in zwei Richtungen soll dazu 30 Abschnitt der Röhren dargestellt, um den räumlichen dienen, den Elektronenstrahl so gleichmäßig wie Abstand der Fenster der beiden Röhren relativ zu möglich auf die zu bestrahlenden Gegenstände zu dem bestrahlten Gegenstand anzugeben. In allen Fälverteilen. Die Gegenstände können ortsfest liegen len sind gleichartige Teile mit gleichen Bezugsoder auf einem Förderband 26 weitertransportiert zeichen versehen, die jedoch zur Unterscheidung der werden, um sie aus dem Strahlungsfeld herauszu- 35 ersten und zweiten Röhre mit den Indizes ' und " bewegen, nachdem sie eine vorbestimmte Strahlungs- versehen sind.
menge aufgenommen haben. Die beiden Röhrenfenster 22' und 22" liegen in

Es ist ein übliches Verfahren und kann bei be- einer gemeinsamen Ebene, und die langen Abmesstimmten Ausführungsformen gemäß der Erfindung sungen der Fenster sind in einer Richtung so zueinangewendet werden, daß der Strahl über die lange 40 ander angeordnet, daß die Summe der beiden langen Fensterabmessung durch eine Spannung abgelenkt Abmessungen annähernd gleich der Querabmessung wird, die von dem Resonanztransformator mit der des Gegenstandes 25' ist, der unter den Fenstern zu gleichen Frequenz wie die Stromimpulsfolge und die Bestrahlungszwecken vorbeiläuft. Wie nach den Beschleunigungsspannung abgeleitet, wird. Die für Fig. 4 und 4A wird der Gegenstand 25' unter den die Längsrichtung in Frage kommende Ablenkspan- 45 Röhren mittels eines Förderbandes 26' befördert. In nung (d. h. längs zur langen Achse des Fensters 22, dieser Anordnung sind der Gegenstand 25' und das jedoch quer zur Bewegungsrichtung des Gegenstan- Förderband 26' annähernd doppelt so breit wie die des 25 auf dem Förderband 26) zur Ablenkung des entsprechenden Teile in Fig. 4 und 4A. Die VerStrahls über das Röhrenfenster 22 kommt aus der Wendung von zwei getrennten Röhren ist dann vorSekundärwicklung des Resonanztransformators über 50 teilhaft, wenn der zu bestrahlende Gegenstand bedie Spannungsabnahmeplatte 36 und über die Fre- sonders breit und insbesondere eine größere Breite quenzsteuerschaltung 54 an die elektromagnetischen aufweist, als von der Strahlspur einer einzelnen Ablenkspulen 50. In der erfindungsgemäßen Anord- Röhre überstrichen werden könnte.
nung nach den Fig. 6 bis 9, die weiter unten be- Die Elektronenstrahlen 24' und 24" werden über schrieben wird, kann die Frequenzsteuerschaltung 54 55 die Länge der entsprechenden Röhrenfenster zu nebengeschlossen werden, da die Ablenkfrequenz die jedem einzelnen Zeitpunkt in entgegengesetzten Richgleiche wie diejenige der Beschleunigungsspannung, tungen zueinander abgelenkt. Obwohl eine derartige d. h. 180 Hz sein kann. Ein veränderlicher Wider- Synchronisation der Elektronenstrahlablenkung nicht stand 51 dient zur Steuerung der Größe der Ablenk- so wesentlich für den Betrieb dieser Ausführungsart spannung zur Erregung der Ablenkspulen 50, wäh- 60 ist, wird jedoch dadurch das Verständnis für die rend ein veränderlicher Phasenschieber 55, beispiels- nachfolgende Beschreibung erleichtert,
weise ein üblicher ÄC-Phasenschieber zur Steuerung Bei einer Betriebsart der Ausführungsform nach der Phasenlage der Ablenkspannung relativ zur Be- der F i g. 6 beträgt die Längsablenkungsfrequenz bei schleunigungsspanming dient. Sowohl die Phasen- als jeder Röhre 180 Hz, d. h. die gleiche Frequenz, wie auch die Amplitudensteuereinrichtung 51 und 55 las- 65 die Beschleunigungsspannung. Falls andere Gründe, sen sich dazu verwenden, die Asymmetrie in der beispielsweise die Röhrenbelastung, es erfordern, Dichteverteilung gemäß der Erfindung zu erzeugen, können auch andere Frequenzen benutzt werden. Die was weiter unten beschrieben wird. Frequenzsteuergeräte 54 nach der F i g. 4 sind

