DE2254904A1

DE2254904A1 - Elektrodenentladungsvorrichtung

Info

Publication number: DE2254904A1
Application number: DE2254904A
Authority: DE
Inventors: Diarmaid Hugh Douglashamilton; Evan Robert Pugh
Original assignee: Avco Corp
Current assignee: Avco Corp
Priority date: 1971-12-23
Filing date: 1972-11-09
Publication date: 1973-06-28
Also published as: SE382359B; FR2164588B1; US3749967A; GB1416439A; CA975473A; IT973695B; IL40647A0; CH560970A5; IL40647A; FR2164588A1; JPS5720665B2; JPS4868997A; DE2254904C2

Description

22 920

Ανσο Corporation, Greenwich, Conn./ USA Elektronenentladungsvorrichtung

Die Erfindung bezieht sich auf eine Elektronenentladungsvor- ■ richtung zum Bestrahlen eines äußeren Bereichs mit einem Elektronenstrahl. .

Die Verwendung von ionisierender Energie in d'er Form von hochenergetischen Elektronen findet Anwendung in einer Vielzahl von Vorrichtungen und Verfahren einschließlich der Strahlungschemie,

309 8 26/07 33

-2 - ' ;■■■■.■ ^:· ■■" ■■.- '

225Α904

Sterilisation, Konservierung und Stützung einer elektrischen Entladung in einem Gas. Die Entwicklung von mit Strahlung behandelbaren Überzugsmischungen wie Farben und Lacken hat Portschritte in der Überzugstechnik möglich gemacht, welche außer qualitativen Vorteilen zu den Vorteilen weitgehend verringerter Behandlungszeiten und wesentlicher Verringerungen im Platzbedarf für die Behandlungsausrüstung geführt haben. Der Grad \ bis zu welchem eine durch Elektronen eingeleitete Polymerisation übliche Einbrenn- und andere Behandlungsverfahren ersetzt, hängt jedoch von der Verfügbarkeit einer ElektronenemissionsausrUstung ab, welche eine Ausnützung mit hohem Wirkungsgrad der Energie ermöglicht, die zum Vorsehen der die Polymerisation bewirkenden EDäctronen und zum wirksamen Verteilen der resultierenden Energie auf eine Weise, daß eine mit dem beabsichtigen Vorgang vereinbarte Produktionsrate erzielt wird, erforderlich ist.

Die Verwendung von ionisierender Energie in Form von hochenergetischen Elektronen kann auf dem Gebiet der Magnetohydrodynamik angewendet werden, um elektrisch leitende ionisierte Gase zu erhalten. Sie wird bei Lasern zum Erzielen eines geeigneten Mediums für die Laserwlrkung verwendet. Die Erfindung ist besonders nützlich als Quelle für einen ionisierenden Elektronenstrahl zur Herstellung räumlich gleichmäßiger Entladungen in Gaslasern bei solchen Druckhöhen und Größen, daß die Diffusion von Elektronenionenpaaren zu den äußeren Wänden vernachlässigbar ist, so daß die Entladung nicht dominierend von den Wänden beeinflußt wird.

Entsprechend dem bekannten Stand der Technik kann eine hochenergetische Elektronenquelle dadurch vorgesehen werden, d aß Elektronen auf einen hohen Energiezustand in einem evakuierten Rohr beschleunigt werden und ein Austreten der hochenergetischen Elektronen aus dem Rohr durch ein entsprechendes Elektronenfenster ermöglicht wird. Das Austreten der hochenergetischen Elektronen aus dem Rohr kann flächenförmig bewirkt werden. In einer solchen Vorrichtung werden Elektronen als ein kleiner Strahl in einem evakuierten Rohr erzeugt,

309826/0733

und dann wird der Elektronenstrahl einer schnellen Abtastbewegung ausgesetzt, ehe er zu einem Elektronenfenster kommt und aus dem Rohr austritt. In einer anderen bekannten derartigen Vorrichtung wird ein Elektronenstrahl von innerhalb-des Rohres durch .ein System von zylindrischen Elektronenoptiken auf ein Blatt oder eine Fläche fokussiert . Wenn eine genaue Fokussierung nicht wesentlich ist, sind die elektronenemittierende Kathode oder Kathoden in einem geeigneten Gehäuse eingeschlossen worden, welches die Elektronenfläche beschränkt und diese auf das Elektronenfenster richtet. In einem solchen Elektronenbeschleunigungsrohr befindet sich ein weitergeführter Hochspannungs-Kathodenaufbau, in welchem ein elektronenemittierender Faden oder Fäden angeordnet sind, ein evakuierter geerdeter metallischer Aufbau, welcher ein oder mehrere weitergeführte Fenster zum Austreten der Elektronen in die Luft aufweist und ein oder mehrer« äquipotentiale Schirme zwischen der Kathode und dem metallischen Aufbau, welche auf Zwischenspannungen gehalten werden.

