DE2030747A1 - Zur Beschleunigung eines Ladungsträgerstrahls im Vakuum dienende Elektrodenanordnung - Google Patents

Description

STEIGERWALD STRAHLTECHNIK GMBH 8000 München 55, Haderunstr* la

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Zur Beschleunigung eines Ladungsträgerstrahls im Vakuum dienende Elektrodenanordnung.

Die Erfindung bezieht sich auf eine zur Beschleunigung eines Ladungsträgerstrahls im Vakuum dienende, innerhalb eines Isolierkörpers befindliche Elektrodenanordnung, die aus wenigstens zwei auf unterschiedlichem elektrischen Potential liegenden, in axialem Abstand voneinander angeordneten und eine Beschleunigungsstrecke bildenden Leiterelementen mit mittleren Durchtrittsöffnungen für den Ladungsträgerstrahl besteht.

Üblicherweise sind die Leiterelemente solcher Elektrodenanordnungen jeweils mit leitenden und daher auf dem gleichen, elektrischen Potential liegenden Halterungsteilen oder dgl. verbunden, die ihrerseits dann in der Wandung des einen evakuierbaren Hohlraum umschließenden Isolierkörpers befestigt sind.

Des weiteren sind derartige Isolierkörper üblicherweise so ausgebildet, daß sie neben sehr hoher Spannüngs- und Durchschlagfestigkeit eine große OberflächenTKriechstrecke zwischen den in ihren Wandungen sitzenden Halterungen für die Leiterelemente und denjenigen Teilen aufweisen, die etwa den Isolierkörper außen umgeben und auf Erdpotential liegen«

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Beispielsweise ist eine zur Beschleunigung von Elektronen dienende Anordnung bekannt, deren eine Beschleunigungsstrecke bildende Lei'terelemente jeweils mit elektrisch leitenden Halterungselementen verbunden sind, die in der Wandung eines evakuierbaren, aus einem festen Isolator bestehenden, zylindrischen Hohlkörpers befestigt sind, wobei wenigstens ein Leiterelement mit einem geerdeten, den Isolator umgebenden Außenleiter in Verbindung steht« Der Isolator umgibt hierbei die Leiterelemente jeweils mit so kleinem Abstand, daß zumindest bereichsweise die elektrische Isolierung zwischen den auf hohem negativen Potential liegenden Beschleunigungselektroden und dem Außenleiter von der elektrischen Durch-r schlagfestigkeit des Isolators bestimmt ist, die von Hause aus im Vergleich zum Vakuum wesentlich größer ist. Bei dieser bekannten Anordnung wird auf Grund der Verwendung des festen Isolators im Isolationsweg zwischen den Beschleunigungselektroden und dem Außenleiter eine erhebliche Verkleinerung des Isolationswegs ermöglicht, so daß die Anordnung einen entsprechend kleinen Durchmesser besitzen kann.

Andererseits hat es sich jedoch bei.der bekannten Anordnung herausgestellt, daß die Häufigkeit des Auftretens von Spannungsüberschlägen auf der Innenwand des Isolators noch relativ groß ist, insbesondere, wenn etwa Beschleunigungsspannungen in der Größenordnung von 100 kV vorgesehen sind. Diese Erscheinung ist darauf zurückzuführen, daß unmittelbar an der Oberfläche der Isolatorinnenwand sehr hohe elektrische Feldstärken entstehen, so daß irgendwelche, im Innenraum des Isolators stets vorhandene freie

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Ladungsträger, wie Sekundiirelektronen und dgl., auf Grund des Kraftlinienverlaufs des elektrischen Feldes in Richtung zur . Isolatorinnenwand hin beschleunigt werden, wobei dort gegebenenfalls noch eine'weitere Anzahl von Ladungsträgern freigesetzt wird. Als Folge hiervon ergeben sich dann unerwünschte Hochspannungsüberschläge, wordurch natürlich die Funktionsfähigkeit und Betriebssicherheit der Anordnung stark beeinträchtigt wird. Die erwähnten Erscheinungen werden nun noch dadurch in unliebsamer Weise begünstigt, daß jeweils im Bereich eines Befestigungsanschlusses eines elektrisch leitenden Halterungselements für die Beschleunigungselektroden im Isolierkörper eine starke

Zusammendrängung des elektrischen Feldes, insbesondere auch an der Isolatoroberfläche geschaffen wird, so daß hier besonders leicht die für einen Spannungsüberschlag maßgebende kritische Feldstärke überschritten werden kann, zumal in diesem Oberflächenbereich (wie auch an der übrigen Oberfläche der Isolatorinnenwand) die Kraftlinien des elektrischen Feldes unter einem die Uberschlagsneigung fördernden, spitzen Winkel in die. Isolatoroberfläche eintreten und so gerichtet sind, daß negative Ladungsträger im Vakuum auf die Isolatoroberfläche zu beschleunigt werden.

