DE2040158A1 - Verfahren zur Vergroesserung der Abgabeleistung eines Elektronenbeschleunigers - Google Patents

Description

Dipl.-Ing, ¥. Beyer Dipl.-Wirtsch.-Ing. B.Jochem

Frankfurt am Main Freiherr-vom-Stein-Str.

Ford-Werke .Aktiengesellschaft
Köln / Bhein
Ottoplatz 2

Verfahren zur Vergrößerung der Abgab eleistung eines Elektronenbeschleunigers

Priorität der US-amerikanischen Anmeldung Fr. 849 705 vom 1J. August 1969

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzielung einer wirksamen Verteilung einer in einem Elektronenbeschleuniger erzeugten Ionisierungsenergie, bei welchem ein in einer evakuierten Kammer des Elektronenbeschleunigers erzeugter Elektronenstrahl auf mindestens ein Paar länglicher, elektronen-permeabler Fenster auftrifft, welche mit Zwischenabstand nebeneinander in der Kammerendwand angeordnet sind.

Elektronenrjtralalgeneratoren oder Elektronenbeschleuniger mit Beschleunigerspannungen von mehreren Millionen Volt besitzen im allgemeinen einen sehr langen Isolierungsbehälter. Dieser Behälter besteht aus einer evakuierten Kammer, in welcher die Elektronen beschleunigt und zu einem Strahl·gebündelt werden, xvobei eine außerordent-

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lieh Jaohe_Potentialdii:Terenz zwischen einer aus einem. 'Heißkathodenstrahler an einen K earner ende bestehenden Elektronenkanone und einer Anode an anderen Kairaerende besteht. Die Anode enthält ein elektronenpermeables Fenster, durch welches der Strahl aus der Kammer heraustritt und auf die entsprechende Substanz auftrifft.

Herkömmliche Katerialien für ein elektronen-periieables .Fenster sind dünne Met aufolien, die den Elektronenstrahl durchlassen und in einer öffnung in der Behälterwand abdichtend angeordnet sind, so daß das Vakuum innerhalb der Kammer erhalten bleibt· Falls der Elektronenstrahl das Metallfenster passiert werden die Elektronen zerstreut mit der Folge einer Erhitzung des Fensters. Falls ein 'Teil des Metallfenster." über einen zu tollerierenden Wert hinaus erwarnt wird, erfolgt eine Oxydation sowie ein Verdampfen des Metalls, :-:a3 zu einen Durchlöchern der Metallfolie führen kann. ä".u* diese V/eise würde das in der Kammer notwendige ·.-> Vakuum zerstrört. Um eine derartige Überhitzung des Fensters zu verhindern, nuß die Elektronenintensitat des Strahles exakt gesteuert werden, was zur Folge hat, daß die Generatorleistung unterhalb des Abgangspotentials der Maschine liegt.

Es wurden bereits verschiedene Möglichkeiten zur Verhinderung der oben beschriebenen "überhitzung vorgeschlagen. Beispielsweise wurden Kühlvorrichtungen, bei denen ein Luftstrom das Fenster umstreicht, vorgeschlagen, ihre Kühlwirkung reichte aber nicht aus, un eine Überhitzung sicher zu verhindern. Zur Verhinderung einer übermäßigen lokalen Erwärmung wurde weiterhin eine Vergrößerung der Fenstergröße ange-

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geben, die.bewirkt, daß der Strahl'über eine größere Fläche abgelenkt werden kann«

Obwohl ein größeres Fenster eine größere Strahlungsintensität, .zuläßt,-, haben die in früheren Unordnungen verwendeten vergrößerten Fenster eine ganze Anzahl von Nachteilen und Begrenzungsfaktoren. Einmal erfordert das dünne Fenstermaterial mechanische Stützträger und Halterungen von komplexer ITatur, sobald die Fenster eine, bestimmte Größe übersteigen. Durch diese Stützträger entstehen Zonen im Fenster, in denen der Elektronenstrahl austreten kann. Es entstehen aber auch Strahlungsverluste,. sobald der Strahl auf die impermeablen Stützträger auftrifft. Gegenüber ihrer Breite weisen die konventionellen Fenster eine relativ große Lange auf. Die Längen der Fenster sind aber durch die Erfordernisse der Halterung begrenzt, was durch die Tatsache bekräftigt wird, daß Fensterlängen von mehr als 180 cm unbekannt sind und Einrichtungen mit Fenstern von mehr als -120 cn Länge unhandlich werden.

