DE2229825C3 - Method and device for generating a high-energy electron beam - Google Patents
Method and device for generating a high-energy electron beamInfo
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Description
Die Lrfindung betrifft ein Verfahren /ur Lr/eiigiing eines encrgiereichen Elektronenstrahls mit rechteckigem Queischnitt gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs I. Klektronenstrahlen mil derartigem Querschnitt finden insbesondere für die Bestrahlung von verhältnismäßig langen Werkstücken Verwendung.The invention relates to a method / ur / eiigiing of an energetic electron beam with a rectangular Cross section according to the preamble of claim I. Klectron beams with such a cross section are used in particular for the irradiation of relatively long workpieces.
Aus der DE-OS 18 05 848 ist tine Vorrichtung zur Erzeugung eines energiereichen Elektronenstrahls mit rechteckigem Querschnitt, dessen Länge groß ist gegenüber seiner Breite, bekannt geworden, in der eine sich in Längsrichtung des Slrahlqucrscliniiis erstreckende Kathode in einem Gehäuse iuilgchängi ist. das an der Auslriltsseile des Elektronenstrahls von einem sich parallel zur Kathode erstreckenden Sieuergitter abgeschlossen isl. in der der Elektronenstrahl durch eine die Kathode und das Gehäuse umgebende Elektrode, die ein parallel /ur Kathode verlaufendes Beschlcunigungsgiitcr aufweist, geformt wird und in der eine Anode, die ein sich in Längsrichtung des Sirahlquerschnius erstreckendes, parallel zu den beiden Gittern verlaufendes elektronendurchlässiges Fenster enthüll, die die Elektrode umgibt.From DE-OS 18 05 848 is tine device for generating a high-energy electron beam with a rectangular cross-section, the length of which is great compared to its width, has become known in one extends in the longitudinal direction of the cross-beam extending cathode in a housing iuilgchängi is. that at the exit of the electron beam from a sieve grid extending parallel to the cathode completed isl. in which the electron beam passes through one surrounding the cathode and the housing Electrode, which has a parallel / ur cathode accelerating element, is formed and in one anode, the one extending in the longitudinal direction of the Sirahl cross section, parallel to the two Revealing a grating, electron permeable window surrounding the electrode.
Bei dieser Vorrichtung variiert die Elektronenemission an verschiedenen Stellen der langen Kathode wegen der strukturell bedingten, unvermeidlichen Unterschiede an diesen Stellen und wegen der ebenso unvermeidlichen unterschiedlichen Temperaturen an diesen Stellen stark.In this device, the electron emission varies at different points on the long cathode because of the structurally determined, inevitable differences in these places and because of the as well unavoidable different temperatures at these points.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mit einem derartigen Verfahren einen im wesentlichen in Längsrichtung seines Querschnitts gleichmäßigen Strahl von einheitlicher Ladungsdichte zu erzielen.The invention is based on the object of using such a method to produce a substantially longitudinal direction its cross-section to achieve a uniform beam of uniform charge density.
Diese Aufgabe wird erfindungsgcmäß dadurch gclösl, daß das Sieuergitter auf ein negatives Potential gegenüber der Kathode gelegt wird.According to the invention, this task is achieved by that the Sieuergitter is placed on a negative potential with respect to the cathode.