Schließlich besteht ein weiterer erheblicher Nachteil der bekannten Anordnung darin, daß das resultierende elektrische Feld längs der Oberfläche der Isolatörinnenwand zwischen je zwei Befestigungsanschlüssen der Halterungselemente für die Beschleunigungselektroden parallel zur' z-Achse nicht linear verläuft und no

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die durch die räumliche Lage der jeweils eine Besehleüftigungsstrecke bildenden Leiterelemente bedingte statische Feldverteilung und die Kriechstromverteilung auf der Isölatoroberfläche erheblich voneinander abweichen. .

Die vorliegende Erfindung geht von der Aufgabe aus, eine Elektrodenanordnung der eingangs genannten Art in der Weise auszubilden, daß selbst bei sehr hohen Beschleunigungsspannungen die Gefahr von Spannungsüberschlägen im Innenraum des Isolierhohlkörpers beim Betrieb praktisch völlig ausgeschlossen werden kann.

Diese Aufgabe wird durch die Schaffung einer Elektrodenanordnung mit mindestens zwei eine Beschleunigungsstrecke bildenden Leiterelementen gelöst, die sich erfindungsgemäß dadurch auszeichnet, daß zur Formung des elektrischen Feldes in einem außerhalb der Beschleunigungsstrecke befindlichen Bereich zusätzlich mindestens ein elektrisches Leiterelement vorgesehen ist, das in der Wandung des die Elektrodenanordnung umgebenden Isolierkörpers eingebettet ist, sowohl die Beschleunigungsstrecke als auch zumindest teilweise die diese Beschleunigungsstrecke bildenden Leiterelemente (Beschleunigungselektroden) in einem zur Achse der Elektrodenanordnung radialen Abstand umgibt und auf dem gleichen Potential wie die Beschleunigungselektrode mit dem jeweils'negativeren Potential liegt. Das zur Feldformung dienende erfindungsgemäße Leiterelement liegt also z.B. auf dem selben Potential wie diejenige Beschleunigungselek-

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trode, die ein in bezug auf die in Beschleunigungsrichtung folgende Elektrode ein jeweils höher negatives Potential besitzt, wenn es sich um die Beschleunigung von negativ geladenen Teilchen handelt.

Durch die Erfindung wird in überraschender Weise die Möglichkeit geboten, die Verteilung des elektrischen Feldes im Innern des Isolierkörpers in einer Weise vorzubestimmen, daß unmittelbar an der inneren Isolatoroberfläche wesentlich geringere Feldstärken als bisher auftreten, so daß die Wahrscheinlichkeit, daß die für einen Hochspannungsüberschlag verantwortliche kritische Feldstärke erreicht wird, stark herabgesetzt werden kann.

Ganz allgemein führt die Erfindung zu einer erwünschten, linearen Verteilung der elektrischen Feldstärke längs der inneren Oberfläche des Isolierkörpers, während lediglich im Innern der Wandungen des Isolierkörpers, hauptsächlich in unmittölbarer Nähe des freien, d.h. mit der zugehörigen Beschleunigungselektrode bzw. dessen Halterungselement nur in elektrisch leitender Verbindung stehenden Endes des zur Feldformung dienenden zusätzlichen Leiterelements noch hohe elektrische Feldstärken auftreten können, die jedoch dort infolge der hohen Durchschlagfestigkeit des Isoliermaterials völlig unschädlich sind*

Außerdem treten die Kraftlinien des elektrischen Feldes nunmehr unter einem Winkel in diese Isolatoroberfläche ein, daß irgendwelche freien negativen Ladungsträger - im Gegensatz zu den be-

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kannten Anordnungen - von dieser Oberfläche weg beschleunigt werden.

Vorteilhafterweise ist "das zur Feldformung außerhalb einer Beschleunigungsstrecke dienende zusätzliche Leiterelement unmittel bar mit der zugehörigen, auf negativerem Potential liegenden Beschleunigungselektrode leitend verbunden. Eine solche Verbindung kann in einfacher Weise über das in der Wandung des Isolier körpers befestigte Halterungselement für diese Beschleunigungselektrode erfolgen.

In vielen Anwendungsfällen .für die erfindungsgemäße Elektrodenanordnung kann es nun noch im Sinne einer Vervollkommnung des Linearisierungseffekts für die elektrische Feldstärke an der inneren Isolatoroberfläche von Vorteil sein, wenn gemäß weiterer Ausgestaltung der Erfindung die Wandung des Isolierkörpers jeweils im Einbettungsbereich eines der zur Feldformung dienenden, zusätzlichen Leiterelemente eine nach dem Innern des Hohlraums gerichtete Krümmung aufweist.