13 14

parallel geschaltet und arbeiten mit der gleichen Fre- pulses an der rechten Kante des Fensters 22" und

quenz wie die von der Sekundärwicklung des Reso- die Rückflanke an der linken Kante dieses Fensters

nanztransformators aus gekoppelte Spannung. Bei liegt.

diesem Vorgang werden die Elektronenstrahlimpulse Die Fig. 8 zeigt die Elektronendichteverteilung

der Länge des Fensters nach so abgelenkt, daß die 5 über die zusammengesetzten Längen der Fenster 22'

Elektronen zu Beginn des Impulses an der linken und 22". Es läßt sich erkennen, daß die Verteilung

Kante des Fensters 22' beginnen und am Ende des zwei Maxima aufweist und die Verteilungskurve 62

Impulses an der rechten Kante des Fensters 22' enden, auf der linken Seite der Linie 6I₃ die üer Verteilung

so daß jeder Impuls das gesamte Fenster bestreicht. über dem Fenster 22' entspricht, ein Spiegelbild der

Die Fenster 22' und 22" liegen an einem gemein- io Dichteverteilung 63 auf der rechten Seite der Linie

samen Punkt auf der Linie 61 aneinander, d. h., die 61 ist, die wiederum der Verteilung über dem Fen-

rechte Kante des Fensters 22' und die linke Kante ster 22" entspricht. Weiter läßt sich entnehmen, daß

des Fensters 22" vereinigen sich an der Linie 61. diese Verteilung im wesentlichen die gleiche wie die-

Der zweite Elektronenstrahl wird über das Fenster jenige der Kurve 6 in F i g. 2 und damit die er-

22" in gleicher Weise, jedoch in entgegengesetzter 15 wünschte Elektronendichteverteilung in der Ebene

Richtung abgelenkt. Die Vorderflanke des Elek- des Röhrenfensters gemäß den Merkmalen der Er-

tronenimpulses wird zunächst über das Fenster 22" findung darstellt. Die Kurve 64 in Fig. 8 gibt die

an der rechten Kante beginnend abgelenkt und endet Dichteverteilung an der Oberfläche eines Gegenstan-

an der linken Kante des Fensters 22' an der Linie 61. des 25' (in F i g. 6) an.

Infolge der Beziehung zwischen Ablenkfrequenz und 20 Die Überlastung des Resonanztransformators

Beschleunigungsfrequenz werden sämtliche Elek- wurde bei dieser Betriebsweise benutzt, um die asym-

tronenimpulse auf dem Fenster 22' immer in der metrische Elektronendichteverteilung über die beiden

gleichen Richtung und sämtliche Impulse auf dem Röhrenfenster 22' und 22" zu erzielen. Dabei ist

Fenster 22" in dem gleichen Sinn, jedoch entgegen- jeder Impuls bei jedem Fenster asymmetrisch zur

gesetzt zu der Ablenkrichtung am Fenster 22' ab- 25 Mittellinie des Fensters, jedoch symmetrisch zur

gelenkt. Das räumliche Zusammenfallen der Vorder- Linie 61. Die Überlastung des Resonanztransforma-

und Rückflanken der Elektronenimpulse mit den tors muß nicht unbedingt zu der Ausbildung führen,

linken und rechten Kanten der Fenster läßt sich wie sie hier für wünschenswert beschrieben worden

durch bekannte Maßnahmen wie Verstellung der ist. Beispielsweise kann die Phasenbeziehung des

Phase und Amplitude der Ablenkspannung leicht er- 30 Gittersteuerimpulses zu derjenigen der Beschleuni-

reichen und wird bei den vorliegenden Beschleuni- gungsspannung entsprechend der Fig. 5B ausge-

gern mit Hilfe der Amplitudensteuerung 55 und der bildet werden. Die aus den Impulsen 46 nach dieser

Phasensteuerung 51 vorgenommen. Figur entstehende Asymmetrie erzeugt die erforder-