In einer weiteren bekannten Vorrichtung ist ein zweites Fenster zwischen dem ersten Fenster und einem Werkstück oder dgl. angeordnet, welches bewirkt, daß der Elektronenstrahl eine ausreichende Entfernung durchläuft, um den gewünschten Grad an Ausbreitung durch ein gasförmiges Medium zwischen den zwei Fenstern zu erreich, wobei die mittlere Dichte des Gases weseiüich unter derjenigen von Luft gehalten wird, um einen gesteuerten Widerstand für einen ununterbrochenen Fluß von Elektronen zu erzielen, der wesentlich geringer als derjenige einer AtmosphärenLuft ist.

Ziel der Erfindung ist es, einen breitflächigen gleichmäßigen Elektronenstrahl mit einer Elektronenentladungsvorrichtung zu schaffen, welche weniger Teile,, eine größere Zuverlässigkeit im Betrieb und eine geringere Neigung zu Lichtbogenbildung als bekannte Vorrichtungen aufweist. ■

Dieses Ziel wird mit einer Elektronenentladungsvorrichtung zum Bestrahlen eines äußeren Bereichs mit einem Elektronenstrahl erreicht,

309826/0733

welche erfindungsgemäß ein evakuiertes Hauptgehäuse, welches mit Abstand eine Emissionseinric htungen für Elektronen enthaltende innere Hülle umgibt, wobei die innere Hülle gegen äußere elektrische Einflüsse abgeschirmt ist und ein von einem elektrisch leitenden und für die in den inneren Gehäuse durch die Emissionseinrichtungen emittierten Elektronen durchlässigen Gitter abgedecktes offenes Ende aufweist, und das Hauptgehäuse auf einem positiven Potential relativ zu der inneren Hülle und dem Gitter gehalten wird und eine öffnung aufweist, welche durch ein Elektronenfenster abgedichtet ist, das zu dem Gitter hin gerichtet ist und das Austreten von durch das Gitter von den Emissionseinrichtungen aufgenommenen Elektronen, die den gewünschten Elektronenstrahl darstellen, aus dem Hauptgehäuse ermöglicht, umfaßt.

Zum Sicherstellen eines Maximums an Gleichmäßigkeit des Strahls sind vorzugsweise Raumladungsbegrenzung undBäralle11tat der Elektronenerzeugungseinrichtung, des Gitters und des Elektronenfensters vorgesehen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden zum volbn Verständnis der Erfindung im folgenden näher beschrieben. Es zeigen

Fig. 1 eine schematische Darstellung in Seitenschnittansicht einer erfindungsgemäß aufgebauten Elektronenstrahlentladungsvorrichtung zum Erzeugen eines breitflächigen gleichmäßigen Elektronenstrahls außerhalb der Vorrichtung durch ein Elektronenfenster,

Fig. 2 eine perspektivische Darstellung mit ausgebrochenen Teilen eines Blattes aus Metallfolie und einer stützenden Platte, aus denen das in Fig. 1 gezeigte Elektronenfenster besteht,

Fig. 3 eine perspektivische Darstellung mit weggebrochenen Teilen des in der Vorrichtung nach Fig. 1 angeordneten Gitters,

Fig. 4 eine perspektivische Darstellung mit weggebrochenen Teilen

309826/0733

einer alternativen Ausführungsform des Elektronenfensters,

Fig. 5 eine schematische Darstellung, welche Einzelheiten der Impulsschaltung in Pig. I zeigt,

Fig. 6 eine schematische Darstellung in Seitenschnittansicht einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, '

Fig. 7 eine perspektivische Darstellung des Gitters in Fig. 6, und

Fig. 8 eine perspektivische Darstellung des in Fig. 6 gezeigten Elektronenfensters. .

In Fig. 1 ist eine Elektronenstrahlentladungsvorrichtung 10 gezeigt, welche ein zylindrisches und vorzugsweise metallisches Hauptgehäuse 11 mit einer öffnung 12 aufweist, die mit einer im folgenden näher beschriebenen Elefctronenfenstereinrichtung dicht verschlossen ist. .