Bereits durchgeführte Erprobungen einer nach der vorliegenden Erfindung ausgebildeten Elektrodenanordnung bei Anordnungen zur Beschleunigung von Elektronen bei Beschleunigungsspannungen im Bereich von 150 kV haben ergeben, daß sich eine für die erstrebte Wirkung sehr günstige Ausbildung der Anordnung dadurch ergibt, daß die Krümmung der Innenwandung des Isolierkörpers jeweils in einem Bereich am stärksten ausgebildet ist, wo das

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freie, d.h. mit der BeechleunigungGelektrode bzw. dessen Halterungselement nur in elektrisch leitender Verbindung stehende Ende eines erfindungsgemäßen, zur Feldformung dienenden, zusätzlichen Leiterelements in der Wandung des Isolierkörpers eingebettet ist.

Dieses freie, d.h. also mit der Beschleuniguhgselektrode bzw. mi-t dessen Halterungselement nur in leitender Verbindung stehende Ende des zusätzlichen Leiterelements ist zur Verringerung der Feldstärke an seiner Oberfläche vorzugsweise mit einer im Querschnitt im wesentlichen kreisförmigen Verdickung versehen. In manchen Fällen kann es aber auch vorteilhaft sein", wenn das in der Isolierkörperwandung eingebettete Leiterelement endseitig statt mit einer massiven Verdickung mit einer ringförmigen Drahtspirale'versehen ist, was vor allem mit Rücksicht auf die erforderliche Einbringung des Leiterelements etwa in ein Gießharz als Isoliermaterial empfehlenswert ist.

•!■E: -..·■ -Gerade mit Rücksicht darauf kann es weiterhin vorteilhaft sein, wenn das zusätzliche Leiterelement jeweils in Form eines zu einer Zylindermantelfläche gebogenen Drahtgeflechts ausgebildet ist, das in der Wandung des Isolierkörpers im Gießharz eingegossen ist.

Weiterhin besteht die Möglichkeit, ein erfindungsgemäßes, zur Feldformung außerhalb der zugehörigen Beschleunigungsstrecke

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dienendes zusätzliches Leiterelement durch Metallisierung einer hierfür vorgesehenen Fläche innerhalb der Wandung des Isolier-' körpers zu bilden. Diese metallisierte Fläche muß natürlich wieder mit der zugehörigen Beschleunigungselektrode bzw, mit deren Halterung in leitender Verbindung stehen.

Sowohl bereits erwähnte Merkmale und Ausgestaltungen der Erfindung als auch noch andere vorteilhafte Einzelheiten erfindungsgemäß ausgebildeter Elektrodenanordnungen ergeben sich weiterhin aus nachfolgender Beschreibung in Verbindung mit den Zeichnungen, in denen Ausführungsbeispiele wiedergegeben sind.

Fig. 1 stellt schematisch einen Axialschnitt durch einen Abschnitt eines mehrstufigen Linearbeschleunigers dar, der mit einer erfindungsgemäß ausgebildeten Elektrodenanordnung versehen ist;

Fig. 2 stellt schematisch einen Axialschnitt durch ein Elektronenstrahl-Erzeugungssystem mit einer in bekannter Weise ausgebildeten Elektroden-Anordnung dar;

Fig. 3 stellt schematicch einen Axialschnitt durch ein Elektronenstrahl-Erzeugungssystem mit einer erfindungsgemäß ausgebildeten Elektroden-Anordnung dar und

Fig. k zeigt eine Detailansiäit der Anordnung gemäß Fig. 3·

Der aus Fig. 1 hervorgehende Linearbeschleuniger für Ladungoträgorctrahlen"besitzt einen zylindrischen Isolierkörper .1, in

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dessen Innern ein ebenfalls zylindrischer Hohlraum 19 vorgesehen ist, der mittels einer nicht dargestellten Pumpvorrichtung in bekannter Weise evakuiert werden kann. Der Isolierkörper 1 enthält in seinem Innenraum 19 eine Anzahl untereinander angeordneter Beschleunigungselektroden 3 bis 6 mit jeweils zentrierter mittlerer Durchtrittsöffnung für einen von einer nicht dargestellten Quelle kommenden Ladungsträgerstrahl, der schematisch mit l*f angezogen ist. Handelt es sich hierbei beispielsweise um einen zu beschleu-- ψ nigenden Elektronenstrahl, so werden die Leiterelemente 3 bis 6 etwa auf folgenden Potentialstufen liegen:

Leiterelement 3· - 300 kV

j Leiterelement k: - 200 kV

Leiterelement ^i - 100 kV
Leiterelement 6: Erdpotential (0 kV).

