DE2124405A1

DE2124405A1 - Electron beam generator

Info

Publication number: DE2124405A1
Application number: DE19712124405
Authority: DE
Inventors: Kazuo Toyonaka Arakawa (Japan). P
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1970-05-19
Filing date: 1971-05-17
Publication date: 1971-12-23
Also published as: GB1352382A; NL7106837A; FR2093521A5

Description

är ^212U05 ar ^212U05

17. Mai 197117th May 1971

MATSUSHITA SLECTBIC IMDU3TRIAL CO., LXD. Osaka, JapanMATSUSHITA SLECTBIC IMDU3TRIAL CO., LXD. Osaka, Japan

ElektronenstrahlgeneratorElectron beam generator

Sie Erfindung bezieht sich auf Elektronenstrahlgeneratoren und insbesondere auf einen Elektronenstrahlgenerator mit geringen Größenabmessungen, der zur Erzeugung eines Elektronenstrahlbündels niederer Energie τοη etwa 100 bis 300 keY ohne Abtastung geeignet ist.The invention relates to electron beam generators and in particular to an electron beam generator with low Size dimensions that are used to generate an electron beam lower energy τοη about 100 to 300 keY without scanning is.

Allgemein gehören zu den Elektronenstrahlgeneratoren die Beschleuniger nach Cockoroft, nach van de Graaff und die Beschleuniger mit Resonanztransformator, und sie dienen beispielsweise zur Elektronenbestrahlung von Polymerprodukten, um deren Eigenschaften zu verbessern.In general, the electron beam generators include the accelerators according to Cockoroft, according to van de Graaff and accelerators with resonance transformers, and they are used, for example, for Electron irradiation of polymer products to improve their properties to improve.

Diese Beschleuniger haben eint fast punktförmige Elektronenquelle. Bin von der Elektronenquelle herrührender schmaler Elektronenstrahl wird beschleunigt und hierauf auf magnetischem oder elektrischem Wege zu einer Abtastbewegung ausgelenkt, um so eine Bestrahlung eines flächigen Objekts zu ermöglichen.These accelerators have an almost point-like electron source. A narrow electron beam originating from the electron source is accelerated and then on a magnetic or deflected electrical path to a scanning movement to such a To enable irradiation of a flat object.

NeuerdingsRecently

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Neuerdings ist ein Elektronenstrahlgenerator entwickelt worden, der auf anderen Prinzipien beruht als diese Beschleuniger, da er eine lineare Elektronenquelle aufweist, und der daher als Linearkatodenbesohleuniger bezeichnet wird. Bei einem solchen Linearkatodenbeschleuniger wird ein flächenförmiges Elektronenbündel unmittelbar beschleunigt, so daß die Abtast- und Fokus si ereinrichtungen entfallen können. Ein Beschleuniger dieser Axt stellt also ein kompaktes und nicht aufwendiges Gerät dar.Recently an electron beam generator has been developed which is based on different principles than these accelerators, because it has a linear electron source and is therefore referred to as a linear cathode accelerator. With such a Linear cathode accelerator a sheet-like electron beam is accelerated directly, so that the scanning and focus si ereinrichtungen can be dispensed with. An accelerator of this ax provides So it is a compact and inexpensive device.

Sie Erfindung soll nun anhand der beigegebenen Zeichnungen beschrieben werden. In den Zeichnungen zeigen}The invention will now be described with reference to the accompanying drawings. Show in drawings}

Figuren 1 und 2 Querschnittsansichten bekannter Elektronenstrahlgeneratoren, wobei zusätzlich der elektrische Schaltungsaufbau in Form eines Blockschaltbildes dargestellt ist;FIGS. 1 and 2 are cross-sectional views of known electron beam generators, the electrical circuit structure also being shown in the form of a block diagram;

Figur 3 eine perspektivische Sarstellung eines bei dem Generator der Figur 2 vorgesehenen IsolierteilsfFIG. 3 shows a perspective position of one of the Generator of Figure 2 provided insulating part

Figur 4 eine Querschnittsansicht in einem entlang der Linie 17-17 der figur 2 gelegten Schnitt;Figure 4 is a cross-sectional view in one along the line Line 17-17 of figure 2 laid cut;

Figur 5 eine Querschnitteansicht einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Elektronenstrahlgenerators;Figure 5 is a cross-sectional view of an embodiment of the electron beam generator according to the invention;

Figur 6 eine Querschnittsansicht in einem entlang der Linie 71-71 der Figur 5 gelegten Schnitt; undFigure 6 is a cross-sectional view in one along the line Section taken along line 71-71 of FIG. 5; and

Figur 7 eine Querschnittsansicht einer anderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Elektronenstrahlgenerators.,Figure 7 is a cross-sectional view of another embodiment of the electron beam generator according to the invention.