Die notwendigerweise schmale Ausbildung der Fenster begrenzt weiterhin die Effektivität von verschiedenen mehrdimensionalen Strahlablenkungsverfahren zur Verhinderung der. Überhitzung, Bei derartigen Verfahren erfolgt die Strahlablenkung nicht in einer einzigen Dimension,, beispielsweise in Fensterlängsrichtung, sondern der Strahl wird auch senkrecht zur Ausdehnung des Fensters abgelenkt. Die schmale Fenctergestalt erschwert erheblich die Strahlablenkung in Fenfeterlängsrichtung, ohne Bücksicht auf die Querverschiebungen des Stahles und ohne eine nach-'λ

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folgende Erwärmung des bereits erwärmten Fensterteiles sowie einer daraus folgenden Ü~oerhitzungsgefahr.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Vergrößerung der Abgabeleistung eines Elektronenstrahlgenerators aufzuzeigen, durch welches das Risiko einer Fensterüberhitzung verringert wird und bei dem ein Elektronenstrahl mit hoher Intensität aus der Kammer austritt. Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch die Stufen eines Verfahrenszyklus

a) Ablenken des Elektronenstrahles über eine vorherbestimmte Zeitdauer in Längsrichtung eines der Fenster,

b) plötzliches Überführen des Elektronenstrahles von diesem ersten Fenster zu dem zweiten Fenster,

c) Ablenken des Elektronenstrahles über eine vorherbestimmte Zeitdauer entlang der Länge des zweiten Fensters und

d) plötzliches überführen des Elektronenstrahles vom zweiten Fenster zurück zum ersten Fenster.

Dieses Verfahren hat den Vorteil einer relativ großen Fensterfläche, da diese sich aus mehreren Einzelfenster zusammensetzt. Der Strahl kann über die gesamte zusammengesetzte Fläche ohne nennenswerte Verluste an Strahlungsenergie durch Auftreffen des Strahles auf impermeable Zonen abgelenkt werden.

Int folgenden wird die Erfindung an .Hand eines zur Durchführung des Verfahrens vorgcs<
beispieles genauer erläutert.

fünrung des Verfahrens vorgeschlagenen Ausführungs-

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Es zeigen: ■ ■ .

Pig. 1 eine langengetreue, schematische Darstellung eines Elektronenbeschleunigers gemäß, der Erfindung,

Fig. 2 eine Ansicht des ' Elektronenbeschleunigers in Sichtung des Pfeiles 2 in Pig. 1.,

Fig-=—3~©iiie schematische Darstellung des in Verbindung mit dem Beschleuniger der Fig. 1 verwendeten Stromlireises,

-""""" Fig. 4 eine zusammenfassende Darstellung von sechs im Kreis gemäß Pig. 3 erzeugten elektrischen Signalen in Abhängigkeit der Zeit.

Mit dem Bezugszeichen 10 ist ganz generell ein für das erfindungsgemäße Verfahren verwendeter Beschleuniger bezeichnet. Dieser besteht aus einem länglichen Behälter 12, der eine Innenkammer 14 umschließt«, Unmittelbar an einer Endwand 16 des Behälters 12 befindet sich ein heißer Kathodenstrahler 18. In einiger Entfernung von der Endwand 16 vergrößert sich der Behälter 12 zu einem kegelförmigen Teil 20, v/elcher von einer Endwand begrenzt wird. In der Endwand 22 befindet sich ein.Paar von Längsöffnungen, in welche elektronen-permeable abliegende Fensterglieder 24 und 26 eingesetzt sind·

Das Fensterglied 26 kann, wie bisher auch, aus einem Elektronenstrahl permeablom Material, z»B. aus einer dünnen Metallfolie, bestehen. Die Fensterglieder sind im wesentlichen rechteckig und nebeneinander angeordnet, wobei ihre Längsachsen im wesentlichen parallel zueih-

