DE2064273A1

DE2064273A1 - Verfahren zur Steuerung der Intensi tat eines Elektronenstrahles und Vornch tung hierfür

Info

Publication number: DE2064273A1
Application number: DE19702064273
Authority: DE
Inventors: Westland Mich Hashmi Zia (V St A ) P G21h
Original assignee: Ford Werke GmbH
Current assignee: Ford Werke GmbH
Priority date: 1969-12-29
Filing date: 1970-12-29
Publication date: 1971-07-08
Also published as: GB1292178A; FR2073802A5; US3621327A; NL7018963A; BE760883A

Description

Verfahren zur Steuerung der Intensität eines Elektronenstrahles und Vorrichtung hierfür

Erfindungsgegenstand ist ein Verfahren zur Steuerung des Querschnittsbereiches und der Intensität eines Elektronenstrahls, der in einem Elektronenbeschleuniger gebildet wird. Ein erstes konstantes elektrisches Feld wird an den Strahl angelegt, das die Streuung des Strahls in einer ersten Ebene und die Konzentration des Strahles in einer zweiten senkrecht zur ersten Ebene stehenden Ebene verursacht. Anschließend wird ein zweites
konstantes elektrisches Feld an den Strahl angelegt, das eine Konzentration in der ersten Ebene und eine Strahlstreuung in
der zweiten Ebene verursacht. Die Felder werden an den Strahl zwischen dem Ursprung des Strahles und dem Beschleunigerfenster angelegt und bewirken, daß die Querschnittsfläche des Strahls an der Stelle des Schnittes von Strahl und Fenster relativ zu seinen ursprünglichen Abmessungen erheblich vergrößert wird,

eowie eine hierfür geeignete Vorrichtung.

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Elektronenstrahlerzeuger oder Elektronenbeschleuniger mit Be-8chleunigungj3spannungen in der Größenordnung von einigen

BAD ORIGINAL

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Millionen Volt enthalten üblicherweise einen langen isolierenden Behälter. Dieser Behälter enthält eine Vakuumkammer, durch die die Elektronen beschleunigt sind und einen Strahl aufgrund eines großen Potentialunterschiedes zwischen der Elektronenkanone, die eine heiße Kathodenemittierung an einem Ende der Kammer enthält, und einer Anode am anderen Ende der Kammer gebildet wird. Die Anode enthält ein für Elektronen durchlässiges Fenster, durch das der Strahl aus der Kammer auf die zu bestreuende Substanz geht.

Die üblichen Materialien;ezur .Ausbildung der für Elektronen durchlässigen Fenster sind dünne Folien, die den Durchgang des Elektronenstrahls erlauben und können in einer Öffnung in der Behälterwand getragen werden, so daß das Vakuum, innerhalb der Kammer aufrechterhalten wird. Wenn der Elektronenstrahl durch das Metallfenster geht, werden die Elektronen in gewissem Ausmaß gestreut, so daß sich eine Erhitzung des Fensters einstellt. Falls ein Teil des Metallfensters über einen vertretbaren Wert erhitzt wird, wenn der Strahl durch das Fenster geht, verursacht diese Überhitzung eine Oxydation und Schwächung des Metalles und es ergeben sich Durchbrüche durch das Metall. Die sonst notwendige Vakuumdichtung, die durch das Fenster geliefert wird, wird selbstverständlich bei der Ausbildung von Durchbrüchen aufgehoben.

Um diese Überhitzung des Fensters zu vermeiden, muß die Elektronenintönsität'des Strahles scharf gesteuert werden. Einige bisherige Verfahren zur Steuerung der Strahlintensität ergaben einen Strahlgeneratorbetrieb unterhalb der Potentialabgäbe der Maschine und sind in diesem Gesichtspunkt unzufriedenstellend.

Ein weiteres bekanntes Verfahren zur Verhinderung der Überhitzung des Fensters aufgrund'der übermäßigen Strahlintensi-

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tat wird -als" "Strahlabtastung" bezeichnet. Bach diesem Verfahrem'wird der Strahl über die Oberfläche eines länglichen !Fensters "getastet", so daß eine örtliche Überhitzung an irgendeiner Stelle des Fensters verhindert wird. Es ist bekannt, daß die Strahlabtastung die Anwendung eines elektrischen Feldes und zwar entweder eines elektrostatischen oder magnetischen, erfordert, welches Zeit-variierend ist, um die gewünschte Variierung des Strahlweges zu erzielen.