Bei dem bekannten Linearkatodenbeschleuniger der Figur 1 sind eine Linearkatode 3 und eine Gitterelektrode 4 innerhalb eines evakuierten Gehäuses 2 und hinter einem Strahlenfenster 1, das aus einer dünnen Metallfolie (Aluminium oder H.tan) besteht, in der Weise angeordnet, daß durch das Strahlenfenster 1 ein Elektronenbündel ausgesandt werden kann, wobei die Elektronen-η einem flächenförmigen Elektronenbündel durch das auch als Anode dienende Gehäuse 2 beschleunigt werden, um dann durch das Strahlenfenster auszutreten. Ih der Darstellung der Figur handelt es sich bei dem Schaltblock 5 um eine die Beschleunigungsspannung liefernde Hochspannungsquelle, mit der Bezugszahl 6 ist eine Heizstromquelle für dieIn the known linear cathode accelerator of FIG. 1 are a linear cathode 3 and a grid electrode 4 within one evacuated housing 2 and behind a radiation window 1, which consists of a thin metal foil (aluminum or H.tan), in the Arranged in such a way that a beam of electrons can be emitted through the radiation window 1, the electrons η being a sheet-like electron beam through the housing, which also serves as an anode 2 are accelerated in order to then exit through the radiation window. Ih the representation of the figure, the switching block 5 is a high-voltage source supplying the acceleration voltage, with the reference number 6 being a heating current source for the

Linearkatod Linear cathode mm

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Linearkatode bezeichnet, mit der Bezugszahl 7 eine Gitterapannungequelle'für die Erzeugung einer Gitterspannung, mit der Bezugezahl 8 sind Anschlüsse für die Stromzuführung zur Katode und zum Gitter bezeichnet und mit der Bezugszahl 9 eine Vakuumpumpe zum Evakuieren des Gehäuses 2.Linear cathode denotes, with the reference number 7 a grid voltage source for the generation of a grid voltage, with the reference number 8 are connections for the power supply to the cathode and to the grid and with the reference number 9 a vacuum pump for evacuating the housing 2.

Bei diesem System ist die verfügbare Energie dee Elektronenstrahls jedoch begrenzt und beträgt maximal etwa 100 keV. Dies ist auf das dielektrische Burohsohlagverhalten des Unterdruckraums zurückzuführen. Bekanntlich steht die dielektrische Durchschlagspannung eines Unterdruckraums in einer Beziehung zur Gesamtspannungswirkung und kann nicht wesentlich erhöht werden, wenn man den Isolierabstand im Vakuum vergrößert. Der dielektrische Durchschlag a In this system, however, the available energy of the electron beam is limited and is a maximum of about 100 keV. This is due to the dielectric office flooring behavior of the negative pressure room. It is known that the dielectric breakdown voltage of a vacuum space is related to the total voltage effect and cannot be increased significantly if the insulating distance is increased in the vacuum. The dielectric breakdown a

tritt besonders bei Beschleunigern in Erscheinung, die durch eine Pumpe kontinuierlich evakuiert werden. Bei einer solchen Anordnung ist die maximal verfügbare Energie praktisch auf etwa 100 keV begrenzt .occurs particularly with accelerators that are continuously evacuated by a pump. With such an arrangement the maximum available energy is practically limited to around 100 keV.

