DE2015124A1

DE2015124A1 - Impulsweise betriebenes Elektronen-Strahlsystem

Info

Publication number: DE2015124A1
Application number: DE19702015124
Authority: DE
Inventors: AndrS Paris Bensussan
Original assignee: Thomson CSF SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 1969-03-31
Filing date: 1970-03-28
Publication date: 1970-10-15
Also published as: US3649868A; FR2038845A5; NL7004228A

Description

Impulsweise betriebenes Elektronenstrahlsystem

Die Erfindung betrifft ein mit kurzen Impulsen arbeitendes Elektronenstrahlsystem, das insbesondere für Elektronenbeschleunigeranordnungen bestimmt ist, wie sie auf dem Gebiet der Nuklearforschungen verwendet werden.

Diese beschleuniger haben im Prinzip die Form einer Triode, deren telektronenemittierende Katode und Steuergitter in bekannter Weise an ein Potential gelegt sind, das in Bezug auf die in diesem Fall durch:die Beschleunigungsvorrichtung .selbst gebildete Anode negativ ist. Aus ,,Bequemlichkeitsgründen wird die Beschleunigungsvorrichtung, deren Ab-r messungen in typischen Fällen einige 100 Meter betragen können, auf dem Erdpotential gehalten, was zur Folge hat, dass die au.s Katode und Steuergitter bestehende Anordnung auf ein gegen Erde negatives Potential gebracht werden muss, so dass die Potentialdifferenz dem Absolutwert nach gleich der üblicherweise sehr hohen Anodenspannung sein muss.

Diese Anordnung muss aber sowohl im Gleichatrombereich als auch im Impulsbereich von elektrischen Energiequellen gespeist werden» die somit ebenfalls auf das gleiche hohe

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Potential in Bezug· auf Erde gebracht werden müssen. Daraus ergeben sich, grosse Schwierigkeiten:

- einerseits hinsichtlich des Entwurfs und der Ausführung der Energiequellen, die elektrisch gegen ihre Umgebung isoliert sein müssen;

- andrerseits hinsichtlich des Betriebs dieser Energiequellen, da die Einstellungen, Steuerungen und Betriebsartänderungen

^ an Organen vorzunehmen sind, die an einer hohen Spannung liegen;

- schliesslich hinsichtlich der Erzielung der-erwarteten Ergebnisse, da die Elektronenstrahlsysteme bekannxer Art zum Anlegen der Impulsmodulation eine oder mehrere Elektroden enthalten, deren relative Kapazitäten und Induktivitäten eine untere Grenze für die Impulsdauer ergeben.

Das Ziel der Erfindung ist die Vermeidung dieser Schwierig-. keiten.

Ein nach der Erfindung ausgeführtes impulsweise betriebenes ψ Elektronenstrahlsystem enthält eine lichtquelle, optische Einrichtungen zur Übertragung des Lichtes zu einer Schicht aus einem einen Elektronenstrom erzeugenden fotoemittierenden Material, Verstärkereinrichtungen für den Elektronenstrota und Einrichtungen zur Entnahme des Stroms für die Verwendung.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt. Darin zeigen:

Fig.1 den Gesarataufbau eines Elektronenstrahlsystems für kurze Impulse mit Gleichspannungen für die Beschleunigung und

. Fig.2 den Gesamtaufbau eines Elektronenstrahlsystem für kurze Impulse mit Wechso!spannungen für die Beschleunigung.

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Gleiche Teile sind in den beiden Figuren mit gleichen Bezugszeichen versehen. . ·

JPig.1 zeigt eine erste Ausführungsform des Elektronen» strahlsystems nach·der Erfindung.

Es enthält einen Generator 1 für kurze I_rapulse, der eine Lichtquelle 2 vom Typ eines Lasers steuert, eine Lichtübertragungsvorrichtung 3, die beispielsweise durch eine Glasfaseroptik oder auch durch ein optisches System mit Spiegeln und/oder Prismen und Linsen gebildet sein kann, Elektronen abgebende photoemittierende Signalplatten 4, die in der Wand eines dichten Metallgehäuses 5 befestigt sind , und eine Reihe von ringförmigen- Elektroden 6, die in der Technik unter- der Bezeichnung "Dynoden" bekannt sind, und deren Oberfläche aus einem Material mit einem hohen Sekundärelektronen-Emissionsgrad besteht. Die richtige Vorspannung dieser Elektroden wird von einer elektrischen Spannungsquelle bewirkt, die durch einen Wechselspannungserzeuger 9 gebildet ist, der über eine Isolierbuchse 8 von einem Elektromotor 7 angetrieben wird. Die vom Wechselspannungserzeuger 9 abgegebene Wechsel- · spannung wird durch einen Gleichrichter 10 in eine Gleichspannung umgewandelt. Ein Hochspannungsgenerator 12 bringt das gesamte Elektronenstrahlsystem 5 auf eine negative Spannung in Bezug auf die Masse des Beschleunigers 13, dessen Vakuumabdichtung durch die dichte isolierende Buchse 14 gewährleistet ist. Das Gehäuse 15 umgibt die Gesamtheit der an der hohen Spannung liegenden Bestandteile in öer Weise, dass es erforderlichenfalls mit einem isolierenden Gas von hohem Durchbruchspotential, beispielsweise Schwefelhexafluorid gefüllt werden kann. Isolierende Dichxungsbuchsen 16 verhindern einen Austritt dieses Gasest , ■ an den Stellen, an denen Anschlüsse durch die Wände des