An und für sich hat die Verwendung einer negativen Vorspannung am Sieuergitter einer derartigen Vorrichtung /ur Folge, daß — beding! durch die vergrößerte Raumladung — der Strom der Elektronen verkleinert wird, so daß der Wirkungsgrad der Vorrichtung bei im übrigen gleichen Betriebsbedingungen sogar herabgesetzt wird. Diese Talsache scheint der Verwendung einer negativen Gittervorspannung daher zunächst entgegenzustehen.Eine notwendige Kompensation der Auswirkungen der negativen Vorspannung des .Sieuergiiters durch ein entsprechend größeres positives Potential der nachfolgenden Strecke slclll bei den meisten technischen Anwendungen eine Vergrößerung des Aufwands dar. weil eine höhere Vorspannung gewöhnlich schwieriger zu erhallen ist. Bei einer Vomch-Hing /ur Erzeugung eines energiereiehen Elektronenstrahls gemäß der Anmeldung ist aber eine \ielfach höhere Spannung für die Versorgung der Anode ohnehin erforderlich, so daß demgegenüber eine notwendige Erhöhung der Vorspannung an einem weiteren füller nicht ins Gewicht fällt.In and of itself, the use of a negative bias on the sieve grille of such a device has the consequence that - conditional! Due to the increased space charge, the flow of electrons is reduced, so that the efficiency of the device is even reduced under otherwise identical operating conditions. This matter of fact seems to stand in the way of the use of a negative grid bias. A necessary compensation of the effects of the negative bias of the .Sieuergiiters by a correspondingly larger positive potential of the following path slclll in most technical applications an increase in effort. Because a higher bias is usually more difficult is to be echoed. In a Vomch-Hing / for generating a energiereiehen electron beam according to the application but is a \ ielfach higher voltage fo r the supply of anode required anyway, so that in contrast, a necessary increase in the bias voltage does not fall on a further filler to the weight.
Damit ergibt sich aber eine dem Fortschritt /iigutc-However, this results in a
komnicwJc. nicht unerhebliche Wirkungsgradverbesserung der Vorrichtung durch Fortfall des Güterstroms.komnicwJc. not inconsiderable improvement in efficiency of the device by discontinuing the flow of goods.
der sonst zu Lasten der durch das elekironendurehlässige Fenster hindurchtreienden Slraliliingsmengc ginge.which would otherwise be at the expense of the permissible due to the electrons Slraliliingsmengc passing through the window.
Vorteilhaft isl weiterhin, daß bei einer nach dem erfindungsgcmäßen Verfahren arbeitenden Vorrichtung die geometrischen Verhältnisse und die angelegten Potentiale überraschenderweise so gewählt werden könneu. daß sich die Elekironensirahlung auch in Querrichtung vergleichmäßigt, d. h. wenn beispielsweise durch die Wahl einer räumlich gedrängten Anordnung von Kathode und Steuergitter die Strahlungsdichte — bedingt durch unterschiedliche Weglängen — in der Milte der Kathode wesentlich größer isl als nach den Seiten hin. kann erreicht werden, daß bei Eintritt in ein weiteres Gitter die Elcklronendichlc in Querrichtung nahezu konstant ist.It is also advantageous that in one according to the invention Process working device the geometric relationships and the applied potentials Surprisingly, it can be chosen that way. that the electronsirahlung also in the transverse direction equalized, d. H. if, for example, by choosing a spatially compact arrangement of Cathode and control grid the radiation density - due to different path lengths - in the milte the cathode is much larger than on the sides. can be achieved that when entering a Another grid, the Elcklronendichlc is almost constant in the transverse direction.
Eine günstige Weiterbildung der Erfindung isl im IJnicranspruch angegeben.A favorable development of the invention is given in the claim.