Zur Beseitigung dieses Mangels und zur Ermöglichung der Erzeugung eines Elektronenstrahls von höherer Energie ist ein mehrstufiges Beschleunigungssystem ähnlich dem van-de-Graaff-Beschleuniger entwickelt worden. Ein mehrstufiges Beschleunigungssystea ist in den Figuren 2, 3 und 4 dargestellt, wobei hier Zwischenelektroden 11 und Isolierteile 12 abwechselnd übereinandergeschichtet sind und eine Spannung durch eine Spannungsteilereinrichtung, beispielsweise in Form von Teilungswiderständen 13, geteilt und den Zwischen- Λ elektroden 11 zugeführt wird. Mit der Bezugszahl 14 ist eine Linearkatode bezeichnet, mit der Bezugszahl 15 eine Gitterelektrode, mit der BezugszaJxl 16 ein oberer Flansch, mit der Bezugszahl 17 ein unterer Plansch, mit der Bezugszahl 18 ein im Öffnungsteil des unteren Flansches 17 vorgesehenes Strahlenfenster, mit der Bezugszahl eine die Beschleunigungsspannung liefernde Spannungsquelle, mit der Bezugszahl 20 eine Stromquelle zur Beheizung der Linearkatode, mit der Bezugszahl 21 eine Gitterspannungequelle, die Bezugszahl 22 bezeichnet Anschlüsse für die Stromzuführung zu der Linearkatode 14 und zum Gitter 15 und die Bezugszahl 23 eine Evakuierungspumpe. Ein Ieolierkörper besteht bei dieser Anordnung aus einem endsei tig offenen Flanschstück und kann eine rechteckige Querschnittsfora aufweisen To remedy this deficiency and to enable the generation of a higher energy electron beam, a multi-stage acceleration system similar to the van de Graaff accelerator has been developed. A multi-stage Beschleunigungssystea is shown in Figures 2, 3 and 4, wherein the intermediate electrode 11 and insulating parts are alternately stacked 12 here and divided voltage by a voltage dividing means, for example in the form of divider resistors 13, and the intermediate Λ electrode is supplied. 11 Reference number 14 denotes a linear cathode, reference number 15 a grid electrode, reference number 16 an upper flange, reference number 17 a lower surface, reference number 18 a radiation window provided in the opening part of the lower flange 17, reference number a the voltage source supplying the acceleration voltage, with the reference number 20 a power source for heating the linear cathode, with the reference number 21 a grid voltage source, the reference number 22 denotes connections for the power supply to the linear cathode 14 and to the grid 15 and the reference number 23 an evacuation pump. In this arrangement, an insulating body consists of a flange piece which is open at the end and can have a rectangular cross-sectional shape

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sen, wie dies in Figur 3 gezeigt ist, wobei seine längere Seite eine Abmessung von 1 bis 2 ι haben kann. Es ist technisch sehr schwierig, solche Isolierteile und die Zwischenelektroden in einen luftdicht abschließenden Schichtenverbund zu bringen, und in der Praxis erweist sich dies als nahezu unmöglich. Auch kann die Öffnung zum Anlegen des Vakuums nicht beliebig angeordnet werden, sondern muß in der Ebene des Strahlenfensterβ liegen.sen as shown in Figure 3, its longer side being a Can have dimensions from 1 to 2 ι. It is technically very difficult such insulating parts and the intermediate electrodes into one airtight to bring final layer composite, and in practice this proves to be almost impossible. The opening can also be used for mooring of the vacuum must not be arranged arbitrarily, but must lie in the plane of the radiation window.

Die Erfindung hat zur Aufgabe, einen Elektronenstrahlgenerator mit Linearkatöde zu schaffen, der zur Erzeugung eines Elektronenbündels von relativ hoher Energie geeignet ist, wobei die obenbezeichneten Mangel ausgeschaltet werden.The invention has for its object an electron beam generator with linear cathode, which is suitable for generating an electron beam of relatively high energy, the above-mentioned Deficiency can be turned off.

Durch die Erfindung wird ein Elektronenstrahlgenerator geschaffen, der eine Linearkatode und eine Vielzahl zylindrischer Beschleunigungselektroden aufweist, die so angeordnet sind, daß sie die Linearkatode umschließen.The invention provides an electron beam generator which has a linear cathode and a plurality of cylindrical Has acceleration electrodes which are arranged so that they enclose the linear cathode.

