DE2228294A1

DE2228294A1 - Vakuumröhre zur Erzeugung-eines breiten Elektronenstrahls

Info

Publication number: DE2228294A1
Application number: DE19722228294
Authority: DE
Inventors: Hubert Saint Cloud Leboutet (Frankreich)
Original assignee: Thomson CSF SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 1971-06-09
Filing date: 1972-06-09
Publication date: 1972-12-14
Also published as: JPS4829367A; US3780334A; FR2140840A5; NL7207708A

Description

Vakuumröhre zur Erzeugung eines breiten Elektronenstrahls

Auf dem Gebiet der Radiochemie und insbesondere bei der Behandlung von Anstrichen, dünnen Polyäthylenfilmen oder von expandiertem Polyäthylen ist es oft notwendig, daß man über Elelitronenstrahlen mit großem Strahl st rom verfügt, die über eine große Breite homogen sind.

Die Beschleunigungsenergie der Elektronen hat zwar bei· dieser Anwendungsart keine kritische Bedeutung, da die Dicke des zu behandelnden Materials klein iat, doch muß auf jeden Fall eine ausreichende Energie vorhanden sein, damit die Elektronen aus dem Fenster des Vakuumkolbens austreten können, in dem sie erzeugt werden; sie müssen also eine Materialstärke von einigen Zehntel Millimetern und eine dünne Gasschicht durchqueren können.

Bekanntlich beträgt die Eindringtiefe eines Elektronenstrahls

65 mg/cm² bei 300 kV, 103 mg/cm² bei 400 kV, 140 mg/cm² bei 500 kV

Lei/Ba

INSPECTED

Im Hinblick auf die Dicke des Fensters und die Gaaschicht zwischen dem Fenster und dem zu bestrahlenden Gegenstand ist es erwünscht, daß die Beschleunigung der Teilchen wenigstens 400 kV beträgt, wenn sie das Ziel mit einer geeigneten Energie erreichen sollen.

Das Ziel der Erfindung ist die Schaffung einer Vakuumröhre zur Erzeugung eines breiten Elektronenstrahls, der diese Bedingungen erfüllt und eine vollkommene Lösung des zuvor angegebenen Problems ergibt.

Nach der Erfindung ist eine Vakuumröhre zur Erzeugung eines breiten Elektronenstrahls mit einem dichten Kolben, in dem wenigstens eine einen Elektronenstrahl emittierende Katode von sehr langgestreckter Form sowie Einrichtungen zur Fokussierung und Beschleunigung der Elektronen untergebracht sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Fokussierungseinrichtung eine Steuerelektrode für die Steuerung der Form und Homogenität des Elektronenstrahls aufweist, daß die Steuerelektrode mehrere Metallteile enthält, die voneinander elektrisch isoliert entlang der Katode angeordnet sind, daß die Metallteile mit getrennten Span nungs quellen verbunden sind, und daß der Kolben ein Fenster von sehr langgestreckter Form aufweist, das für die Elektronen durchlässig ist.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt. Darin zeigen:

Fig.1 einen Längsschnitt durch eine Vakuumröhre nach der Erfindung,

Fig.2 einen Querschnitt durch die Röhre von Fig.1,

Fig. 3 ein System zur Befestigung der draht form ige η Katode,

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Pig.4 eine lange Katode, die mit ihrer Vorrichtung zur Fokussierung und zur Steuerung der Homogenität des Elektronenstrahls ausgestattet ist,

Pig.5 eine Detailansicht der Steuerelektroden und

Pig.6 eine Schnittansicht des Fensters des Vakuumkolbens der Elektronenröhre nach der Erfindung.

Pig.1 zeigt einen Yakuumkolben 1 von zylindrischer Porm, der eine Katode enthält, die aus zwei VJoIf ram drähte η . 2 und 3 gebildet ist (wobei in Pig.1 nur der Draht 2 sichtbar ist).

Die beiden Drähte 2 und 3 sind nebeneinander parallel zur Achse der ftöhre angeordnet und einerseits an dem Fuß 4 des Kolbens 1 befestigt, durch den sie hindurchgeheη(wobei ein Isoliermaterial 5 jeden Draht elektrisch von dem Puß 4 isoliert, der bei dem gewählten Beispiel aus Metall besteht) und auf der anderen Seite an einem Bügel 7 aus einem Isoliermaterial, der um eine Achse 8 beweglich ist. Eine Zugfeder 9, die an einem Ende 10 des Bügels 7 und andrerseits an einem fest mit einer Elektrode 12 verbundenen Stäbchen 11 befestigt ist, ermöglicht es, die drahtförmigen Katoden 2 und 3 in der erforderlichen Weise zu spannen (siehe Pig.1 und 3)*