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ander verlaufen, jie Fenster 24 und 26 sind in die 3e— hälterendwand 22 derart eingebaut, daß sie das Gerät luftdicht abschließen und ein in der Kammer 14 bestehendes Vakuum aufrecht erhalten. Die !Fenster 24 und 26 gehören zur Anode des Beschleunigers. Zwischen dieser Anode und der Kathode 18 besteht ein großer Potentialunterschied, so daß die von der KatJiode abgestrahlten Elektronen einen auf die Fenster 24 und gerichteten Elektronenstrahl bilden. Die "Steuerung der Richtung dieses Elektronenstrahles erfolgt durch vier elektromagnetische Abtastspulen 28, 30, 32 und 3^ZS die um 90< gegeneinander versetzt außerhalb des Behälters 12 angeordnet sind. Die Spulen 28 und 30 sind derart angeordnet, daß sie einen von der Kathode gesendeten Kathodenstrahl in Richtung der in Pig. parallel zu den Längsachsen der Fenster 24 und 26 eingezeichneten Y-Achse ablenken. Die Spulen 32 und 3^- dagegen lenken den Elektronenstrahl parallel zur ebenfalls in Fig. 2 senkrecht zu den Längsachsen der Fenster 24 und 26 verlaufenden X-Achse ab.

Bei der Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung sind die Spulen 28, 30, 32 und 34 stromdurchflossen, wobei das induzierte magnetische Feld derart verändert werden kann, daß sich auch die Richtung des Elektronenstroms in der Kammer 14 entsprechend ändert. Auf dieser besonderen Ablenkungsausführung ergibt sich eine Intensität des Elektronenstrahles ohne die Gefahr von üb erhitzungen der Fenster 24 und Die Art und V/eise, in welcher der Elektronenstrahl gesteuert wird, kann der Fig. 2 entnommen werden. Urjter der Voraussetzung, daß bereits der anfängliche Elektronenstrahl von den Spulen abgelenkt wird, dann

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trifft er "beispielsweise im Punkt 36 auf das Penster Dieser Punkt 36 wurde willkürlich gewählt, da die Ablenkung des Elektronenstrahls wie unten näher ausgeführt in einer geschlossenen Bahn durch einen kontinuierlichen Betrieb erfolgt, so daß jeder Punkt dieser geschlossenen 3ahn als Start— oder Endpunkt angesehen werden kann. "

Der Stromfluß ■ durch die Sxralen 32 und 5^ wird auf einem konstanten Wert gehalten, so daß keine Querbewegung parallel zur X-Achse des Strahles auftritt. Gleichzeitig "wird der Strom in den Spulen 28 und 30 verändert,

so daß der Strahl über eine vorbestimate Zeitperiode längs der strichpunktierten linie in Richtung der in. Fig. 2 eingezeichneten Pfeile abgelenkt wird, Sobald der Strahl das vom Punkt-36 entfernt liegende Ende des Fensters 26 erreicht hat, wird der Stromfluß in den Spulen 32 und 36 augenblicklich auf einen zweiter, konstanten Vert verändert. Diese Änderung führt zu einer sofortigen Bewegung des Strahles längs der geraden Linie A-O in Richtung der X-Achse. Die Schneiiigkeit der Bewegung des Strahles von Penster 26 zum Penster 24 verhindert einen Verlust an Strahlungsenergie, xvelcher beim Auftreffen des Strahles auf den zwischen den Penstern 24 und 26 liegenden" Seil auftritt.

Unter Aufrechterhaltung dieses konstanten Stromwertes in den Spulen 32 und 3^₅ durch welchen der Elektronenstrahl derart abgelenkt wird, daß er auf das Penster 24 auftrifft, wird der Strom in den Spulen 23 und 30 ■wiederum, verändert, so daß der Strahl in einer vorbestimmten Zeitspanne über die Länge des Pensters 24,

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cutler; der strichpunktierter. Linie 42 und in Richtung der eingezeichneten Pfeile abgelenkt ist. Dabei ist die Richtung, in weiche der Strahl auf den Fenster Vi and ort un 180° :';e";cn'aoer der Richtung der Ablenkung in Fenster 26 verdreht. Sobald der Elektronenstrahl das Ende, des Fensters 24 erreicht hat, erfolgt augenblicklich eine £tro::.öndcrung in den Spulen 32 und 34, die eine sofortige Querbewegung des Strahles entlang der Linie 44 zur Folge hat, so daß der Strahl von: fenster zum Fenster 2G überspringt und der Ausgangspunkt des Ablenkungszykius, der Punkt 36, wieder erreicht wird. Ebenso -wie ,bei der oberen Querbewegung parallel zur

X-Aclise~ erfolgt auch diese Bewegung voia Fenster 24 sun Fenster 25 augenblicklich, so daß Verluste an Strahlungsenergie verhindert werden.