Im folgenden wird die Betriebsweise der Anord- liehe, in der Fig. 8 dargestellte asymmetrische Be-

nung nach der F i g. 6 betrachtet, wenn die Phasen- 35 lastung des Fensters. Diese Phasenbeziehung läßt

beziehung der Gittersteuerimpulse zur Beschleuni- sich leicht in der oben beschriebenen Weise mit

gungsspannung entsprechend der Fig. 5A ausgebil- Hilfe des Steuerungsgerätes 40 für die Vorspannung

det ist. In dieser Anordnung macht der Gittersteuer- mittels einer induktiven Phasensteuerung herstellen,

impuls die Röhre während einer Zeitdauer leitend, die im einzelnen in dem bereits genannten USA.-

die symmetrisch zum Maximum der Beschleuni- 40 Patent 2 897 400 beschrieben ist.

gungsspannung liegt. Die Wellenformen in Fig. 5A Die Phasenbeziehung nach der Fig. 5B bietet den

sind richtig ausgebildet, wenn der Resonanztransfer- weiteren Vorteil, daß eine gleichmäßige Tiefenwir-

mator nicht überlastet ist. Wenn jedoch der Reso- kung in dem zu bestrahlenden Gegenstand erzeugt

nanztransformator überlastet wird, geht die Symme- wird. Zusätzlich zur gleichmäßigen Elektronendichte,

trie der in der Fig. 5A dargestellten Impulse ver- 45 die in erster Linie den Strahlstrom bestimmt, wird

loren. Durch eine derartige Überlastung entstehen die durch die Beschleunigungsspannung bestimmte

verzerrte Elektronenstrahlimpulse, und die Verzer- Durchdringungsfähigkeit (Härte) der Elektronen zur

rung nimmt die Form einer Abschrägung der Im- Erzeugung der gleichmäßigen Energieverteilung über

pulse in Richtung auf die Vorderflanke an. Auf diese den bestrahlten Gegenstand verwendet. Mit der

Weise besitzt der erzeugte Elektronenstrahl bei Be- 50 Phasenbeziehung nach der Fig. 5B besitzen die

ginn des Impulses eine größere Dichte als am Ende. Vorderflanken des Elektronenstrahlimpulses eine Kon-

Anders ausgedrückt, die Abklingzeit des Elektronen- zentration härterer Elektronen, da die Beschleuni-

strahlimpulses hinsichtlich der Dichte dauert länger gungsspannung in diesem Bereich größer als an der

als die Anstiegszeit. hinteren Flanke des Impulses ist. Aus der Erzeugung

Die F i g. 7 zeigt die Elektronendichteverteilung 55 härterer Elektronen an den Kanten des Fensters rebezüglich der Zeitachse als Folge der Überlastung sultiert eine gleichmäßige Energieverteilung über dem des Resonanztransformators. Die Überlastung des bestrahlten Gegenstand und damit dessen gleich-Transformators ist wünschenswert, wenn höhere mäßige Durchbringung.

Elektronenströme erforderlich sind. Die Elektronen- Ein sehr einfacher Weg zur Anpassung des Verdichteverteilung bezüglich der Zeit entsprechend 60 laufs der Dichteverteilung in der Ebene des Röhrenjedem Elektronenstrahlimpuls 66 kann in eine Elek- fensters besteht darin, die Lage der beiden Röhren tronendichteverteilung über die Fenster der Elek- und damit ihrer Fenster zu verändern. Wenn die tronenstrahlröhre übersetzt werden. Somit liegt die Fenster 22' und 22" von der Linie 61 in Richtung ansteigende Flanke des Impulses am linken Rand des ihrer längeren Abmessung auseinandergerückt wer-Fensters 22', der Endteil des Impulses am rechten 65 den, so werden die Dichteverteilung 62 und 63 so Rand dieses Fensters. In gleicher Weise wird der verändert, daß die Maxima dieser beiden Kurven Elektronenstrahl der zweiten Röhre über das Fen- weiter auseinanderzuliegen kommen. Dadurch können ster 22" abgelenkt, wobei die Vorderflanke des Im- entsprechend breitere Gegenstände bestrahlt werden.

Die Steuerung der Elektronendichteverteilungskurve ist teilweise eine Funktion des Abstandes zwischen den Fenstern.