Rings um diese drahtförmige Doppelkatode sind Elektroden 12, 13, 14 zylindrischer Porm konzentrisch zueinander und voneinander isoliert angeordnet. Die Elektroden 13 und 14 sind Beschleunigungselektroden, während die Elektrode 12. die Steuerung der Form und der Homogenität des Elektronenstrahls ermöglicht. Diese Steuerelektrode 12 enthält, wie in Pig.4 zu erkennen ist, eine Reihe von im wesentlichen zylindrischen, koaxialen Hülsen 15, 16, 17 und 18, die entlang eina? Mantel-

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linie längs der Katode einen Schlitz m aufweisen, der den Durchgang des Elektronenstrahls ermöglicht. An jede dieser Hülsen wird über einen Anschlu.fi 19, 20, 21 bzw. 22 eine Spannung angelegt. Diese Spannungen sind getrennt einstellbar, wodurch eine genaue Steuerung der Fokussierung und der Homogenität des Elektronenstrahls möglich ist. -

Die Hülsen 15» 16, 17 und 18 sind im allgemeinen in Bezug auf die Katode negativ vorgespannt und geben daher nur einen sehr kleinen Strom ab. Die Besdieunigungselektroden und 14 weisen gleichfalls einen Schlitz vor den drahtförmigen Katoden 2 und 3 für den Durchgang des Elektronenstrahls auf. Diese Anoden sind über Anschlüsse 23 bzw. 24 mit den positiven Polen von zwei getrennt einstellbaren Spannungsquellen verbund en(Fig. 1).

Bei einem möglichen Ausführungsbeispiel enthält ein solcher Elektronenstrahlgenerator eine Katode, die aus zwei parallelen Wolframdrähten von 50 cm Länge gebildet ist, wobei diese Katode im Sättigungsbereich arbeitet (diese Sättigung beruht auf der Raumladung), so daß die Emissions-Inhomogenitäten der Katode verwischt sind; die Steuerelektrode 12 besteht aus vier Hülsen von jeweils 8 cm Länge, die voneinander durch einen Ring von 5 mm Breite aus Isoliermaterial getrennt sind; diese Struktur ermöglicht eine Feinkorrektur, die eine Spannung erfordert, die zwischen 1$ und 2°/o der Gesamtspannung, also zwischen 4kV und 8kV liegt. Die vier Steuerspannungen, die jeweils an eine der Hülsen 15, 16, 17, 18 angelegt werden, sind voneinander isoliert und können von der gleichen Hochspannungsquelle mit Transformatorkaskaden mit einer einzigen Primärwicklung erhalten werden.

Zur Bildung einer Vakuumröhre dieser Art, deren Struktur zugleich einfach und robust ist und einen kontinuierlichen

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Betrieb für mehrere 100 Stunden ermöglicht, kann es erwünscht sein, die Technik der an der Pumpe mit Titan verschlossenen Röhren anzuwenden, da Argon-Licht böge η schweissungen erforderlichenfalls ein leichtes Öffnen der Vakuumröhre ermöglichen. Das Fenster erfordert bei dieser Ausführungsform eine besondere Sorgfalt.

Das Fenster kann eine sehr dünne rechteckige Lamelle mit folgender Dicke sein:

0,1 ,mm, wenn es aus Aluminium besteht,

0,05 mm, wenn es aus rostfreiem Stahl besteht,

0,05 mm, wenn es aus Titan besteht,

0,1 mm, wenn es aus Berylliumoxid besteht.

Die Länge des Fensters kann zwischen 0,50 bis 1 m betragen, und seine Breite in der Nähe von 3 cm liegen (da der Elektronenstrahl an dieser Stelle eine Breite von etwa 2 cm hat). Dieses Fenster muß aber eine Verlustleistung von etwa 20 bis

40 YI/cm abführen
dichte darstellt.

40 W/cm abführen können, was eine beträchtliche Leistungs-

Es ist auch zu bemerken, daß derartige Fenster schwieriger herzustellen sind, als die Fenster von Linearbeschleunigern, bei denen die Leistungsdichte, die übrigens am Fenster noch" höher sein kann, durch einen zylindrischen Elektronenstrahl von kleinem Durchmesser geliefert wird, so daß es möglich ist, daß die Wärme über den ganzen Umfang der Platte übertragen wird, während bei der hier beschriebenen Röhre das Fenster lang ist und daher die Wärme nur an zwei Seiten wirksam überträgt.

Bei einem solchen ausschließlich durch Wärmeleitung gekühlten Fenster ist es nicht möglich, eine Stromdichte von 50 iiA/cra zu überschreiten.

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Wenn man eine Luftströmung anwendet, ist zu befürchten, daß das Material des Fensters chemisch angegriffen wird. Deshalb wird bei der hier beschriebenen Röhre vorzugsweise ein Fenster der in Fig.6 gezeigten Art verwendet, das durch ein in einem Zwangsumlauf gehaltenes inertes Gas gekühlt wird, das Stickstoff oder gereinigtes Argon sein kann.

