DE2229825A1 - Apparatus and method for producing a curtain of high-energy electrons - Google Patents
Apparatus and method for producing a curtain of high-energy electronsInfo
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Description
Energy Sciences Inc.
Burlington, Mass. (Ver.St.A.)Energy Sciences Inc.
Burlington, Mass. (Ver.St.A.)
Vorrichtung und Verfahren zur Erzeugung eines Vorhangs aus energiereichen ElektronenApparatus and method for producing a curtain of high-energy electrons
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Erzeugung eines Vorhangs aus energiereichen Elektronen, insbesondere für die Bestrahlung von verhältnismäßig langen Werkstücken.The invention relates to a device and a method for generating a curtain of high-energy electrons, especially for the irradiation of relatively long workpieces.
Zur Ermöglichung der Elektronen-Bestrahlung von Gegenständen erheblicher Abmessungen hat man seine Zuflucht zum Abtasten längs dieser Abmessungen mittels eines fokussierten Strahls genommen, wie z.B. in der Firmenschrift der High Voltage Engineering Corporation 5/69 "The Industrial Electron Processing System" beschrieben. Solche Techniken erfordern nicht nur Abtast- oder Ablenkgeräte und Speisestromkreise für diese, sondern auch Kollimations- oder Fokussiergeräte zur Erzeugung eines abgegrenzten Strahls, der zum Abtasten benutzt werden kann. Ferner werden, obwohl das Abtasten schnell erfolgen kann, nicht alle Teile des Werkstücks tatsächlich gleichzeitig bestrahlt, und es werden wegen der verschiedenen Bahnlängen des Strahls Unterschiede der Elektro-In order to enable the electron irradiation of objects of considerable dimensions, one has recourse to scanning taken along these dimensions by means of a focused beam, as e.g. in the company pamphlet of High Voltage Engineering Corporation 5/69 "The Industrial Electron Processing System". Such techniques require not only scanning or deflection devices and supply circuits for these, but also collimation or focusing devices to create a delimited beam that can be used for scanning. Furthermore, although scanning can be done quickly, not all parts of the workpiece actually irradiated simultaneously, and because of the different path lengths of the beam, differences in the electrical
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nendichte an unterschiedlichen Stellen der Abtastung bedingt. Es wurde demgemäß auch vorgeschlagen, einen Streifen oder eine Linie von Elektronen zu erzeugen, um Gleichzeitigkeit der Bestrahlung zu ermöglichen, wie z.B. aus der US-PS 2 887 599 ersichtlich. Jedoch haben sich diese Vorschläge nicht als praktikabel erwiesen, da dabei die Elektronenemission an verschiedenen Stellen der langen Kathode wegen der strukturell bedingten, unvermeidlichen Unterschiede an diesen Stellen, wegen der ebenso unvermeidlichen unterschiedlichen Temperaturen an diesen Stellen und wegen der starken Unterschiede der Stromdichte längs der Elektronenlinie stark variiert.conditional density at different points of the scan. It has accordingly also been proposed to use a strip or to create a line of electrons to allow simultaneity of irradiation, such as in U.S. Patent 2 887 599 can be seen. However, these proposals have not proven to be practical because of the electron emission at different points of the long cathode because of the structurally determined, inevitable differences these places, because of the inevitable different temperatures at these places and because of the strong ones Differences in current density along the electron line vary greatly.
Der Erfindung liegt demgemäß die Aufgabe zugrunde, einen sich in einer Längsrichtung erstreckenden Vorhang aus energiereichen Elektronen vorzusehen, der eine im wesentlichen gleichmäßige Dichte aufweist und den vorerwähnten Nachteilen nicht unterliegt.The invention is accordingly based on the object of providing a curtain that extends in a longitudinal direction from high-energy To provide electrons, which has a substantially uniform density and the aforementioned disadvantages not subject.
Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, auch eine neue Vorrichtung und ein neues Verfahren für die Erzeugung energiereicher Elektronen von allgemeinerer Verwendbarkeit anzugeben.Another object of the invention is to also provide a new apparatus and process for the generation of energetic electrons of more general utility to specify.
Weitere Merkmale der Erfindung werden nachstehend erläutert und sind Gegenstand der Ansprüche. Zusammengefaßt dient die Erfindung in einem ihrer weiten Aspekte der Formung einer raumladungsbegrenzten Linie von Elektronen zu einem Vorhang von im wesentlichen einheitlicher Elektronendichte, der Beschleunigung desselben längs den Vorhang ausbreitender Feldlinien und des anschließenden Hindurchführens des ausgebreiteten Vorhangs durch ein sich in einer Längsrichtung erstreckendes Fenster für Bestrahlungszwecke u. dgl.Further features of the invention are explained below and are the subject of the claims. In summary, the invention in one of its broad aspects serves to form a space-charge-limited line of electrons to a curtain of essentially uniform electron density, the acceleration the same along the curtain spreading field lines and the subsequent passing through of the spread Curtain through a window extending in a longitudinal direction for irradiation purposes and the like.