Derartige Abtastungsverfa.hren haben bestimmte eigene Fehler, die sie ungünstig machen. Ein geeigneter Kreislauf für die variierenden Felder muß eingestellt werden, um die gewünschte Strahlabtastbewegung zu erreichen. Dieser Feldkreislauf muß auch mit der Geschwindigkeit der Bewegung des zu bestrahlenden Materials synchronisiert werden, da ein derartiges Material üblicherweise kontinuierlich an dem Beschleunigerfenster vorbeibewegt wird, beispielsweise auf einer Förderleitung, um eine maximale Ausnützung der verfügbaren Strahlungsenergie zu erzielen. Die Feldvariierungs*- und Synchronisationsschaltungen und die für das Abtastverfahren notwendigen Kleinteile sind relativ kompliziert, schwierig zu unterhalten und unterliegen dem Bruch.

Eine Aufgabe der Erfindung besteht in einem Verfahren zur Steuerung des in einem Beschleuniger gebildeten Elektronenstrahls, so daß die Intensität des Strahles am Beschleunigerfenster reduziert wird, so daß eine örtliche Überhitzung des Fensters nicht erfolgt. Um dies zu erreichen, wird beim erfindungsgemäßen Verfahren der Strahl zwischen der Ursprungsstelle und dem Fenster defokussiert, indem an den Strahl nicht variierende elektrische Felder angelegt werden, deren Ausbildung lediglich relativ einfache und betriebssichere Vorrichtungen erfordert. Durch die Verringerung der Intensität des Strahles und die Erhöhung der Querschnittsfläche ergibt sich bei diesem Verfahren auch eine größere zur Verfügung stehende Strahlauftreffflache. Das erfindungs-

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gemäße Verfahren "betrifft die Steuerung der Querschnittsfläche eines innerhalb eines evakuierten Behälters gebildeten und in gerader Linie auf ein für Elektronen durchlässiges Fenster in der Wand des Behälters gerichteten Elektronenstrahls. Das Verfahren umfaßt die Stufen, daß der Strahl an einer ersten Stelle sowohl in einer ersten Ebene konzentriert wird und der Strahl in einer zweiten Ebene gestreut wird. Die erste und die zweite Ebene stehen senkrecht zueinander, wobei der Schnitt der Ebenen die gerade linie darstellt, entlang der der Strahl ursprünglich gerichtet ist. An einer zweiten Stelle zwischen der ersten Stelle und dem Beschleunigerfenster wird der Strahl in der ersten Ebene gestreut und in der zweiten Ebene konzentriert. Durch diese Stufen ergibt sich eine Zunahme der Querschnittsfläche des Strahles und eine entsprechende Abnahme der Intensität des Strahles am Beschleunigungsfenster. Die erste und die zweite Stelle haben einen Abstand voneinander und die Konzentrierung des Strahls in der ersten Stelle verursacht eine Fokussierung des Strahles zu einem Brennpunkt, der zwischen der ersten und der zweiten Stelle liegt.

Die Erfindung wird anhand der beiliegenden Zeichnungen weiter erläutert, worin

Fig. 1 eine isometrische Ansicht, die schematisch einen Elektronenbeschleuniger, der bei der Praxis der Erfindung angewandt, werden kann, darstellt,

Fig. 2 eine schematische Darstellung in der ersten Ebene des Strahlenbündels, das im Beschleuniger der Fig. 1 gebildet wird und nach dem erfindungsgemäßen Verfahren gesteuert wird,

Fig. 3 eine ähnliche Ansicht wie Fig. 2, die jedoch das Strahlenbündel in der zweiten Ebene, die senkrecht zur ersten Ebene der Fig. 2 steht, darstellt,

zeigen.

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In den Zeichnungen und insbesondere in Fig. 1 "bezeichnet die Bezugsziffer 10 allgemein einen für das erfindungsgemäße Verfahren "brauchbaren Beschleuniger. Dieser Beschleuniger umfaßt einen langgestreckten Behälter 12, der eine Innenkammer 14 umgibt. Nahe der einen Endwand 16 des Behälters 12 "befindet sich ein heißer Kathodenemittierer 18. Entfernt von der Endwand 16 enthält der Behälter 12 einen sich erweiternden Teil 20, der in der Endwand 22 endet. Die Endwand 22 weist eine Öffnung auf, worin ein für Elektronen durchlässiges Fenster 24 "befestigt ist.