Dieses Fenster ist durch eine erste dünne Lamelle 25 aus Titan mit einer Dicke von beispielsweise 0,03 mm gebildet, die für Elektronen durchlässig ist und etwa 50 cm lang und' 3 cm breit ist. Die erste Lamelle 25 ist durch Elektronenbeschuß an einem Kupfer träger 26 angeschweißt, der seinerseits durch Hartlöten mit einem Rahmen 27 aus rostfreiem Stahl verbunden ist. Dieser Rahmen 27 ist seinerseits an einem Metallblock 29 von rechteckiger Form durch eine Argon-Lichtbogenschweißnaht 28 befestigt, wobei die· Abmessungen dieses Metallblocks größer als diejenigen des Fensters sind. Der Metallblock 29 ist an dem Vakuumkolben 1 mittels einerHart-lötung 30 verbunden. Durch einen in den Metallblock 29 eingearbeiteten Einschnitt 31 ist es möglich, daß die Fensteranordnung die Deformationen aufnehmen kann, die durch die Druckdifferenzen auf seinen beiden Seiten verursacht werden.

Vor der ersten Lamelle 25 ist eine zweite, für Elektronen durchlässige Lamelle 32 angeordnet. Diese zweite Lamelle besteht aus Aluminium mit einer Dicke von 10 bis 20 um, Sie ist zwischen zwei Metallteilen 33 und 34 (beispielsweise aus rostfreiem Stahl) angeordnet und wird zwischen diesen beiden Teilen mit Hilfe einer Reihe von Schrauben dicht festgehalten. Das Metallteil 34 ist seinerseits an dem Metallblock 29 mit Hilfe von Schrauben 36 befestigt. Ein

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in der Zeichnung nicht dargestelltes Kühlsystem ermöglicht den Umlauf eines inerten und gereinigten Kühlgases, (beispielsweise Stickstoff oder Argon) in dem Zwischenraum s zwischen der ersten Lamelle 25 und der zweiten Lamelle 32.

Der durch äas Fenster erzielte dichte Verschluß ist rob'ust und erlaubt ein häufiges Öffnen,

Die erste Lamelle 25 aus Titan kann natürlich auch durch ein Fenster aus Berylliumoxid ersetzt werden; dieses Material ist für seine ausgezeichnete Wärmeleitfähigkeit bekannt. Es ist jedoch schwierig, ein Fenster mit großen Abmessungen aus diesem Material herzustellen. '

Patentansprüche

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Claims

Patentansprüche

f 1.) Vakuumröhre zur Erzeugung eines breiten Elektronenstrahls mit einem dichtenKolben, in dem wenigstens eine einen Elektronenstrahl emittierende Katode von sehr langgestreckter Form sowie Einrichtungen zur Fokussierung und Beschleunigung der Elektronen untergebracht sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Fokussierungseinrichtung eine Steuerelektrode (12) für die Steuerung der Form und Homogenität des Elektronenstrahls aufweist, daß die Steuerelektrode (12) mehrere Metallteile (15, 16, 17, 18) enthält die voneinander elektrisch isoliert, entlang der Katode C2) angeordnet sind, daß die Metallteile mit getrennten Spannungsquellen verbunden sind, und daß der Kolben (1) ein Fenster von sehr langgestreckter Form aufweist, das für die Elektroden durchlässig ist.

2» Vakuumröhre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zu den Metallteilen der Steuerelektrode (12) mehrere koaxiale Hülsen(i5, 16, 17, 18) gehören, die im wesentlichen zylindrisch sind und einen Schlitz (m) entlang einer Mantellinie aufweisen, daß die Hülsen (15, 16, 17, 18) hintereinander angeordnet und voneinander durch im wesentlichen zylindrische koaxiale Ringe (r) isoliert sind, die einen Schlitz (n) entlang einer Mantellinie aufweisen, und daß die Schlitze (m, n) der HüLsen (15, 16, 17, 18) und der Ringe (r) in einer Linie liegen.

3. Vakuumröhre nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das für die Elektronen durchlässige Feneter zwei dünne Lamellen (25, 32) aufweist, die voneinander durch einen Zwischenraum (s) getrennt und an einem Metallblock (29) befestigt sind, der seinerseits an dem Kolben (1) befestigt ist, unö daß Einrichtungen vorgesehen sind, welche ein chemisch neutrales Gas in dem Zwischenraum (s) in Umlauf halten.

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4. Vakuumröhre nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die erstelamelle (25) aus Titan besteht.

5. Vakuumröhre nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Lamelle (25) aus BerylIiumoxid besteht.

6. Vakuumröhre nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite lamelle (32) aus Aluminium besteht.

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