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Gehäuses 15 gehen.

. Im Betrieb speist der Impulsgenerator 1 die Laser-Lichtquelle 2, deren Licht durch mehrere Lichtleiter 3 zusammengefasst und zu den lichtdurchlässigen fotoemittierenden Signalplatten

4 geleitet wird.Die emittierten Elektronen werden von der ersten ringförmigen Elektrode 6 angezogen, die von der Generatoranordnung 7, 8, 9, 10 auf ein positives Potential in Bezug auf die Signal platten gelegt ist. Die Elektronen treffen auf diese Elektrode entlang der bei 17 angedeuteten Bahn auf und rufen das Erscheinen von Sekundärelektronen hervor, deren Zahl wesntlich grosser als diejenige der auftreffenden Elektronen ist, was die Folge des Materials ist, aus dem die Elektrodenoberfläche besteht.Diese Erscheinung wiederholt sich kumraulativ von Elektrode zu Elektrode, wobei jede dieser Elektroden auf einem Potential liegt, das höher ist als das Potential der in der Reihenfolge des Durchlaufs 18 der Elektronen vorangehenden Elektrode. Bei der letzten Elektronenvervielfachung ist die Form der Elektrode 6 so bemessen, dass sie in Verbindung mit dem zwischen dem Gehäuse

5 und dem rohrförmigenKb'rper des Beschleunigers 13 bestehenden elektrischen Feld elektrische Kräfte erzeugt, durch welche die Elektronen entnommen und auf Bahnen 19 zur Verwendung geführt werden.

Das beschriebene Elektronenstrahlsystem kann beispielsweise als Lichtquelle einen Feststofflaser aus Galliumarsenid enthalten, der eine Leistung von 5 Watt bei einer Wellenlänge von 8400 A mit Impulsen von der Dauer 1 Nanosekunden abgibt, als Fotokatode eine fotoemitierende Fläche vom Typ S1 mit der Empfindlichkeit *.2mA/W , als Sekundärelektronen-Vervielfacherelektroden 5 Nickel-Beryllium-Flächen, von denen jede eine relative Vorspannung von +200 V in Bezug auf die vorhergehende Elektrode hat, wodurch ein gesamter Stromverstärkungsfaktor 10^ für einen Sekundäremissionskoeffizient in der Grössenordnung von 7 erhalten wird;

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der unter diesen Bedingungen abgegebene Spitzenstrora beträgt 20 A für 1 W Lichtleistung.

Fig.2 zeigt eine andere Ausführungsform der Erfindung.

Diese Ausführungsform enthält einen Generator 1 für kurze Impulse, der eine Laser-Lichtquelle 2 speist, Lichtleiter 3 der bereits erwähnten Art, Elektronen abgebende fotoemittierende Signalplatten 4·, die· in der Wand eines dichten Metallgehäuses 5.befestigt sind, und eine Serie von ringförmigen Elektroden 6, deren Oberfläche aus einem Material mit hohem Sekunäärelektronenemissionsgrad besteht. Die richtige Vorspannung dieser Elektroden erfolgt durch eine elektromagnetische Höchstfrequenz-Energiequelle 20, beispielsweise nach Art eines Magnetrons, die von dem Leistungsimpulsgenerator'21 gespeist wird, dessen Impulse durch eine 'Pilotanordnung 22 mit den vom Generator 1 abgegebenen Impulsen synchronisiert sind.

Beim Betrieb wird die von der Quelle 20 erzeugte Hochfrequenzenergie über die Leitung 23 und die Kopplungsschleife 24 in den metallischen Hohlraum eingeführt, dessen Abmessungen so berechnet sind, dass er in einer unter der Bezeichnung Bq10 bekannten Schwingungsform in elektromagnetische Resonanz gerät. Bei dieser Schwingungsform sind die magnetischen Kraftlinien Kreise, die konzentrisch zur Rotationssymmetrieachse des Hohlraums liegen/ während die elektrischen Feldlinien parallel zu der Rotationssymmetrieachse des Hohlraums liegen.