Das Fenster 24 ist in üblicher Weise aus einem für Elektronenstrahlen durchlässigen Material, beispielsweise einer dünnen Metallfolie, gefertigt. Das Fenster hat eine praktisch quadratische Form und der Fenstermittelpunkt ist die Stelle *des Schnittes eines Paares senkrechter Achsen, die mit X und T bezeichnet sind und zur Erleichterung der Beschreibung dienen. Das Fenster 24 ist in der in der Behälterendwand 22 ausgebildeten Öffnung so angebracht, daß sich ein luftdichter Verschluß dieser Öffnung ergibt, so daß innerhalb der Kammer 14 ein Vakuum aufrechterhalten v/erden kann. Das Fenster 24 ist in der Anodenstruktur des Beschleunigers enthalten. Eine große Potentialdifferenz liegt zwischen dieser Anodenstruktur und der Kathode 18 vor, so daß die an der Kathode emittierten Elektronen einen Elektronenstrahl "bilden, der auf das Fenster 24 gerichtet ist.

Die Steuerung der,Querschnittsfläche und damit die Intensitat des an der Kathode 18 entstehenden Elektronen-Strahls wird durch die Anwesenheit von elektromagnetischen Spulen möglich, die um den Behälter 12 angebracht sind. Ein erstes Paar von Spulen 26 und 28 ist diametral über den Behälter 12 angebracht und läßt sich als Spule der X-Achse bezeichnen, da sie in der Ebene, die die X-ichse enthält, angebracht sind. Die Y-Achse schneidet diese und steht senkrecht zu dieser Ebene. Stromabwärts von >- sn Spulen 26 und 28

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befindet sich ein zweites Paar Spulen 30 und 32. Jede der Spulen 30 und 32 ist xm 90° gegenüber dem äußeren Umfang des Behälters jeweils gegenüber den Spulen 26 und 28 versetzt angebracht. Die Spulen 30 und 32 können als Spulen der Y-Achse bezeichnet werden.

Die Spulen 26 und 28 sind mit einer geeigneten elektrischen Energiequelle verbunden, so daß diese. Spulen einen stetigen Zustand oder ein unvariierendes Feld durch denjenigen Teil der Kammer 14 ergeben, der zwischen diesen Spulen liegt. In der gleichen Weise sind die Spulen 30 und -32 elektrisch mit einer Energiequelle verbunden, so daß sie einen stetigen Zup stand oder unvariierende Felder in dem Raum dazwischen ergeben. Die Art und Weise, womit die durch die Spulen 26, 28 und 30, 32 gebildeten elektrischen Felder zur Steuerung des Elektronenstrahles des Beschleunigers verwendet; werden, wird nachfolgend anhand der Fig. 2 und 3 erläutert'.

In den Fig» 2 und 3 ist der Elektronenstrahlumfang mit der Bezugsziffer 34 bezeichnet. Die Richtung des Strahles ist durch den Pfeil 36 angegeben. Es ist ersichtlich, daß der Strahl an der Kathode 18 als relativ dünne, geradlinige Strömung der Elektronen entsteht. Der Querschnittsbereich des Strahles ist zu diesem Zeitpunkt sehr gering, da Strahldurch- ^ messer in der Größenordnung von wenigen Millimeter üblich sind. Dieser Teil des Strahles ist mit der Bezugsziffer 38 bezeichnet.

Wie ersichtlich, tritt der Strahl stromabwärts von der Kathode 18 in das durch die X-Spulen 26 und 28 gebildete elektromagnetische Feld ein, das schematisch durch das Rechteck 40 dargestellt ist. Der Teil des Strahles innerhalb des Feldes 40 ist mit der Bezugsziffer 42 bezeichnet. Aus Fig. 2 ist ersichtlich, daß dieses Feld eine Divergenz oder I®fokussierung des Strahlteiles 42 in der sogenannten X-Ebene, '&'·"&. der Ebene der Zeichnung der Fig. 2, verursacht. Die Di-

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vergenz in der X-Ebene, die der Strahlteil 42 bei seinem Durchgang durch das Feld 40 erhalten hat, setzt sich natürlich fort, nachdem der Strahl das Feld 40 verlassen hat. Der Teil des Strahles unmittelbar stromabwärts vom Feld 40 ist mit der Bezugsziffer 44 bezeichnet.