Die einzelnen Leiterelemente 3 bis 6 sind hierzu an entsprechende Anzapfungen 7 bis 10 einer im Isolierkörper 1 enthaltenen und . als Spannungsteiler wirkende Widerstandskette mit den Widerständen 11 bis 13 angeschlossen. . . ■

Normalerweise sind die Leiterelemente, zwischen denen also je eine Beschleunigungsstrecke für den Elektronenstrahl gebildet wird (die Beschleunigungsstrecke zwischen den Leiterelementen 3 und k ist mit 15 bezeichnet) mittels Halterungselementen in der Wandung des Isolierkörpers 1 befestigt. -

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Gemäß der vorliegenden Erfindung sind jedoch nunmehr noch jeweils zur speziellen Formung des elektrischen Feldes in einem außerhalb einer BeschletmigungBstrecke befindlichen Bereich dienende, zusätzliche Leiterelemente 16, 17 und 1.8 vorgesehen, die in der Wandung des Isolierkörpers 1 eingebettet sind und mit einem jeweils zugeordneten Leiterelement 3, ^V 5 des Beschleunigungsbereichs leitend verbunden sind. Die Leiterelemente 16, 17 und 18 sind hierbei in einer mit der Anordnung der Beschleunigungselektroden 3» *f und 5 koaxialen Zylindermantelfläche angeordnet und umgeben jeweils die zugehörige Beschleunigungsstrecke und auch zumindest teilweise die diese Beschleunigungsstrecke jeweils bildenden Elek-

t troden in einem zur Achse der Anordnung radialen Abstand.

Beispielsweise umgibt so das Leiterelement 16 die Beschleunigungsstreeke 15 und zum Teil auch die zugehörigen Beschleunigungselektroden 3 und **· Die durch diese Maßnahme erzielbare spezielle Formung des elektrischen Feldes im Bereich außerhalb der Beschleunigungsstrecke 15 wird weiter unten noch im Rahmen der Behandlung der weiteren Ausführungsbeispiele näher erläutert werden.

Bei der weiteren Betrachtung der Anordnung gemäß Fig. 1 läßt sich noch feststellen, daß sich die Leiterelemente 3 und 16, ^f und 17, sowie 5 und 18 praktisch jeweils zu einer einzigen, im wesentlichen topfformig ausgebildeten Elektrode baumäßig zusammpnfnssen lassen. Vorzugsweise besteht jede Elektrode zt/ischen der in Beschleunigungsrichtung ersten und letzten Elektrode des mehr-□tufigen LinearbeGchleunigers somit aus einem zur Foldfornmng je-

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veils außerhalb einer Beschleunigungsstrecke dienenden, hohlzylindrischen Leiterelement 17 bzw. 18 mit einem vergleichsweise größeren Durchmesser und aus einer mit diesem Leiterelement 17 bzw. l8 leitend Verbundenen, eigentlichen Beschleunigungselektrode *f bzw. 5» die ihrerseits ebenfalls hohlzylindrisch ausgebildet ist und einen vergleichsweise geringen Durchmesser aufweist, wobei die hohlzylindrische Beschleunigungselektrode h bzw. 3 mi^ ihrem freien Ende in axialer Richtung zur jeweils voraus ange-

P ordneten Elektrode hin, das Leiterelement 17 bzw. 18 mit seinem freien Ende jedoch in entgegengesetzter axialer Richtung, d.h. zur jeweils nachfolgend angeordneten Elektrode hin ausgerichtet^ ist und wobei je zwei in axialer Richtung aufeinander folgende Elektroden dieser Anordnung wenigstens teilweise ineinanderragen. Durch eine derartige teilweise Überlappung der sich in Axialrichtung ausdehenden Teile von je zwei aufeinander folgenden Elektroden der wie vorstehend beschriebenen Ausführung wird also erreicht, daß das jeweilige zur beabsichtigten Formung des elektrischen

^ Feldes in einem außerhalb einer Beschleunigungsstrecke befindlichen Bereich dienende Leiterelement 16, 17 bzw. l8 inder erforderlichen Weise diese Beschleunigungsstrecke und die zugehörigen Teile der Beschleunigungselektroden in einem zur Achse der Elektrodenanordnung radialen Abstand umgibt. Ausgangsseitig weist der mehrstufige Linearbeschleuniger die Endelektrode 6 nuf, die mit einem den Isolierkörper 1 umgebenden, z.B. auf Erdpotential Liegenden Außenleiter 2 verbunden ist.

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In der Fig. 2 ist ein Elektronenstrahl-Erzeugungesystem bekannter " Bauart dargestellt. Es enthält hauptsächlich ein Vakuum-Gehäuse, das aus einem hohlzylindrischen Isolierkörper 21 besteht, auf dessen äußerer Mantelfläche ein geerdeter elektrischer Leister 2h in Form einer Blech-Ummantelung vorgesehen ist.