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VJi e oben beschrieben wird durch die Steuerung des Stroraflusses durch die Spulen eine stufenfömige Ablenkung des Elektronenstrahles erreicht. Lie Steuerung der Spulenstrüme geschieht mittels der in Fig. 3 scheniatisch dargestellten lireisanordnung. Aus dieser Pig. geht hervor, daiü ein Pulsgenerator 46 durch SignaiübertraguxLgselenente 43 rät einen Rechteckgenerator 50 verbunden ist, welcher Ausgangssignale über ein Paar von Signalleitungen 52 und 54 zu einen Y-Achsenläufer 56 sendet, welcher wiederum über Übertragungsleitung en 58 das Endstrorfisignal zu den Spulen 2o und abgibt. Wie oben ausgeführt, bestimmt der Stroiriflu.2 in diesen Spulen die Strahlablenkung in Y-Richtung.

Das über dnc Leitungen 52 und 54 zur: Y-Läufcr 56 übertragene Signal wird über die Leitungselenentc 60 bzw. zu einten X-Läufer p4 geleitet, welcher Strorasignalc erzeugt, die über Leitungen 66 und 68 zu den Spulen

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und 34 Gelangen» Dieses Element 54 wird X-ijäuf er bezeichnet,' da die Spulen 32 und 34 die Strahlablenkung in Richtung der 2-Aciise gemäß der Pig. 2 bewirken,,

Wie aus der weiter unten erfolgenden Punktionsbeschreibung hervorgeht, ist der Impulsgenerator 45, der Rechteckgenerator 50, der Y-Läufer 56 sowie der X-Läufer 54 .herkömmliche elektrische Bauelemente, die mit einiger Erfahrung leicht hergestellt werden können. Die Signalübertragungselemente 48, 52, 54-, 58, 60, 62, 66 und 68 können elektrische Übertragungskomponenten, vjie konduktive Drahtkabel, sein, die somit keinen Seil der Erfindung darstellen.

In Pig. 4 der Zeichnung stellt die Kurve 4a das Spannungssignal des Impulsgenerators 46 dar, welches über die Leitung 48 zum Rechteckgenerator 50 übertragen wird. Wie gezeigt, bestehaa diese Signale aus periodischen Impulsen von konstanter Prequenz. Die Abgangssignalspannung des Rechteckgenerators 50 in den Leitungen 52, und 54 ist als Kurven 4b bzw. 4c eingezeichnet. Aus der Zeichnung geht hervor, daß diese Kurven 4b und 4c einen"rechteckförmigen, entgegengesetzten Verlauf aufweisen und von gleicher Prequenz wie die Impulse der Kurve 4a sind. ■

Die Kurve 4d gibt den sügezahnförmigen Verlauf des vom Y-Läufer 26 gesendeten Stromsignals wieder, welcher _dieL.Spazraungßsignale nach 4b und 4c erzeugt. Die Stromschwingung 4d gelangt zu den beiden'parallel geschalteten Spulen 28 und 30 über die Signalleitimg 58» Da der Strom 4d von einer Schwingungsspitze zu einem Schwingungstal fortschreitet, werden die von den Spulen 28 und 30 erzeugten magnetischen Pelder dem im Beschleuniger 10 erzeugten Elektronenstrahl in einer

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ersten liichtiuv: längs der jjängsachse der Fenster 24-oäer 26 ablenken. Sobald der Stromfiuß 4-d dann von einer. Schwingungstal su einer Schwingungεspitze verläuft wird der Elektronenstrahl in einer zweiten, der 'ersten entgegengesetzten Sichtung längs der Längsachse des anderen Penstsrs abgelenkt.

Der X-Läufer 6-';- erzeugt jedes der Signale Vo" und 4-c und sendet Abgarigssignale 4-e und 4f, die durch Loiter bzw. 68 su den Spulen 32 und 34- übertragen vjcraen. Sie rcchteckförr.iigcn Stromwerte dieser Kurven 4-e und 4-f ~ " sind um 180 phasenverschoben und von gleicher Zeitdauer v;ie die positiven oder negativen Schleifen des Stromes 4d.