In der Y-Ebene, d.h. der Ebene der Zeichnung von Fig. 3, konvergiert der Strahlteil 42 innerhalb des Feldes 40 oder wird fokussiert. Selbstverständlich verursacht ein homogenes, im stehenden Zustand befindliches elektromagnetisches Feld, das einen Strahl in einer ersten Ebene (X-Ebene) defokussiert, gleichzeitg eine Fokussierung des Strahles in einer zweiten Ebene (Y-Ebene), die senkrecht zur ersten Ebene ist. Diese Wirkung zeigt das Feld 40 auf den Strahl 34.

Der mit der Bezugsziffer 44 bezeichnete Teil des Strahles, d.h. der Teil des Strahles unmittelbar stromabwärts vom Feld 40, divergiert in der X-Ebene der Fig. 2, da kein elektrisches Feld hierauf einwirkt. In der Y-Ebene (Fig. 3) konvergiert der Strahlteil 44, wenn er das Feld 40 als Strahlteil 44a verläßt. Er wird dabei in der Y-Ebene am Brennpunkt 46 fokussiert. Selbstverständlich beginnt sich stromabwärts des Brennpunktes 46 der Strahlteil 44 zu divergieren, wie mit 44b bezeichnet.

Das durch die Y-Spulen 30 und 32 gebildete elektrische Feld ist schematisch durch das Rechteck 48 in den Fig. 2 und 3 gezeigt. Der durch dieses Feld gehende Teil des Strahles wird mit der Bezugsziffer 50 bezeichnet. In der X-Ebene wirkt auf den Strahlteil 50 das Feld 48 ein und die Divergenz, die entlang des Strahlteiles 44 fortgeschritten ist, wird eingehalten und eine geringfügige Konvergenz des Strahls erfolgt am Strahlteil 50. Diese Wirkung des Feldes 48 verhindert einen zu großen Verlust der Strahlintensität und erzeugt eine gesteuerte Abmessung der X-Ebene und der Strahlintensität am Fenster 24. Es ist ersichtlich, daß diese geringe Konvergenz,

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die durch das Feld 48 verursacht wurde, stromabwärts vom Feld 48 sich fortsetzt, wo dieser Strahlteil mit Bezugsziffer_ 52 bezeichnet ist.

Während das Feld 48 eine Konvergenz des Strahles in der X-Ebene verursacht, ist aus Fig. 3 ersichtlich, daß eine Divergenz des Strahles durch das Feld 48 in der Y-Ebene verursacht wird. Die geringfügige Strahldivergenz des Strahlteils 44b wird im Strahlteil 50 'erhöht. Diese Divergenz setzt sich selbstverständlich stromabwärts des Feldes 48 entlang des Strahlteils 52 fort bis der Strahl das Fenster 24 schneidet.

Es ergibt sich aus einem Vergleich der Fig. 2 und 3, daß am Fenster 24 die Strahlabmessungen entlang den X- und Y-Achsen praktisch gleich sind und daß diese Abmessungen weit größer sind als die entsprechenden Abmessungen des Strahles vor dem Eintritt des Strahles in die durch die elektromagnetischen Spulen gebildeten Felder. Da die Strahlquerschnittsflache am Fenster weit größer als am Ursprungspunkt ist, nimmt die Strahlintensität am Fenster dementsprechend relativ zu ihrer ursprünglichen Intensität ab. Der Strahl kann auf diese- Weise konstant auf das Fenster 24 ohne Gefahr einer Überhitzung aufgebracht werden. Das Ausmaß, womit ein spezieller Elek» tronenstrahl defokussiert wird und seine Intensität gesenkt wird, hängt natürlich von der speziell eingesetzten Vorrichtung ab und kann leicht empirisch ermittelt werden. Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt auf diese Weise die Steuerung eines Elektronenstrahls, so daß keine Notwendigkeit für eine Abtastung des Strahles entlang des Beschleunigerfensters oder zum Betrieb des Beschleunigers bei einer geringeren Kapazität als der vollen Kapazität besteht.