Im Innern des Isolierkörpers 21 ist ein Kathodensystem mit hochspannungsführenden Teilen angeordnet, wobei die elektrische Isolierung zwischen diesem Kathodensystem und der metallischen Umhüllung 2^ im wesentlichen von der Purchschlagfestigkeit des Isolierkörpers 21 bestimmt wird. Das Kathodensystem ist mit Hilfe eines Tragerings 25 am Isolierkörper 21 befestigt. Der Tragering 25 ist mit seinem als Verankerung ausgebildeten und aus elektrischen Gründen abgerundeten Randteil 25 a in die Wandung des Isolierkörpers eingegossen. Die Berührungsfläche zwischen dem Randteil 25 a und dem Isolierkörper 21 ist hierbei so groß gewählt, daß der von der heißen Kathode im Betrieb über den Tragering 25 abfließende Wärmestrom die Berührungsstellen mit dem Isolierkörper 21 nicht übermäßig hoch erwärmen kann. Das auf Hochspannungspotential liegende Kathodensystem besteht aus einer Wehneltelektrode 26, in deren Steueröffnung eine V-förmige Glühkathode 27 liegt, die ihrerseits in einer Halterung 28 befestigt ist. Die Oberseite des Isolierkörpers 21 ist mit einem leicht lösbaren Deckel 22.versehen, der ebenfalls aus Isoliermaterial besteht und als""Konus mit einer isolierenden und vakuumdichten Gummimanschette 23- ausgebildet ist.

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An der gegenüberliegenden Seite des Isolierkörpers 21 ist eine Anode 29 angeordnet, die eine teils zylindrische, teils trichterförmige Innenbohrung aufweist und in den Hohlraum des Isolierkörpers 21 ragt, derart, daß zwischen der Öffnung der Wehneltelektrode. 26 und der Anodenöffmmg eine Beschleunigungsstrecke 31 für die aus der Steueröffnung der Wehnelt-Elelctrode 26 heraustretenden Elektronen gebildet wird. Die Unterseite des Isolierkörpers 21 Bitzt vakuumdicht auf einer mit der Anode 29 einfe stückig verbundenen Platte 30» die ihrerseits mit einem Flansch 2h a der geerdeten metallischen Umhüllung 2k in Verbindung steht. Die Anode 29 befindet sich somit ebenfalls auf Erdpotential.

t.

Der Pfeil 35 deutet die Richtung des aus der Anodenbohrung herauskommenden, beschleunigten Elektronenstrahls an.

Zu dem Elektronenstrahl-Erzeugungssystem der in Fig. 2 gezeigten Ausführung gehören an sich noch vor allem eine Vorrichtung zum Evakuieren des Innenraums des Isolierkörpers 21 sowie elek-

trische Versorgungseinrichtungen bzw. -leitungen für das Kathodensystem. Derartige Bauteile sind jedoch.der Übersichtlichkeit halber aus der Fig. 2 weggelassen worden, zumal sie für das Verständnis der vorliegenden Erfindung an sich ohne Bedeutung sind. Hierfür ist vielmehr der folgende Sachverhalt von Wichtigkeit:

Wie anhand des im rechten Teil des Systems gemäß Fig. 2 einge~ zeichneten Verlaufsder in der vertikalen Schnittebeno liegenden

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Aquipotentiallinien, die gemeinsam mit 36 bezeichnet sind, erkennbar ist, liegt eine starke Zusammendrängung des entsprechenden elektrischen Feldes in einem Bereich vor, in dem sich das Randteil 25 a des Tiagerings 25 für das ,Kathodensystem in der Wandung des Isolierkörpers 21 befindet". Dieser elektrisch leitende Tragering 25 mit seinem Randteil 25 a liegt nämlich auf demselben hohen Potential wie das Kathodensystem, das gegenüber der auf Erdpotential liegenden Anode 29 z.B. eine Potentialdifferenz von 150 kV aufweist. Der hierzu vergleichsweise kleine Potentialunterschied zwischen Wehnelt-Elektrode 26 auf der einen und Glühkathode 2? sowie Tragering 25 auf der anderen Seite kann bei dieser Betrachtung vernachlässigt werden.

Der durch die gegebene Anordnung der elektrisch leitenden Teile des Elektronenstrahl-Erzeugungssystems, das sind also im vorliegenden Falle hauptsächlich das Kathodensystem mit Wehnelt-Elektrode 26, der Tragering 25/25 a, und die Anode 29, bedingte Potentialgradient hat eine stark nichtlineare Verteilung der elektrischen Feldstärke, insbesondere auch an der inneren Oberfläche des Isolierkörpers 21 zur Folge, so daß es hier Oberflächenbereiche bzw. -stellen gibt, an denen die elektrische Feldstärke leicht einen kritischen Betrag annehmen bzw. überschreiten kann, bei dem es zu elektrischen Überschlägen kommt. Außerdem besitzen die in die innere Oberfläche des Isolierkörpers 21 eintretenden Kraftlinien des resultierenden elektrischen Feldes Eintrittswinkel, gemäß denen irgendwelche freien negativen Ladungsträger, wie Sekundärelektronen, unter dem Ein-

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fluß dee elektrischen Feldes zum Isolierkörper hin beschleunigt werden und damit die Uberschlagswahrscheinlichkeit noch weiter erhöhen. Schließlich ist noch zu erwähnen, daß im Bereich der Verankerung des^Tragerings 25 im Isolierkörper 21 eine erhebliche thermische Belastung des Gießharzes eintritt, da der Tragering auch sehr gut wärmeleitend mit dem Kathodensystem in Verbindung steht, so.daß es u.U. zur durch thermische Uberbelastung bedingten Abgasungseffekten kommen kann.