Bei einer in den Figuren 5 und 6 gezeigten Ausführungsform ist der Beschleunigungselektrodenaufbau mit mindestens einer konzentrisch oder exzentrisch angeordneten zylindrischen Elektrode 33 ausgebildet, die eine Linearkatode 31 und eine Gitterelektrode 32 umspannt, wobei zwischen je zwei benachbarten Beschleunigungselektroden ein gewisser Abstand eingehalten ist, wie er für die Isolierung im Vakuum erforderlich ist. Der Begriff "Beschleunigungselektroden" umfaßt in diesem Zusammenhang das Gitter und die anodischen Elektroden. Jede der zylindrischen Elektroden 33 weist eine durchgehende Öffnung für den Durchtritt eines Elektronenbündels auf, deren Abmessungen nach elektronenoptischen Gesichtspunkten im Hinblick auf die Beschleunigung des Elektronenstrahls festgelegt sind. Das äußerste zylindrische Teil 34 stellt eine Anode dar und dient gleichzeitig auch als Evakuierungskammer. Im äußersten zylindrischen Teil 34 ist an der Durchtrittsstelle des Elektronenbündelβ ein Strahlenfenster 35 vorgesehen. Die zylindrischen Elektroden 33 können an den beiden Enden des äußersten zylindrischen Teile 34 durch geeignete Isolierteile 36 gehaltert oder befestigt sein₀ In an embodiment shown in Figures 5 and 6, the acceleration electrode structure is formed with at least one concentrically or eccentrically arranged cylindrical electrode 33, which spans a linear cathode 31 and a grid electrode 32, a certain distance is maintained between each two adjacent acceleration electrodes, as it is for isolation in vacuum is required. The term "acceleration electrodes" in this context includes the grid and the anodic electrodes. Each of the cylindrical electrodes 33 has a through opening for the passage of an electron beam, the dimensions of which are determined from an electron-optical point of view with regard to the acceleration of the electron beam. The outermost cylindrical part 34 represents an anode and at the same time also serves as an evacuation chamber. In the outermost cylindrical part 34, a radiation window 35 is provided at the point of passage of the electron bundle. The cylindrical electrode 33 may be supported by suitable insulating members 36 34 at the two ends of the outermost cylindrical portions or be secured ₀

So kann zwischen je zwei benachbarte zylindrische Elektroden beispielsweise ein ringförmiger Isolierkörper aus Glas eingefügtFor example, an annular insulating body made of glass can be inserted between each two adjacent cylindrical electrodes

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und hermetisch abgedichtet und befestigt sein. Diese hermetische Abdichtung kann nach den üblichen Verfahrensweisen unter Zuhilfenahme eines Epoyklebers erzielt werden. In der Darstellung der Figur ist mit der Bezugszahl 37 eine die Beschleunigungsspannung liefernde Spannungsquelle bezeichnet, mit der Bezugszahl 38 eine Heiζstromquelle für die Linearkatode, mit der Bezugszahl 39 eine Gitterspannungsquelle, die Bezugszahl 40 bezeichnet Teilungswiderstände zum Anlegen geteilter Spannungen an die zylindrischen Elektroden 33 und die Bezugszahl 41 eine Vakuumpumpe.and hermetically sealed and attached. This hermetic Sealing can be done using the usual procedures an epoxy adhesive can be achieved. In the representation of the figure is denoted by the reference numeral 37 an accelerating voltage supplying Designated voltage source, with the reference number 38 a hot current source for the linear cathode, with the reference number 39 a grid voltage source, reference numeral 40 denotes dividing resistors for applying divided voltages to the cylindrical electrodes 33 and 33 reference numeral 41 a vacuum pump.

Erwünschtenfalls kann auch der in figur 7 gezeigte Aufbau Torgesehen sein, wobei in diesem Pail die einzelnen zylindrischen Elektrodenteile 33 und das äußerste zylindrische Teil 34 einendig g If desired, also the structure Torge consider shown in Figure 7 may be, in which the Pail single cylindrical electrode parts 33 and the outermost cylindrical part 34 one end g

ausgebildet und in einem Abstand voneinander angeordnet sind, wie er für die Isolierung im Vakuum erforderlich ist. An den anderen Enden kann in Anwendung der obengenannten Verfahrensweisen eine hermetische Abdichtung bewirkt sein.are formed and arranged at a distance from one another, as is required for insulation in a vacuum. To the other Ends can be hermetically sealed using the above procedures Sealing be effected.