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Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung des vorstehenden Verfahrens besteht aus einem evakuierbaren Behälter zur Elektronenbeschleunigung mit einer Elektronenemittiereinrichtung und einem hierzu gegenüberstehend angebrachten, für Elektronen durchlässigen Fenster, wobei ausserhalb des Behälters in Abständen voneinander zwei elektromagnetische Spulenpaare 26, 28; 30,32 in zueinander im rechten Winkel stehenden Ebenen X,Y angebracht sind, wobei die Schnittlinie dieser Ebenen mit der geraden Linie (Mittellinie) des Elektronenstrahls zusammenfällt, und die Spulen 26, 28 und 30, jeweils Magnetfelder 40, 48 innerhalb des Behälters im Strahlenweg ausbilden.

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ORIGINAL INSPECTED

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Claims

PATENTANSPRÜCHE

1./ Verfahren zur Erzielung einer wirksamen Verteilung der verfügbaren Ionisierungsenergie eines Elektronenstrahls, der in einem evakuierten Behälter ausgebildet und entlang einer ersten Achse zu,einem für Elektronen.durchlässigen Fenster in der Wand des Behälters gerichtet ist, dadurch gekennzeichnet, daß ein erstes elektrisches PeId an den Strahl angelegt wird, das eine Konzentrierung des Strahles entlang einer, zweiten Achse, die senkrecht zur ersten Achse steht, und eine Streuung entlang einer dritten Achse, die senkrecht sowohl zur ersten als auch zur zweiten Achse steht, verursacht und ein zweites elektrisches Feld an den Strahl angelegt wird, das den Strahl entlang der zweiten Achse streut und entlang der dritten Achse konzentriert.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das erste und das zweite Feld elektrostatische Felder sind und einen Abstand voneinander aufweisen.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das erstenund <|as zweite Feld an den Strahl an Stellungen zwischen dem Ursprung des Strahles und dem Fenster angelegt werden. ! ■

4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Feld und das zweite Feld eine konstante Größe besitzt, ι-

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5. Verfahren nach Anspruch 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Konzentrierung des Strahls aufgrund des ersten Feldes eine Fokussierung des Strahles entlang der zweiten Achse ergibt,, deren Brennpunkt zwischen dem ersten und dem zweiten Feld liegt.

6. Verfahren zur Steuerung der Querschnittsfläche eines Elektronenstrahls, der in einem evakuierten Behälter ausgebildet und entlang einer geraden Linie auf ein für Elektronen durchlässiges Fenster in der Wand des Behälters gerichtet ist, dadurch gekennzeichnet, daß an einer ersten Stellung der Strahl in einer ersten Ebene konzentriert wird und der Strahl in einer zweiten Ebene gestreut wird, wobei die erste und die zweite Ebene senkrecht aufeinander stehen und der Schnitt dieser Ebenen die gerade Linie darstellt und an einer zweiten Stellung zwischen der ersten Stellung und dem Fenster der Strahl in der ersten Ebene gestreut wird und der Strahl in der zweiten Ebene konzentriert wird, so daß die Querschnittsfläche des Strahls am Fenster größer als an der Ursprungsstelle des Strahles wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten Stellungen voneinander einen Abstand besitzen und die Konzentrierung des Strahles in der ersten Stellung eine Fokussierung des Strahles an einem Brennpunkt ergibt, der zwischen der ersten und der zweiten Stellung liegt.

8. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 bis 7, bestehend aus einem evakuierbaren Behälter zur Elektronenbeschleunigung mit einer Elektronenemittiereinrichtung und einem hierzu gegenüberstehend angebrachten, für Elektronen durchlässigen Fenster, dadurch gekennzeichnet, daß ausserhalb des Behälters (12) in Abständen voneinander

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zwei elektromagnetische Spulenpaare (26,28; 30,32) in zueinander im rechten Winkel stehenden Ebenen (X, Y) angebracht sind, wobei die Schnittlinie dieser Ebenen mit der geraden Linie (Mittellinie) des Elektronenstrahls zusammenfällt, und die Spulen (26,28) und 30,32) jeweils Magnetfelder (40,48) innerhalb des Behälters im Strahlenweg ausbilden.

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