Die oben erwähnten nachteiligen Erscheinungen und Schwierigkeiten _ lassen sich jedoch mit Hilfe einer erfindungsgemäß ausgebildeten Elektrodenanordnung weitestgehend vermeiden, wie an Hand der Fig. 3 und h noch im einzelnen aufgezeigt werden soll.

Fig 3 zeigt im Axialschnitt schematisch ein Elektronenstrahl-Erzeugungssystem, das mit dem in Fig. 2 dargestellten System zum Teil gewisse Übereinstimmungen aufweist, so daß für gleiche Teile die gleichen Bezugsziffern verwendet werden. Gemäß Fig. 3 W ist ein evakuierbarer Isolierkörper 21' vorgesehen, innerhalb dessen ein Kathodensystem mit den Teilen 25, 26", 27 und 28 und weiterhin eine Anode 29' untergebracht sind. Mit 25 ist wiederum ein elektrisch leitender Tragering bezeichnet, der einerseits mit der Kathode 27 bzw. ihrer Halterung leitend verbunden und andererseits mit seinem abgerundeten Randteil 25 a in der Wandung des Isolierkörpers 21' befestigt ist. Der Isolierkörper 21' ist auch wieder mit einem Deckel 22, 23 versehen. Die im wesentlichen hohlzylindrische Anode 29' 1st leitend mit einer an der Unterseite

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des Isolierkörpers 21' angeordneten Platte 30 verbunden, die ihrerseits mit einem Flansch 2h a eines den Isolierkörper 21' unmittel« bar umgebenden, geerdeten metallischen Außenleiters 2^f in Verbindung steht.

Erfindungsgeraäß ist nun in der Wandung des Isolierkörpers 21* innerhalb des Gießharzes ein weiteres elektrisches Leiterelement 3h eingebettet, das im wesentlichen die Form eines Zylindermantels besitzt, der parallel zur Außenummantelung 2^f verläuft und an seiner oberen ringförmigen Seite mit dem Randteil 25 a des Tragerings 25 leitend verbunden ist, so daß es auf dem gleichen elektrischen Potential wie das Kathodensystem liegt.

Dieses Leiterelement ^h besitzt die Aufgabe, das elektrische Feld in einem Bereich außerhalb der ein starkes Potentialgefälle aufweisenden Beschleunigungsstrecke 31, 'd.h. also hauptsächlich in dem rotationssymmetrischen Bereich zwischen den Beschleunigungöelektroden 26', 29' des Elektronenstrahl-Erzeugungssystejijs und der Innenwand des Isolierkörpers 21', in gewünschter Weise zu beeinflussen und zu formen. Die im wesentlichen hohlzylindrische Anode 29' ist hierbei mit ihrem relativ engen Hals in axialer Richtung recht weit hoch in den Innenraum des Isolierkörpers 21' gezogen und liegt mit ihrer oberen Bohrungsöffnung in relativ geringem Abstand von der Steueröffnung der Wehnelt-Elektrode 26'.

Das sich vom Tragering 25 aus innerhalb der Isolierkörperwandung in praktisch entgegengesetzter axialer Richtung als die Anode 29'

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erstreckende Leiterelement 3^ ist hinsichtlich seiner Auedehnung parallel zur Achsrichtung so ausgebildet, daß es sowohl die Beschleunigungsstrecke 31» als auch das Kathodensystem mit der Wehnelt-Elektrode 26' und einen gewissen Teil der Anode 29* koaxial umgibt, wie aus Fig, 3 ersichtlich ist. An seinem unteren Rand ist das Leiterelement 3k mittels einer ringförmigen Draht« spirale 32 abgeschlossen. Die Wandung des Isolierkörpers 21' weist im Bereich der Einbettung des Leiterelements 3k im Gießharz eine nach dem Innenraum hinweisende Krümmung 33 auf, die an einer Stelle am stärksten ausgebildet ist, wo das Ende 32 des Leiter-. elements 3k im Gießharz liegt. Durch die geschilderten Maßnahmen wird insgesamt erreicht, daß die elektrische Feldstärke längs der inneren gekrümmten Oberfläche des Isolierkörpers 21· im · wesentlichen gleichmäßig, d.h. linear verteilt ist, so daß Stellen besonderer Zusaramendrängung des elektrischen Feldes an der Isolatoroberfläche vermieden werden. Wie Messungen ergeben haben, läßt sich bei der erfindungsgemäßen Anordnung, wie sie in Fig. 3 beispielsweise dargestellt ist, eine Verminderung des Feldstärkemaximums an der Isolatoroberfläche um wenigstens den Faktor 3 erreichen, wobei jetzt die Kraftlinien des elektrischen Feldes in Richtungen auf die Isolatoroberfläche zu verlaufen und unter Winkeln dort eintreten, daß zufällig erzeugte sekundäre negative Ladungsträger, wie z.B. sekundäre Elektronen, von der Isolatoroberfläche weg beschleunigt werden.