Die Ausführungsform nach der F i g. 6 mit zwei Röhren kann so abgeändert werden, daß noch breitere Gegenstände bestrahlt werden können. Für einen Gegenstand, der lV2mal breiter als der Gegenstand 25' ist, kann auf drei nebeneinander angeordnete Röhren zurückgegriffen werden, wobei die längeren Abmessungen ihrer Fenster auf der gleichen Linie ausgerichtet sind. In solch einer Anordnung ist die Elektronendichteverteilung der beiden Endfenster genau die gleiche wie diejenige nach der F i g. 8. Das mittlere der drei Fenster muß eine symmetrische Dichteverteilung aufweisen, um die erwünschte Wirkung zu erreichen. Die F i g. 9 stellt die Dichteverteilung dar, die in der Ebene der zusammengesetzten drei Röhrenfenster erscheint. Die linke und rechte Dichteverteilung 67 und 68 können mit den an Hand der F i g. 6 diskutierten Anordnungen erreicht werden. Die mittlere Verteilung 69, die vollständig symmetrisch innerhalb der zu ihr gehörenden Fensterfläche vorliegt, läßt sich entsprechend der bekannten Technik leicht ausführen. Dabei ist der Resonanztransformator nicht überlastet; die Phasenbeziehung der Gittersteuerimpulse zur Beschleunigungsspannung entspricht beispielsweise der in F i g. 5 A dargestellten. Die zusammengesetzte Verteilung nach der F i g. 9 erzeugt dann als Folge der Streuwirkung zwischen der Ebene des Fensters und des Gegenstandes darunter eine gleichmäßige Verteilung, wie sie durch die Kurve 66 wiedergegeben ist. Bei zu bestrahlenden Gegenständen, die noch breiter als der Gegenstand sind, der mit der Verteilung nach der F i g. 9 bestrahlt werden kann, werden vier oder mehr Röhren Seite an Seite gelegt und so gesteuert, daß die erforderliche Elektronendichteverteilung in der Ebene der Fenster erzielt wird. In jedem Fall weisen die beiden außenliegenden Röhren die asymmetrische Verteilung nach den F i g. 8 und 9 in der Ebene der Fenster auf, so daß die Enden der kombinierten Verteilung ausreichende Größe behalten, um die kombinierte Verteilung in der Ebene der Oberfläche des Gegenstandes gleichmäßig zu halten.

Zum besseren Verständnis des Ausführungsbeispiels nach der F i g. 6 wurde die Arbeitsweise der beiden Röhren als synchronisiert beschrieben, d. h., die Strahlspuren der Röhren verliefen gleichzeitig in entgegengesetzten Richtungen. Das ist jedoch für den Betrieb der Ausführungsbeispiele nach den F i g. 6 bis 9 nicht erforderlich, da das wesentliche Erfordernis darin besteht, daß an der Oberfläche des Gegenstandes eine gleichmäßige Dichteverteilung über eine Zeitdauer besteht, die für den zu bestrahlenden Gegenstand ausreicht. Das wesentliche der Erfindung besteht somit darin, daß die integrierte Dichteverteilung über der zur Bestrahlung eines bestimmten Abschnittes des Gegenstandes erforderlichen Zeit eine flache Verteilung in die Ebene des Gegenstandes bildet. Nach der F i g. 6 ist das einzige Erforderliche der asymmetrische Impuls, der von links nach rechts über das Fenster 22' und von rechts nach links über das Fenster 22" verläuft; es ist jedoch nicht wesentlich, daß die Ablenkung des Impulses bei beiden während der gleichen halben Periode der Ablenkspannung vor sich geht.

Die verbleibenden Fig. 10 und 11 sind auf Ausführungsbeispiele der Erfindung gerichtet, bei denen eine einzige Elektronenstrahlröhre eine doppelte, virtuelle Quelle von Elektronen bildet und ein einziges Röhrenfenster zwei räumlich voneinander getrennte Konzentrationsbereiche der Elektronenstrahldichte erzeugt.