Dadurch ist sichergestellt, daiB der Stror.; in den Spulen J2 und 3^- während der Perioden, in denen der Strom gemäß der Kurve 4d entweder von einer Schwingungsspitze zu einem Tal oder von einen Schwingungstal zu einer Spitze verändert wird, konstant bleibt. 1/ann inner der Strom gemäß der Kurve ^d einen Ubergangspunkt(Spitze oder 2al) erreicht, wird der Strom in den Spulen 32 und ^¹V einem augenblicklichen Wechsel ausgesetzt, was zu einer sprunghaf-fccn— Bewegung des Elektronenstrahlß.s -parallel -zur """ ~

X-Achse von einem Fenster 24- oder 26 zum ent.3pr_££JiencL

anderen Fenster führt. Durch diese Anordnung ist somit sichergestellt, daß keine Querablenkung des Elektronenstrahles während seiner Längsablenkung erfolgen kann.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird in vorteilhafter V/eise die Vergrößerung der Leistung eines Elektronenbeschleunigers erreicht 'und die liöglichkeit geschaffen, einen hochintensiven Elektronenstrahl zuierzeugen, ohne daß die Gefahr einer lokalen Überder^jrermeablen Fenster "besteht, durch welche

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der Strahl auc den; jje£chleur_i~er austritt. Dieses Verfahren ist besonders für die Ablenkung eines Elektronenstrahles in einen Beschleuniger geeignet, dessen 2ndvjand aus nehreren eleictronenpermeableia Fenstern besteht, da keine durch das Auftreffen des Slektronenstrahles auf den "undurchlässigen ¥andzi-iischenteil-bedingten Snergieverluste auftreten.

jinsprüche/

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Claims (4)

1. An G "or üc ho

   Verfahren zur Erzielung einer wirksamen Verteilung einer -in einem· Elektronenbeschleuniger erzeugten lonisic— rungsenergie, bei welchem ein in einer evakuierten Säumer des Elektronenbeschleunigers erzeugter Elektronenstrahl auf mindestens ein Paar länglicher, elektronen-permeabler Fenster auftrifft, welche mit Zwischenabstand nebeneinander in der Kamrerendwand angeordnet sind, g c k e η η zeichnet durch die Stufen eines Verfahrenszyklus

   a) Ablenken des Elektronenstrahles über eine vorherbestimmte Zeitdauer in Längsrichtung eines der Fenster (24 oder 25),

   b) plötzliches Überführen des Elektronenstrahls von diesem ersten Fenster (24 oder 26) zu dem zweiten Fenster (26 oder 24),

   c) Ablenken des Elektronenstrahles über eine vorherbestimmte Zeitdauer entlang der Länge des zweiten Fensters (26 oder 24) und

   d) plötzliches Überführen des Elektronenstrahles vo'm zvi e it en Fenster (26 oder 24) zurück zum ersten Fenster (24 oder 26).
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , da3 die Verfahrensstufen in umgekehrter Reihenfolge ablaufen.
3. 3· Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, α a d u r c h gekennzeichnet , daß die Richtung der Strahl-

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   ablenkung im ersten Fenster der der Ablenkung im zweiten Fenster entgegengesetzt ist.
4. 4. Verfahren zur Vergrößerung der Abgabeleistung eines an den Elektronenstrahl in einer evakuierten Kammer erzeugenden Elektronenbeschleunigers nach Anspruch 1, welcher von vier gegeneinander um 90° versetzt angeordneten Ablenkungsspulen, umgeben ist, durch die der Strahl entweder in' Sichtung einer ersten Achse oder in Pachtung einer zweiten, senkrecht auf dieser stehenden Achse abgelenkt wird, g ek e η η .zeichnet durch Verändern des Stromflusses in einen erstenf' Swei gegenüberliegenden Spulen bestehenden Spulenpaaren (28, 30) uiid Aufrechterhalten eines konstanten Stromes im zweiten Spulenpaar (32, 3Ό ι so da3 der Elektronenstrahl parallel zur ersten Achse (T) in Längsrichtung .des Fensters (2^z0 abgelenkt wird, plötzliches Verändern des Stromflusses im zweiten Spulenpaar auf einen ebenfalls konstanten Wert, dabei schnelles Führen "des"Strahles in einer Bahn parallel zur zweiten Achse (X)-~-tuad— daran anschließend Verändern des Stromes in ersten Spulenpaar bei gleichseitiger Aufrechterhaltung des zweiten konstanten Stronwer'ues im zweiten Spuienpaar_s und dabei Ablenken des ILlektronenstrahles parallel zur Sensterlängsachse.

   5-. Verfahren nach Anspruch.3, g e k e η π zeichnet durch die.weitere Verfahrensatuxe des plötzlichen Wiederanlcgens d&s ersten konstanteil Stromwertes im zweiten Spuionpaar und dabei Rückführung des Strahles zum ersten Fenster in einer Bahn parallel zur zweiten Achse (Z) sowie Beenden _de2!.-zweii7en"3tromänderung im ersten Spulenpaar«

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