Fig. 3 zeigt weiterhin analog zur Darstellung gemäß Fig. 2 den neuen Verlauf der in der vertikalen Schnittebene liegenden, ge-

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meinsam mit 36' bezeichneten Äquipotentiallinien und zwar von der Achse der Beschleunigungsstrecke 31. zur rechts liegenden Innenwand des Isolierkörpers 21' hin. Man erkennt insbesondere, daß der Oberflächenbereich in unmittelbarer Umgebung des in der Isolierkörperwandung verankerten Randteils 25 a des auf Hochspannungspotential liegenden Tragerings 25 praktisch feldfrei ist, während -in der z-Richtung die Dichte der Äquipotentiallinien und damit auch die Dichte der Kraftlinien des zugehörigen elektrischen Feldes längs der Isolatoroberfläche zwar zunächst zunimmtΐ· dann praktisch jedoch konstant bleibt, ohne daß Zentren hoher elektrischer Feldstärke an der Isolatoroberfläche gebildet werden. ■

Diese Erscheinung der Linearisierung des elektrischen Feldes läßt sich an Hand der Fig. k noch wesentlich deutlicher erkennen. In der Fig. k ist ein vergrößerter Ausschnitt aus dem Elektronenstrahl-Erzeugungssystem gemäß der Fig. 3 dargestellt, wobei es sich um den eine gekrümmte Oberfläche aufweisenden Bereich des Isolierkörpers 21* handelt, in dessen Wandung das zur Feldformung dienende Leiterelement 3^ eingegossen ist, das einerseits mit dem Randteil 25 a des auf Kothodenpotential liegenden Tragerings 25 verbunden ist, andererseits an seinem freien Ende zur Vermeidung eines elektrischen Durchschlags im Isoliermaterial eine ringförmige Drahtspirale 32 trägt. Zusätzlich zu dem Verlauf der Äquipotentiallinien ist im Bereich des,Übergangs vom Vakuum zum Isolierkörper 21· in der Fig. k auch die Linienschar der im Bereich der Isolatoroberfläche auftretenden gestrichelt gezeichneten Feldlinien zu erkennen.

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Hieraus läßt sich die Tatsache der durch die Erfindung erzielbaren linearen Verteilung der elektrischen Feldstärke längs der inneren Isolatoroberfläche besonders gut und übersichtlich ableiten*

Es ist schließlich noch erwähnenswert, daß infolge der Anordnung des zusätzlichen elektrischen Leiters im Gießharz und der hiermit automatisch gegebenen vergrößerten Wärmekontaktfläche ein weiterer Vorteil zu verzeichnen ist, nämlich die verbesserte Wärmeableitung vom heißen Tragering 25 durch den Isolierkörper '21'

hindurch an den Außenmantel 2k, insbesondere, v/enn das Leiterelement 3^ aus einem Material hoher Wärmeleitfähigkeit, z.B. aus Kupfer besteht.

- Patentansprüche -

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Claims (1)

1. Ansprüche

   1.) Zur Beschleunigung eines Ladungsträgerstrahls im Vakuum dienende, innerhalb eines Isolierkörpers befindliche Elektrodenanordnung, die aus wenigstens zwei auf unterschiedlichem elektrischen Potential liegenden, in axialem Abstand voneinander angeordneten und eine Beschleunigungsstrecke bildenen Leiterelementen mit mittleren Durchtrittsöffnungen für den Ladungsträgerstrahl besteht, dadurch gekennzeichnet, daß zur Formung des elektrischen Feldes in einem außerhalb der Beschleunigungsstrecke befindlichen Bereich zusätzlich mindestens ein elektrisches Leiterelement vorgesehen ist, das in der Wandung des Isolierkörpers eingebettet ist, sowohl die Beschleunigungsstrecke als auch zumindest teilweise die diese Beschleunigungsstrecke bildenden Leiterelemente (Beschleunigungselektroden) in einem zur Achse der Elektrodenanordnung radialen Abstand umgibt und auf dem gleichen Potential wie die Beschleunigungselektrode mit dem jeweils negativeren Potential liegt·

   2. Elektrodenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das zur Feldformung außerhalb der Beschleunigungsstrecke dienende zusätzliche Leiterelement unmittelbar mit der auf negativerem Potential liegenden Beschleunigungselektrode leitend verbunden ist.

   3. Elektrodenanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das zur Feldformung außerhalb der Beschleuni-

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   gungs6trecke dienende zusätzliche Leiterelement in einer mit der Elektrodenanordnung koaxialen Zylindermantelfläche angeordnet ist.

   h. Elektrodenanordnung nach einem der Ansprüche 1 Ms 3* dadurch gekennzeichnet, daß das zur Feldformung außerhalt der Beschleunigungsstrecke dienende zusätzliche Leiterelement zusammen mit der mit ihm leitend verbundenen Beschleünigungselektrode ^ als im wesentlichen topfförmige Elektrode ausgebildet ist.