Auch muß die Katode keineswegs Linienform aufweisen, sondern kann auch in Form eines Band Streifens, einer Spule oder in kombinierter Form sowie ferner auch als Kombination von Punktkatoden oder Flächenkatoden ausgebildet sein. Erforderlich ist ledlglioh, daß die Katode zur Aussendung eines flächenhaften Elektronenbündels geeignet ist*Also, the cathode does not have to have a line shape, but can also be in the form of a tape, a coil or a combination Shape and also be designed as a combination of point cathodes or surface cathodes. Required is ledlglioh, that the cathode sends out a sheet-like electron beam suitable is*

Die zylindrischen Elektroden können aber auch in andererThe cylindrical electrodes can also be used in other

Weise befestigt sein. Die hierbei in Anwendung gebrachten Methoden jtiWay to be attached. The methods used here are jti

schränken die Erfindung nloht ein. Der Grundgedanke der Erfindung liegt darin» daß ein Elektronenstrahlgenerator einen mehrstufigen Aufbau des Beschleunigungssyetems mit einer Vielzahl von zylindrischen Elektroden (einschließlich des äußersten zylindrischen Teils) aufweist, die in der Weise konzentrisch oder exzentrisch angeordnet sind, daß sie eine aus einer Linearkatode bestehende Elektronenquelle umspatinen. Die zylindrischen Elektroden können hierbei eine beliebige Querschnittsform haben und können eine übliche zylindrische Form oder eine eckige Form aufweisen.do not limit the invention. The basic idea of the invention lies in the fact that an electron beam generator is a multi-stage Structure of the acceleration system with a variety of cylindrical Electrodes (including the outermost cylindrical part) arranged in such a concentric or eccentric manner are that they umspatinen an electron source consisting of a linear cathode. The cylindrical electrodes can in this case a have any cross-sectional shape and can be a conventional cylindrical Shape or have an angular shape.

Bei einer Aueführungsfora mit einer Linearkatode von 1,2 m Länge und drei zylindrischen Elektroden, bei der das Elektronenbündel 109852/1208 In an execution fora with a linear cathode of 1.2 m length and three cylindrical electrodes, in which the electron beam 109852/1208

del in vier Stufen beschleunigt wird, kann ein Elektronenbündel mit einer Elektronenenergie von 250 keV und ein Elektronenstrom von 30 mA erzeugt werden. Bas Hauptteil hat bei dieser Ausführungsform einen Durchmesser von 300 mm und eine Länge von I900 mm. Im Vergleich zu dem bekannten van-de-Graaff-Beschleuniger mit ähnlicher Leistung bedeutet dies eine Verringerung der Höhenabmessungen auf ein Zehntel. Ba außerdem auch die Abtast- und Fokussiereinrichtungen entfallen können, verringert sich der Herstellungsaufwand entsprechend und es bestehen zahlreiche Anwendungsmöglichkeiten. Elektronenstrahlen von höherer Energie können ohne weiteres erzeugt werden, wenn man die Zahl der zylindrischen Elektroden und die Zahl der Beschleunigungsstufen erhöht. Bie Erfindung kann somit für die Herstellung von Elektronenstrahlgeneratoren praktisch Anwendung finden, die geeignet sind, Elektronenstrahlen mit Elektronenenergien bis zu 500 keV zu erzeugen.del is accelerated in four stages, a bundle of electrons can with an electron energy of 250 keV and an electron current of 30 mA can be generated. Bas main part in this embodiment a diameter of 300 mm and a length of 1900 mm. In comparison to the well-known van-de-Graaff accelerator with similar Performance this means a reduction in height dimensions a tenth. Ba also includes the scanning and focusing devices can be omitted, the manufacturing effort is reduced accordingly and there are numerous possible applications. Electron beams of higher energy can easily be generated by considering the number of cylindrical electrodes and the number of Acceleration levels increased. The invention can thus be used in practice for the manufacture of electron beam generators, which are suitable for generating electron beams with electron energies up to 500 keV.

Claims

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Claims

/ Electron beam generator, characterized by a linear cathode (31) and a plurality of cylindrical ones surrounding the linear cathode (31) Acceleration electrodes (32, 33)

- Electron beam generator according to claim 1, characterized in that

that the cylindrical accelerators seen in a multitude of - Supply electrodes (32, 33) are arranged concentrically.

. Electron beam generator according to Claim 1, characterized in that that the cylindrical acceleration electrodes provided in a plurality (32, 33) are formed at one end.

. Electron beam generator according to Claim 1, characterized in that

that between every two adjacent cylindrical acceleration ™

electrodes (32, 33) bxi the open ends hermetically sealed annular insulating parts (36) are arranged.

. Electron beam generator according to claim 3 »characterized in that that between each two adjacent cylindrical acceleration electrodes (32, 33) a hermetically sealed annular insulating part (36) is arranged at the open end.

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