Die Fig. 10 stellt eine Ausführungsform dar, bei der die gleiche Elektronenstrahlröhre wie nach den Fig. 4 und 4A verwendet wird. Daher sind die dargestellten Abschnitte der Röhre mit gleichen Bezugsziffern versehen. In der F i g. 10 ist die Kurve 71 eine graphische Darstellung der Ablenkspannung, die bestimmte, im folgenden zu beschreibende Kennzeichen aufweist. Die senkrechte Richtung relativ zur Kurve 71 bildet die Zeitordinate, während die horizontale Richtung der Darstellung zweier Größen dient. Einerseits stellt sie die Amplitude der Ablenkspannung, andererseits die Stelle auf dem Fenster 22 dar, an der der Strahlfleck als Folge der augenblicklichen Größe der Ablenkspannung erscheint. Auf der rechten Seite befinden sich zwei Kurven 72 und 73. Diese sind räumlich auf die Kurve 71 in einer nachfolgend beschriebenen Weise bezogen. Die Kurve 72 stellt die sinusförmige Beschleunigungsspannung mit einer Frequenz von 180 Hz dar. Die Kurve 73 gibt die Gitterspannungsimpulse wieder. Die Kurven 72 und 73 entsprechen der Fig. 5B. Relativ zu den Kurven 72 und 73 verläuft die Zeitordinate ebenfalls in senkrechter Richtung zunehmend nach unten. Die horizontale Richtung stellt die Amplituden der Kurven 72 und 73 dar. Diese Darstellungsart ist allgemein bekannt und eignet sich besonders zur Erläuterung der Beziehungen zwischen Beschleunigungsspannung, den Gittersteuerimpulsen und der Ablenkspannung mit der zusammengesetzten Wirkung auf die Elektronendichteverteilung über dem Röhrenfenster 22. In dieser Ausführungsform der Erfindung besitzt die Ablenkspannung eine Frequenz von 90 Hz und somit die Hälfte der Frequenz der Beschleunigungsspannung. Diese Frequenz wird wieder dadurch erreicht, daß der Frequenzverteiler in der Steuerschaltung 54 (F i g. 4) die Ablenkspannungsfrequenz auf die Hälfte der Beschleunigungsspannung herabsetzt. Die 50-Hz-Frequenz ist bei dieser Ausführungsform von wesentlicher Bedeutung, da sie die Benutzung einer einzigen Beschleunigungsröhre ermöglicht, um zwei virtuelle Elektronenquellen herzustellen. Die Steuerimpulse 73 sind phasenmäßig zur Beschleunigungsspannung 72 in gleicher Weise wie nach Fig. 5B bezogen, so daß die Vorderflanke des Steuerimpulses mit dem Maximum der positiven Halbwelle der Beschleunigungsspannung zusammenfällt. Wie bereits oben herausgestellt wurde, ist dies eine Möglichkeit zur Erzielung einer asymmetrischen Elektronendichteverteilung.

In der Fig. 10 zeigen die gestrichelten Linien74 und 75 den für den erzeugten Elektronenstrahl wirksamen Abschnitt der Ablenkspannung an. Die Vorderflanke des Elektronenstrahlimpulses fällt mit derjenigen Ablenkspannung zusammen, die den Elektronenstrahl an der rechten Kante des Fensters 22 beginnen läßt, während die Linie 75 angibt, daß die Hinterflanke des Elektronenstrahlimpulses mit derjenigen Ablenkspannung zusammenfällt, die den Abschnitt am Mittelpunkt des Fensters 22 beendet. Auf diese Weise beginnt der zuerst genannte Impuls seine Ablenkungsbewegung an der rechten Kante des Fensters 22 und endet nach einer halben Ablenkspur über dem Fenster in der Fenstermitte. Die nächste

Ablenkung entsteht in entgegengesetzter Richtung bei dem darauffolgenden Impuls. Seine Beziehung zur Ablenkspannung wird durch die Linien 76 und 77 wiedergegeben, wobei die Vorderflanke des nächstfolgenden Impulses an der linken Kante des Fensters beginnt und dann zu dessen Mittelpunkt weiterläuft, wo er endet.

Die Gesamtwirkung besteht darin, daß aufeinanderfolgende Elektronenstrahlimpulse in entgegengesetzten Richtungen über das Röhrenfenster geführt werden und jeder einzelne nur eine halbe Röhrenfensterlänge überstreicht. Jeweils zwei aufeinanderfolgende Elektronenstrahlimpulse bilden eine einzige kombinierte Verteilung, die derjenigen der Kurve 6 in Fig. 2 oder der Kurve 62-63 in Fig. 8 entspricht mit dem Unterschied, daß die Verteilung entsprechend der Vorrichtung nach der Fig. 10 auf einem einzigen Röhrenfenster stattfindet. Dabei tritt ebenfalls die Wirkung ein, daß bei einem bestimmten Abstand unterhalb des Röhrenfensters die Elektronenstrahldichteverteilung ebenfalls flach ausgebildet ist.