Die von den fotoeraittierenden Signalplatten 4 erzeugten Elektronen stehen unter dem Einfluaa dieses elektrischen Wecheelfeldes, wodurch eine Beschleunigungskraft auf sie ausgeübt wird. Wenn der Augenbliok, in dem die Elektronen

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von der Signalplatte 4- abgegeben werden, mit dem Zeitpunkt zusammentrifft, in dem das elektrische Feld beschleunigend wirkt, und wenn die Abstände der ringförmigen Elektroden so bemessen sind, dass die Laufzeit der Elektronen von einer Elektrode zur folgenden gleich einer halben Periode der Hoohfrequenzschwingung ist, beschreiben die Elektronen Bahnen der bei 17 angedeuteten Art. Wie im Fall des .Elektronenstrab.lL-systems von Fig.1 entsteht eine Vermehrung des ursprünglich von den Signalplatten erzeugten Stroms.

Dieser Mechanismus der Bildung eines Elektronenbündels tritt manchmal als schädliche Erscheinung bei den Lesonanzhohlräumen bestimmter Elektronenröhren auf, wo er als "Multipact οr-Effekt" bezeichnet wird. Bei der Anordnung von Fig.2 wird er jedoch als Haupt- und Nutzeffekt verwendet.

Durch eine besondere Wahl bestimmter Abmessungen kann anderer—' seits erreicnt werden, dass keine hohe elektrische Gleichspannung für die Entnahme benötigt wird, wie sie in Fig.1 von der Quelle 12 geliefert wird. Das in dem Resonanzhohlraum herrschende elektrische Wechselfeld kann nämlich die Aufgabe übernehmen, den Elektronenstrahl zum Eintritt des Beschleunigers zu leiten: Dieses Feld ist in der Rotationssymmetrieachse am grössten und kann Werte von einer Grossenordnung erreichen, die mit den Gleichspannungen vergleichbar ist, die bei dem Elektronenstrahlsystera von Fig.1 auftreten. Für diesen Zweck ist es vorteilhaft, den Abstand zwischen der letzten Elektrode 25 und den Rändern der öffnung 26 zu verringern und diesen Seilen eine solche Form zu geben, dass der abgegebene Elektronenstrahl konzentriert und fokussiert wird, damit er in optimaler Form und Riohtung in den Verwertungeraua eingeführt wird.

Wenn alle übrigen Grossen die gleichen Werte wie bei dea

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für Fig. 1 angegebenen Beispiel haben,, kann beispielsweise die. Frequenz der elektromagnetischen Schwingung in der Grössenördnung von 1OGO MHz !igen, mit einer Spitzenleistung von 75 kW; der Resonanzhohlraum hat dann einen Durchmesser von 25 cm und eine.G-_esamtäicke von 5 cm. Der axiale Abstand zwischen den Teilen 25 und 26 liegt in der Grössenordnung · von 2,5 cm. Unter diesen "Bedingungen 1st die maximale Beschleunigungsspannung auf der Höhe der Entnahme öffnung in der Grössenordnung von 75 kV,

Die Erfindung ist natürlich' nicht auf die dargestellten und beschriebenen Ausführungsbeispiele beschräkt. Insbesondere ist die Anwendung der Erfindung nicht auf- den Fall eines Elektronenbeschleunigers beschränkt, sondern sie eignet sich für alle elektronischen Anordnungen, bei denen ein Elektronenstrahl in Form kurzer Impulse angewendet'wird.

Pa t e η ta ns prüc he

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Claims

Patentansprüche

1. Itnpulsweise betriebenes Elektronenstrahlsystera für Teilchenbeschleuniger, gekennzeichnet durch eine Lichtquelle, optische Einrichtungen zur Übertragung des Lichtes zu einer Schicht aus einem einen Elektronenstrom erzeugenden fotoemittierenden Material, Verstärkereinrichtungen für den Elektronenstrotn und Einrichtungen zur Entnahme des Stroms für die Verwendung.

2. Elektronenstrahlsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle ein Laser ist.

3. Elektronenstrahlsystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die optischen Lichtübertragungseinrichtungen Glasfaserlichtleiter sind.

4. Elektronenstrahlsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkereinrichtungen für den Elektronenstrom Sekundäremissions-Elektronenvervielfacher sind.

5. Elektronenstrahlsystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektronenvervielfacher mit Dynoden aus-

k gestattet ist, deren Vorspannungen Gleichspannungen sind.

6. Elektronenstrahlsystem nach Anspruch 4» dadurch gekennzeichnet, dass der Elektronenvervielfacher mit Dynoden ausgestattet ist, deren Vorspannungen Wechselspannungen sind.

7. Elektronenstrahlsystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Wechselspannungen zwischen denVänden eines elektromagnetischen Hochfrequenzhohlraums erzeugt werden, der bei der Frequenz der Wechselspannungen in Resonanz ist, und in dem die Dynoden angebracht sind.

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