Die Vorrichtung zur Erzeugung eines encrgiereichen Elektronenstrahls mit rechteckigem Querschnitt gemäß der Erfindung wird nachstehend an Hand eines Ausl'üh riingsbcispicls unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert, deren einzige Abbildung eine perspektivische Ansicht des bevorzugten, nach dem erfindimgsgemäßen Verfahren arbeilenden Vorrichtung /cigi. wobei Teile derselben ausgebrochen sind, um Einzelheiten ihres inneren Aufbaus sichtbar werden zu lassen. Gemäß der Zeichnung isl eine längliche Kathode I in Form eines Wolfram- oder anderen. Elektronen emittierenden, linicnförmigcn Drahtes oder indirekt geheizten Streifens od. dgl. vorgesehen, der an einer Kanone oder einem Kanal 3 aufgehängt ist. Dieser isl mit Wa 1 meabschirmwänden 5 versehen, die aus mehrschichtigem Wärmedämm-Material bestehen können. 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 Steuergitter 7 und der Kathode I angelegten Potentials, wie es leicht über Niederspannungsslcticrvcrbindungen durchführbar ist, welche innerhalb des lloclispannungsverbindungsrohrcs 20 entlanglaufen, wobei das Sieuergitter negativ gegenüber der Kathode ist, werden die die verschieden temperierten Teile der Kathode 1 verlassenden Elektronen in der Weise ratimladungsbegrcnzt, daß ein im wesentlichen in Längsrieh-The device for generating an energy-rich electron beam with a rectangular cross-section according to FIG the invention is described below on the basis of an Ausl'üh riingsbcispicls with reference to the drawing explained in more detail, the single figure is a perspective view of the preferred, according to the erfindimgsgemäße Procedure working device / cigi. parts of which have broken out for details to let their inner structure become visible. According to the drawing is an elongated cathode I in Shape of a tungsten or other. Electron-emitting, linear wire or indirectly heated The strip or the like is provided, which is suspended from a cannon or a channel 3. This isl with wall screens 5 provided, which can consist of multilayer thermal insulation material. The channel 3 is at its bottom with a control grid 7 provided, which extends in the longitudinal direction parallel to the cathode 1 and transversely to the walls of the Channel 3 extends. By controlling the potential applied between the control grid 7 and the cathode I, as it is easily done via low voltage links is feasible, which within the lloclispannungsverbindungsrohrcs 20 run along, with the sieve grid being negative compared to the cathode, the parts of the cathode that are at different temperatures 1 leaving electrons in such a way that the charge is limited, that an essentially longitudinal
tung seines Querschnitts gleichmäßiger Strahl von einheitlicher Ladungsdichte über das Gitter 7 emittiert wird, der jedoch zunächst eine ungleichmäßige Ladungsdichteverteilung 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 Dieser Strahl wird durch eine ihn vorzugsweise koaxial umgebende elektrostatische Abschirmung oder einen !-"araday-Käfig 11 geformt, der die Kathode I im wesentlichen axial enthält und ein weiteres Culler IJ aufweist, das parallel zu der Kathode I und dem -Steuergitlcr 7 verläuft. Der Käfig 11 wird von einem aus dielektrischem Werkstoff bestehenden Teil gelra gen. wie z.H. der Vakuum-Aiischluß-Buchse. Hei Anlegung eines geeigneten positiven Potentials an 11 ge genüber dem Stcucrgitter 7 wird die ungleichmäßige l.adungsdiehte in Querrichtung in einen im wesentlichen gleichmäßigen Elektronenstrahl umgewandelt. Hin Anodenzylinder 15 umgibt koaxial den Käüg II. Das ganze System ist bei 2 vakuumdicht abgeschlossen. Der Anodcnzylinder 15 enthält ein sich in Längsrichtung erstreckendes elektronendurehlässiges Fenster 17, ζ. 13. aus Aluminium, das parallel zu den Gütern 7 und . 13 verläuft. Die Anodeneinheil 15 bis 17 wird auf einem ßeschlcunigungspolcntial gegenüber dem Käfig 11 gehalten, jedoch zwecks Vermeidung von elektrischen Schlagunfällen geerdet. Die radialen Spannungsgradienicn oder Feldlinien, die so zwischen den Zylindern 11 und 15 (oder anderen etwa benutzten geometrischen lormen) erzeugt werden, lassen den Elektronenstrahl 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 Elektronenstrahl in der Weise verbreitert wird, daß er durch das Fenster 17 glcichmä-I3iir und «leichzeitig alle Teile entsprechender länglicher oder sich η einer Richtung erstreckender, zu behandelnder Werkstücke (nicht dargestellt) bestrahlt, die an dem fenster 17 durch ein Förderband 19 oüer eine andere Fördervorrichtung in der Pfeilriehtuiig vorbcibewegl werden. Mit dieser Anordnung, bei der die l.