Zusätzlich zur Benutzung der Phasenbeziehung zwischen Beschleunigungsspannung und Gittersteuerimpulsen oder der Überlastung des Resonanztransformators zur Erzeugung der asymmetrischen Impulsform kann die Amplitude der Ablenkspannung nach Kurve 71 ebenfalls benutzt werden, um die ungleichmäßige Elektronendichteverteilung auf entgegengesetzten Seiten des Röhrenfensters 22 herzustellen. Wie schon oben gezeigt wurde, kann die Amplitude der Ablenkspannung (wie in der F i g. 4 angegeben), durch ein veränderliches induktives Bauteil 55 gesteuert werden, das die Steuerschaltung mit der elektromagnetischen Ablenkspule 50 koppelt.

Wenn der zu bestrahlende Gegenstand klein ist und unter einem kleinen Abschnitt des Fensters hindurchläuft, ist es vorteilhaft und wirksamer, den Strahl auf diejenige Fläche zu konzentrieren und die Gleichförmigkeit der Elektronendichteverteilung nur auf den Gegenstand selbst zu beschränken. Dies wird so ausgeführt, daß ein beliebiger oben angeführter regelbarer Parameter verwendet wird, um die Maxima der Dichteverteilung in der Ebene des Fensters dichter aneinanderrücken zu lassen. Auf diese Weise können die Maxima der Kurve 6 in der F i g. 2 oder der Kurven 62 und 63 in der F i g. 8 so verlagert werden, daß sie dichter an der Mittellinie als an den Kanten des Fensters liegen; sie können andererseits auch auf jeden beliebigen Abstand zueinander in Abhängigkeit von der Breite des zu bestrahlenden Gegenstandes bewegt werden.

Die Fig. 11 zeigt solch eine Anordnung, bei der die Amplitude der Ablenkspannung benutzt wird, um die erforderliche Unregelmäßigkeit in den Elektronendichteverteilungen zu erzeugen. Nach dieser Figur sind die Beschleunigungsspannung und die Steuergitterimpulse phasenmäßig anders zueinander bezogen als nach der Fig. 10. In der Fig. 11 fällt der Mittelpunkt der Steuerimpulse 83 mit den positiven Maxima der sinusförmigen Beschleunigungsspannung 82 wie beispielsweise in F i g. 5 A zusammen. Diese Elektronendichteverteilung könnte daher wegen der Beziehung dieser beiden Kurven zueinander nicht ungleichmäßig gemacht werden. Andererseits läßt sich erkennen, daß die Ablenkspannung 81 mit der Frequenz von 90 Hz eine wesentlich geringere Amplitude aufweist als die Kurve 71 der vorangegangenen Figur. Durch Verringerung der Amplitude der Ablenkspannung wie in Kurve 81 fallen die Vorderflanken der Steuerimpulse 83, wie dies durch die gestrichelte Linie 84 dargestellt ist, mit einem Wert der Ablenkspannung zusammen, der ausreicht, um den Strahl bis in die Nähe der rechten Kante des Röhrenfensters 22 abzulenken. Zwischen dem Punkt, an dem die Linie 84 die Ablenkspannungskurve schneidet, und dem Punkt auf der Ablenkspannungskurve, der die für die Ablenkung des Strahls an die rechte Kante des Röhrenfensters erforderliche Größe anzeigt, bleibt der von der Röhre erzeugte Elektronenstrahlimpuls in der Nähe der rechten Kante des Röhrenfensters. Demzufolge steigt die Elektronendichte über den Teil des Elektronenstrahlimpulses in der Nähe der rechten Kante des Fensters an. Der stark symmetrische Impuls, der einzig aus dem Grund der bestehenden Phasenlage zwischen den Kurven 82 und 83 erzeugt wird, führt dennoch zu einer unregelmäßigen Verteilung, weil die Ablenkspannungsamplitude die Vorderflanke des Elektronenstrahlimpulses in der Nähe der rechten Kante des Röhrenfensters während einer längeren Zeitdauer hält. In gleicher Weise verstärkt der darauffolgende Impuls die Dichte an der linken Kante des Röhrenfensters 22 auf die gleiche Art und erzeugt die gleiche Elektronenstrahldichteverteilung auf der anderen Seite der Röhre.