Die Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnung erläutert, deren einzige Abbildung eine perspektivischeThe invention is explained below with reference to the drawing, the only figure of which is a perspective
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Ansicht einer bevorzugten, nach dem erfindungsgemäßen Verfahren arbeitenden Vorrichtung zeigt, von der Teile, fortgebrochen sind, um Einzelheiten ihres Aufbaus zu veranschaulichen. Figure 3 shows a view of a preferred apparatus operating in accordance with the method of the invention, parts of which are broken away to illustrate details of its construction.
Gemäß der Zeichnung ist eine längliche Kathode 1 in Form eines Wolfram- oder anderen, Elektronen emittierenden, Iinienförmigen Drahtes oder indirekt geheizten Streifens o. dgl. vorgesehen, der an einer Kanone oder einem Kanal 3 aufgehängt ist. Dieser ist mit Wärmeabschirmwänden 5 versehen, wie sie, z.B. aus mehrschichtigem Wärmedämm-Material bestehend, von der Fa. Thermoelectron Corporation in WaI-tham, Mass. (Ver. St. A.), hergestellt und in deren Druckschrift vom Jahre 1970 "Multi-Foil Thermal Insulation" beschrieben werden. Der Kanal 3 ist an seinem Boden mit einem Steuergitter 7 versehen, das sich in Längsrichtung parallel zu der Kathode 1 und quer zu den Wänden des Kanals 3 erstreckt. Durch Steuerung des zwischen dem Steuer-Gitter 7 und der Kathode 1 angelegten Potentials, die leicht über Niederspannungssteuerverbindungen erreichbar ist, welche innerhalb des Hochspannungsverbindungs-Rohrs 20 entlanglaufen, und so geführt wird, daß das Steuer-Gitter negativ gegenüber der Kathode ist, werden die die verschieden temperierten Teile der Kathode 1 verlassenden Elektronen in der Weise raumladungsbegrenzt, daß ein im wesentlichen in Längsrichtung gleichmäßiger Strahl von einheitlicher Ladungsdichte über das Gitter 7 emittiert wird, der jedoch gewöhnlich eine nicht-gleichmäßige Ladungsdichte-Verteilung in Querrichtung aufweist, in der eine größere Dichte unter der Kathode 1 als quer dazu an ihren Seiten nahe den Wänden 5 des Kanals 3 besteht.According to the drawing, an elongated cathode 1 is in the form of a tungsten or other, electron-emitting, linear one Wire or indirectly heated strip or the like. Provided that on a cannon or a channel 3 is hung. This is provided with heat shielding walls 5, such as those made of multilayer heat insulating material consisting of Thermoelectron Corporation in WaI-tham, Mass. (Ver. St. A.), and described in their 1970 publication "Multi-Foil Thermal Insulation" will. The channel 3 is provided at its bottom with a control grid 7 which is parallel in the longitudinal direction to the cathode 1 and across the walls of the channel 3. By controlling the between the control grid 7 and the cathode 1, which is easily accessible via low voltage control connections, which run along within the high-voltage connection pipe 20, and is guided so that the control grid negative opposite is the cathode, the electrons leaving the different temperature parts of the cathode 1 are in the Space charge limited in a manner that is essentially a longitudinally uniform beam of uniform charge density is emitted via the grid 7, which, however, usually has a non-uniform charge density distribution in Has a transverse direction in which a greater density under the cathode 1 than transversely thereto on its sides near the walls 5 of channel 3 exists.
Dieser Strahl wird durch eine ihn vorzugsweise koaxial umgebende elektrostatische Abschirmung oder einen Faraday-This beam is surrounded by electrostatic shielding, preferably coaxially surrounding it, or by a Faraday
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Käfig 11 geformt, der die Kathode 1 im wesentlichen axial enthält und ein weiteres Gitter 13 aufweist, das parallel zu der Kathode 1 und dem Steuer-Gitter 7 verläuft. Der Käfig 11 wird von einem aus dielektrischem Werkstoff bestehenden Teil getragen, wie z.B. der Vakuum-Anschluß-Buchse. Bei Anlegung eines geeigneten positiven Potentials an 11 gegenüber dem Steuer-Gitter 7 wird die nicht-gleichmäßige Ladungsdichte in Querrichtung in einen im wesentlichen gleichmäßigen Elektronen-Vorhang umgewandelt. Ein Anoden-Zylinder 15 umgibt koaxial den Käfig 11. Das ganze System ist bei 2 vakuumdicht abgeschlossen. Der Anoden-*Zylinder 15 enthält ein sich in Längsrichtung erstreckendes elektronendurchlässiges Fenster 17, z.B. aus Aluminium, das parallel zu den Gittern und 13 verläuft. Die Anoden-Einheit 15-17 wird auf einem Beschleunigungspotential gegenüber dem Käfig 11 gehalten, jedoch zwecks Vermeidung von elektrischen Schlag-Unfällen geerdet. Die radialen Spannungsgradienten- oder Feld-Linien, die so zwischen den Zylindern 11 und 15 (oder anderen etwa benutzten geometrischen Formen) erzeugt werden, lassen den Elektronen-Vorhang an dem weiteren Gitter 13 sich zwischen der Lücke oder dem Raum zwischen