ängsabniessung des Elekiroiiensirahls sehr groß im Vergleich zu der Hn'ferniing zwischen Kathode und Fenster ist. wird bei Aufbringung geeigneter Po lenliale, wie noch erläutert werden wird, die gleichmäßige Stromdichte des ausgedehnten Strahls aus euergiereichen Elektronen an dem Fenster 17 im wesentlichen durch die Elektronen-Verteilung an dem weiteren Cutter 13. das der Strahlformung dient, bestimmt und Lt weitgehend unabhängig von dem Besehleiinigungspoieniial. dessen starkes Feld lediglich zum Ausdehnen und Beschleunigen des Elektronenstrahls dient.direction of its cross-section uniform beam of uniform charge density is emitted over the grid 7, which, however, initially has an uneven charge density distribution in the transverse direction, in which there is a greater density under the cathode 1 than across it on its sides near the walls 5 of the channel 3 This beam is formed by an electrostatic shielding preferably coaxially surrounding it or a! - "araday cage 11 which contains the cathode I essentially axially and has a further Culler IJ which runs parallel to the cathode I and the control panel 7. The cage 11 is supported by a part made of dielectric material, such as the vacuum connection socket. When a suitable positive potential is applied to 11 opposite to the wire grid 7, the uneven charge wire is converted in the transverse direction into an essentially uniform electron beam. Hin anode cylinder 15 coaxially surrounds the Käüg II. The whole system i st at 2 vacuum-tight. The anode cylinder 15 contains an electron-permeable window 17, ζ extending in the longitudinal direction. 13. made of aluminum, which is parallel to goods 7 and. 13 runs. The anode unit 15 to 17 is held on a ßschlcunigungspolcntial opposite the cage 11, but grounded to avoid electrical shock accidents. The radial stress gradients or field lines that are generated between the cylinders 11 and 15 (or other possibly used geometrical norms) allow the electron beam at the further grid 13 between the gap or the space between the cage 11 and the cylinder 15 along the radially extending lines of force by widening the electron beam in such a way that it irradiates through the window 17 at the same time all parts of corresponding elongated workpieces to be treated (not shown) which are to be treated and which extend in one direction window 17 by a conveyor belt 19 or another conveyor device in the Pfeilriehtuiig vorbcibewegl. With this arrangement, in which the longitudinal dimensioning of the Elekiroiiensirahls is very large compared to the distance between cathode and window. If suitable Po lenliale is applied, as will be explained below, the uniform current density of the extended beam of euergiereich electrons at the window 17 is essentially determined by the electron distribution on the further cutter 13, which is used for beam shaping, and Lt largely independent of the disposal pool. whose strong field only serves to expand and accelerate the electron beam.
Hei einem praktisch ausgeführten Gerät dieser An lassen sich Elektronenstrahlen von energiereichen Elektronen von gleichmäßiger Stromdichte zwischen 200 und 2000iiA/em-' erhalten, wobei ein Steuergitler-Kathoden-Polential von etwa — 20 V, ein Potential am weiteren Gitter von etwa -t- 300 bis 1000 V und ein Heschleunigungspoiential zwischen der geerdeten Anode 15 und dem Fenster 17 (etwa 203 mm im Durchmesser) von etwa 15OkV verwendet wurden. Mi! einer 152IHiIi 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 Sleuergütcr 7. einem 152 mm langen, etwa 13 111111 breiten weiteren Gitter 13. einem 152 mm langen, breiteren Fenster 17 (etwa 25 mm breit) z.ur Aufnahme des ausgedehnten Elektronenstrahls wurde erreicht, daß die Änderungen der Ladungsdichte über eine 152 mm betragende Strahlbrcile weniger als ± 10% ausmachen.In a practically executed device of this type, electron beams can be energetic Electrons of uniform current density between 200 and 2000iiA / em- 'are obtained, with a Steuergitler cathode polarity of about - 20 V, a potential at the further grid of about -t- 300 to 1000 V and a Acceleration potential between the grounded anode 15 and the window 17 (about 203 mm in diameter) of about 150kV were used. Wed! one 152IHiIi long tungsten wire cathode 1. the very long compared to its thickness of about 0.25 mm. one 152 mm long, about 6 mm wide Sleuergütcr 7. a 152 mm long, about 13 111111 wide another grid 13. a 152 mm long, wider one Window 17 (about 25 mm wide) for receiving the extended electron beam was achieved that the Changes in charge density over an amount of 152 mm Make the beam angle less than ± 10%.
Hieii.u 1 Blatt ZeichnungenHieii.u 1 sheet of drawings
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| GB1356861A (en) | 1974-06-19 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C3 | Grant after two publication steps (3rd publication) | ||
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