Die Ausführungsbeispiele nach den Fig. 10 und 11 beruhen auf einem Frequenzverhältnis zwischen Beschleunigungsspannung und Ablenkspannung von 2:1. Dies ist ein besonders wirksames Verhältnis, wenn die Breite des Gittersteuerimpulses 60 bis 90° der sinusförmigen Beschleunigungsspannung ausmacht. Wenn jedoch schmalere Gittersteuerimpulse verwendet werden oder sich als vorteilhaft erweisen, ist eine Ablenkspannung mit 270 Hz oder eine lV2mal so große Beschleunigungsspannungsfrequenz günstiger. Als allgemeiner Vorschlag kann die Ab-

lenkspannungsfrequenz ein ~ -Vielfaches der Be-

schleunigungsspannungsfrequenz ausmachen, wobei η eine beliebige ungerade ganze Zahl ist; je schmaler der Steuergitterimpuls ist, desto größer sollte η sein. Bei den meisten praktischen Ausführungsarten erweist sich jedoch die Ablenkfrequenz von 90 Hz als am günstigsten, wobei dann η = 1 ist.

Aus den zuvor beschriebenen Ausführungsarten gemäß der Erfindung läßt sich erkennen, daß die Amplitude und die Phasenbeziehung der Ablenkspannungsfrequenz relativ zur Beschleunigungsspannung eine Steuermöglichkeit für die erforderliche Unregelmäßigkeit der Elektronenstrahlimpulse bei der nicht gleichmäßigen Elektronenverteilung in der Ebene des Röhrenfensters bieten. Andere Steuermöglichkeiten liegen in der Phasenbeziehung des Gittersteuerimpulses zur Beschleunigungsspannung und in dem Betrag der Überlastung des Resonanztransformators. Daraus folgt, daß diese Steuermöglichkeiten außerdem Einflußgrößen dafür bilden, unter welchem Abstand unterhalb des Röhrenfensters eine gleichförmige Elektronendichteverteilung von Anfang an erreicht wird und unter welch einem Abstand unterhalb des Röhrenfensters die Oberfläche des zu bestrahlenden Gegenstandes aufgestellt werden sollte. Je asymmetrischer oder ungleichmäßiger die beiden Impulse sind (unabhängig davon, ob sie aus getrennten Elektronenstrahlröhren oder

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von zwei virtuellen Quellen herrühren), desto größer wird der Abstand unterhalb des Röhrenfensters, bei dem sich eine gleichmäßige Dichteverteilung in einer gegebenen Ebene einstellt, was auch umgekehrt gilt. Daraus läßt sich erkennen, daß bei der Vergrößerung der Unregelmäßigkeit oder Asymmetrie beider Elektronenstrahlimpulse der Abstand zwischen den Maxima der beiden Strahlimpulse in der Ebene des Röhrenfensters vergrößert wird. Dieser Abstand bewirkt in Verbindung mit der oben besprochenen statistischen Elektronenstreuung den Ausgleich der Dichteverteilung in einer Ebene unterhalb des Röhrenfensters. Wenn ein zu bestrahlender Gegenstand von unregelmäßiger Gestalt vorliegt und unregelmäßige Dichteverteilung oder eine Tiefenwirkung entsprechend der Form des Gegenstandes erforderlich ist, können die obenerwähnten Einflußgrößen entsprechend den Merkmalen der Erfindung so eingestellt werden, daß sich eine zweckmäßige Verteilung oder Strahlendosis ergibt. ao

Ein bisher noch nicht ausdrücklich erwähnter Vorteil ergibt sich bei sämtlichen Ausführungsarten der Erfindung, wenn die Beschleunigungsspannung phasenlagemäßig zu den Steuergitterimpulsen entsprechend der Anordnung in F i g. 5 B oder der Kurven 72-73 in Fig. 11 bezogen ist. Dieses Phasenverhältnis kann, wie aus Fig. 10 hervorgeht, sich so auswirken, daß die mit der Spitzenenergie behafteten Elektronen an die Fensterkanten und die geringer beschleunigten Elektronen in der Mitte der Verteilungskurve auftreffen. Demzufolge streuen die härteren Elektronen in der Nähe der Fensterkanten weniger und breiten sich infolge der Streuwirkung erst unter einem größeren Abstand von dem Fenster aus, um eventuell eine gleichmäßige Verteilung bei demjenigen Abstand zu erzeugen, der tatsächlich breiter als die lange Abmessung des Röhrenfensters selbst ist.