   5. Elektrodenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis k, zur Be-

   schleunigung von negativ geladenen Teilchen, dadurch gekennzeichnet, daß die in Beschleunigungsrichtung jeweils folgende Beschleunigungselektrode mit dem in bezug auf die voraus angeordnete Beschleunigungselektrode niedrigeren negativen Potential im wesentlichen eine hohlzylindrische Form mit einem - Durchmesser besitzt, der wesentlich kleiner ist als der Durchmesser der voraus angeordneten topffb'rmigen Elektrode, die ™ durch das zur Feldformung dienende zusätzliche Leiterelement

   und die mit diesem verbundene Beschleunigungselektrode gebildet ist, und daß die hohlzylindrische Beschleunigungselektrode nach Maßgabe der Länge der Beschleunigungsstrecke und des beabsichtigten Feldverlaufs außerhalb dieser Beschleunigungsstrecke wenigstens über einen Teil ihrer Höhe in die topfförmige Elektrode koaxial hineinragt.

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   6. Elektrodenanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, für mehrstufige Linearbeschleuniger, dadurch gekennzeichnet, daß jede Elektrode zwischen der ersten und letzten Elektrode der Anordnung im wesentlichen topfförmig ausgebildet ist und aus einem zur Feldformung jeweils außerhalb einer Beschleunigungsstrecke dienenden, in der Wandung des Isolierkörpers eingebetteten hohlzylindrischen elektrischen Leiterelement ■ mit einem vergleichsweise größeren Durchmesser sowie einer mit diesem Leiterelement leitend verbundenen, eigentlichen Beschleunigungselektrode besteht, die ihrerseits ebenfalls hohlzylindrisch ausgebildet ist und einen vergleichsweise j geringen Durchmesser aufweist, wobei die hohlzylindrische Beschleunigungselektrode mi.t ihrem freien Ende in axialer Richtung zur jeweils voraus angeordneten Elektrode hin, das ' zur Feldformung außerhalb der Beschleunigungsstrecke dienende Leiterelement mit seinem freien Ende jedoch in entgegengesetzter axialer Richtung, d.h. zur nachfolgend angeordneten Elektrode hin, ausgerichtet ist, und wobei je zwei in axialer Richtung aufeinanderfolgende Elektroden wenigstens teilweise ineinanderragen.

   7. Elektrodenanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Elektroden in an sich bekannter Weise an Anzapfungen eines Spannungsteilers angeschlossen sind.

   8. Elektrodenanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils ein in der Wandung des

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   ist.

   als Hohlkörper ausgebildeten Isolierkörpers eingebettetes Leiterelement mit einem elektrisch leitenden Halterungselement für die zugehörige Beschleunigungselektrode leitend verbunden is"t, wobei dieses Halterungselement in der Wandung des Isolierkörpers befestigt ist.

   9. Elektrodenanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandung des Isolierkörpers (21·) jeweils im Einbettungsbereich eines Leiterelements (3*0 eine nach dem Innern des Hohlraums gerichtete Krümmung (33) aufweist. ,

   10. Elektrodenanordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Krümmung der Innenwandung des Isolierkörpers (21¹) jeweils dort am stärksten ausgebildet ist, wo das freie, d.h. das nicht mit der Beschleunigungselektrode bzw. mit dessen Halterungselement in Verbindung stehende Ende eines Leiterelements (3*0 in der Wandung des Isolierkörpers eingebettet

   11. Elektrodenanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils ein zur Feldformung außerhalb einer Beschleunigungsstrecke dienendes zusätzliches Leiterelement an seinem freien, d.h. also nicht mit der zugehörigen Beschleunigungselektrode bzw. mit dessen Halterungselement in Verbindung stehendem Ende mit einer im Querschnitt im wesentlichen kreisförmigen Verdickung versehen ist.

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   12. Elektrodenanordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Leiterelement (3^) endseitig statt mit einer massiven Verdickung mit einer ringförmigen Drahtspirale (j52) versehen ist.

   13. Elektrodenanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein zur Feldformung außerhalb der zugehörigen Beschleunigungsstrecke dienendes zusätzliches Leiterelement jeweils in Form eines zu einer Zylindermantelfläche gebogenen Drahtgeflechts ausgebildet ist, das in der Wandung des Isolierkörpers im Gießharz eingegossen ist.

   lh» Elektrodenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß ein zur Feldformung außerhalb der zugehörigen Beschleunigungsstrecke dienendes zusätzliches Leiterelement jeweils durch Metallisierung einer hierfür vorgesehenen Fläche innerhalb der Wandung des Isolierkörpers gebildet ist.

   15. Elektrodenanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein zur Feldformung außerhalb der zugehörigen Beechleunigungsstrecke dienendes zusätzliches Leiterelement aus einem Material hoher Wärmeleitfähigkeit besteht. '

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