dem Käfig 11 und dem Zylinder 15 längs der radial verlaufenden Kraftlinien ausdehnen, indem so der Elektronen-Vorhang in der Weise verbreitert wird, daß er durch das Fenster 17 gleichmäßig und gleichzeitig alle Teile entsprechender länglicher oder sich in einer Richtung erstreckender, zu behandelnder Werkstücke (nicht * dargestellt) bestrahlt, die an dem Fenster 17 durch ein Förderband 19 oder eine andere Fördervorrichtung in der Pfeilrichtung vorbeibewegt, werden. Mit dieser Anordnung, bei der die Längsabmessung des Elektronen-Vorhangs sehr groß im Vergleich zu der Entfernung zwischen Kathode und Fenster ist, wird bei Aufbringung geeigneter Potentiale, wie noch erläutert werden wird, die gleichmäßige Stromdichte des ausgedehn-Shaped cage 11 of the cathode 1 substantially axially and has a further grid 13 which runs parallel to the cathode 1 and the control grid 7. The cage 11 is carried by a part made of dielectric material, such as the vacuum connection socket. at Applying a suitable positive potential to 11 across from the control grid 7 will result in the non-uniform charge density converted in the transverse direction into a substantially uniform curtain of electrons. An anode cylinder 15 surrounds the cage 11 coaxially. The entire system is vacuum-tight at 2. The anode * cylinder 15 contains a longitudinally extending electron-permeable window 17, e.g. made of aluminum, which is parallel to the grids and 13 runs. The anode unit 15-17 is on a Acceleration potential compared to the cage 11 held, but in order to avoid electric shock accidents grounded. The radial stress gradient or field lines that are so between the cylinders 11 and 15 (or other approximately used geometric shapes) are generated, the electron curtain on the further grid 13 can be between expand the gap or space between the cage 11 and the cylinder 15 along the radial lines of force, in that the electron curtain is widened in such a way that it passes through the window 17 uniformly and simultaneously all parts of corresponding elongated or unidirectional workpieces to be treated (not * shown) irradiated at the window 17 by a conveyor belt 19 or other conveyor device in the direction of the arrow be moved past. With this arrangement in which the longitudinal dimension of the electron curtain is very large in comparison to the distance between cathode and window is, when applying suitable potentials, as will be explained below the uniform current density of the expanded
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ten Vorhangs aus energiereichen Elektronen an dem Fenster 17 im wesentlichen durch die Elektronen-Verteilung an dem Strahlformungs-Gitter 13 bestimmt und ist im wesentlichen unabhängig von dem Beschleunigungspotential, dessen breites Feld lediglich zum Ausdehnen und Beschleunigen des Elektronen-Vorhangs dient.th curtain of high-energy electrons on the window 17 essentially by the electron distribution on the Beam shaping grating 13 is determined and is essentially regardless of the acceleration potential, its broad field is only used to expand and accelerate the electron curtain serves.
Als Beispiel für ein praktisch ausgeführtes Gerät dieser Art lassen sich Vorhänge von energiereichen Elektronen von gleichmäßiger Stromdichte von 200 bis 2 000 /U A/cm2 erhalten bei einem Steuergitter-Kathoden-Potential von etwa - 20 V, einem Strahlformungs-Gitter-Potential von etwa + 300 bis 1 000 V und einem Beschleunigungspotential zwischen der geerdeten Anode 15 und dem Fenster 17 (etwa 203 mm im Durchmesser) von etwa1 150 kV. Mit einer 152 mm langen Wolfram-Draht-Kathode 1, die sehr lang im Vergleich zu ihrer etwa 0,25 mm betragenden Dicke 'ist, einem 152 mm langen, etwa 6 mm breiten Steuergitter 7» einem 152 mm langen, etwa 13 mm breiten Strahlformungs-Gitter 13, einem 152 mm langen, breiteren Fenster 17 (etwa 25 mm breit) zur Aufnahme des ausgedehnten Vorhangs wurde eine Ladungsdichten-Gleichförmigkeit von - 10% und besser über eine 152 mm betragende Strahlbreite erhalten.As an example of a practically implemented device of this type, curtains of high-energy electrons with a uniform current density of 200 to 2,000 / UA / cm 2 can be obtained with a control grid cathode potential of about -20 V and a beam-shaping grid potential of about + 300 to 1,000 V and an acceleration potential between the grounded anode 15 and the window 17 (about 203 mm in diameter) of about 1 150 kV. With a 152 mm long tungsten wire cathode 1, which is very long compared to its approximately 0.25 mm thickness, a 152 mm long, approximately 6 mm wide control grid 7 »a 152 mm long, approximately 13 mm wide beam forming grid 13, a 152 mm long, wider window 17 (about 25 mm wide) for receiving the extended curtain has a charge density uniformity of - 10% and more over a 152 mm draw beam width.
Patentansprüche - 6 - Claims - 6 -
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