Claims (14)

Patentansprüche:

1. Einrichtung zum Bestrahlen eine Objektes mit Ladungsträgern gleichen Ladungszustandes, bei der das Objekt in vorgegebenem Abstand vor dem Strahlenaustrittsfenster einer oder mehrerer Beschleunigerröhren angeordnet ist, die einen Ladungsträgerstrahl erzeugen und Vorrichtungen aufweisen, die den Strahl linear über die Ebene des Strahlenaustrittsfensters führen, gekennzeichnet durch Mittel, die den Strahl während des Ablenkvorgangs so beeinflussen, daß längs der Ablenkstrecke in der Ebene des Strahlenaustrittsfensters eine derart ungleichformige Dichteverteilung der Ladungsträger entsteht, daß die Dichteverteilung in der zum Strahlenaustrittsfenster parallelen Ebene des zu bestrahlenden Objektes gleichmäßig verläuft.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, mit einer einzigen Beschleunigungsröhre, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichteverteilung der Ladungsträger in der Ebene des Strahlungsaustrittsfensters zwei Maxima aufweist, die zu beiden Seiten der Mitte der Ablenkstrecke in der Fensterebene liegen.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen den in der Ebene des Fensters liegenden Maxima veränderbar ist.

4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Minimum der Dichteverteilung in der Mitte der Ebene des Fensters liegt.

5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden in der Ebene des Fensters liegenden Maxima näher an den Außenbereichen als der Mitte der Verteilungskurve liegen.

6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Maxima annähernd gleiche Abstände von der Mitte des Fensters aufweisen.

7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, gekennzeichnet durch eine solche Steuerung der Energie der Ladungsträger beim Ablenkvorgang, daß die höchste Energie des Ladungsträgerstrahls näher den Begrenzungen des Fensters als dessen Mitte liegt.

8. Einrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 7, gekennzeichnet durch eine Impulssteuerung des Teilchenstrahls, derart, daß die eine Hälfte des Fensters beim Hinlauf und die andere Hälfte des Fensters beim Rücklauf vom Strahl durchsetzt wird.

9. Einrichtung nach Anspruch 7 mit einem Elektronenstrahl, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzielung der ungleichförmigen Dichteverteilung die Änderung der Größe wenigstens einer der folgenden Parameter benutzt ist; die Ablenkspannung für die Vorrichtung zur Ablenkung des Elektronenstrahls über dem Fenster, die Phasendifferenz der Ablenkspannung und der zur Erregung der Röhre dienenden Beschleunigungsspannung sowie die Phasenlage des Steuergitterimpulses für ein Gitter der Röhre relativ zur Beschleunigungsspannung.

10. Einrichtung nach Anspruch 7 mit einem Elektronenstrahl, dadurch gekennzeichnet, daß die Ablenkfrequenz für den durch die Röhre erzeugten Elektronenstrahl über dem Fenster

gleich γ mal der Frequenz der Beschleunigungsspannung der Röhre ist, wobei η eine ungerade ganze Zahl bedeutet.

11. Einrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Ablenkfrequenz gleich der halben Frequenz der Beschleunigungsspannung ist.

12. Einrichtung nach Anspruch 8 mit einem Resonanztransformator für die Beschleunigungsspannung, gekennzeichnet durch eine solche Überlastung des Resonanztransformators, daß die gewünschte ungleichförmige Dichteverteilung über den beiden Hälften des Röhrenfensters entsteht.

13. Einrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch zwei oder mehr praktisch gleiche Beschleunigerröhren, deren Fenster in einer Ebene dicht nebeneinanderliegen.

14. Einrichtung nach Anspruch 13, gekennzeichnet durch die Verwendung der in den Ansprüchen 9 bis 12 angegebenen Mittel zur Erzeugung der ungleichförmigen Dichteverteilung über den Strahlaustrittsfenstern der Gesamtanordnung.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

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