In dem Gehäuse ist eine zylindrische und vorzugsweise metallische innere Hülle ljj mit einer öffnung 14 konzentrisch zu der Achse der öffnung 12 in dem Hauptgehäuse 11 angeordnet. In der Hülle 13 ist eine von elektrisch nichtleitenden Stützen 15 und 16 und einer elektrisch leitenden kreisrunden Platte 17 getragene Elektronenabgabeelnrichtung angeordnet, welche aus wenigstens einem und, vorzugsweise einer Mehrzahl von mit gleichmäßigem Abstand zueinander angeordneten und von der Platte 17 isolierten Fäden l8 besteht, welche mit einer Stromquelle verbunden sind, deren Anordnung im folgenden näher beschrieben werden wird. Die Fäden 18 werden auf übliche Weise durch eine Spannungsquelle normalerweise niedriger Spannung zum Erzeugen einer thermionischen Emission geheizt. Wie in Fig. 1 gezeigt,wird die Hülle I3 von einem axial angeordneten rohrförmigen Verbindungsteil 19 gehalten, weiches abgedichtet durch die Rückwand 21 des Hauptgehäuses verläuft und von dieser durch das Isoliermaterial 22 wie Polytetrafluorathylen isoliert ist, welches nicht nur einem hohen Vakuum in dem Haupt-

. - 6 -30 9 826/07 33

gehäuse 11, sondern auch einer hohen Potentialdifferenz von z.B. lOOkV zwischen dem Hauptgehäuse 11 und dem rohrförmigen Portsatz oder Verbindungsteil 19 zu widerstehen vermag. Die Fäden 18 können aus Wolfram, thoriertem Wolfram oder einem anderen geeigneten Fadenmaterial ausgebildet und federbelastet (nicht gezeigt) sein, um die Ausdehnung und Zusammenziehung während des Betriebs der Vorrichtung zu kompensieren. Das rohrförmige Verbindungsteil 19 ist auf geeignete Weise durch eine Wand 23 abgedichtet, durch welche elektrische Verbindungen zu den Fäden verlaufen, während ein Vakuum innerhalb des Hauptgehäuses 11 aufrecht erhalten wird. Das von der Hülse 13 abgewandte Ende des rohrförmigen Verbindungsteils 19 endet in einem metallischen Gehäuse 24 außerhalb des Hauptgehäuses 11 und ist mit diesem elektrisch verbunden. In dem Hilfsgehäuse 24, dessen Inneres auf At-mosphärendruck liegen kann, ist eine Energieversorgung 31 für die Fäden und eine solche zusätzliche Steuerschaltung oder dgl. wie z.B. eine optisch betätigte Impulsschaltung 32 angeordnet, wie sie verwendet wird, wenn die Vorrichtung im Impulsbetrieb betrieben werden soll. Leiter 33* 33* und 33" verbinden die Energieversorgung 31 für die Fäden mit den Fäden und der Platte 17.

Das Innere des Hauptgehäuses 11 und die innere Hülle 13werden über ein Rohr 34 auf übliche Weise mit einer nicht gezeigten Vakuumpumpe evakuiert und auf niedrigem Druck gehalten, um einen elektrischen Durchschlag zwischen der Hülle 13 und dem Gehäuse zu verhindern. In der öffnung 14 der Hülle und diese überdeckend ist ein metallischer Schirm 35 getragen von einem Stützring angeordnet, wobei der Schirm und der Stützring ein elektrisch leitendes Gitter bilden, welches in Fig. 3 ausführlicher dargestellt ist und für Elektronen durchlässig ist, die/n der inneren Hülle 13 von den Fäden abgegeben werden.

Der Schirm 35 und der Stützring 36 sind mit der Hülle I3 elektrisch verbunden.

- 7 -309826/0733

. ₇ . · 225490A

Innerhalb der öffnung 12 in dem Hauptgehäuse 11 und diese dichtend überdeckend ist ein dünnes Blatt oder eine Folie JJ getragen von einer metallischen Platte 38 wie ausführlicher in Fig. 2 dargestellt in elektrischer Verbindung mit dem Hauptgehäuse 11 angeordnet und bildet ein Elektronenfenster. Wie in Fig. 2 ges igt, ist die Platte 38 mit einer Vielzahl von Löchern 39 versehen, welche den Bereich definieren, den der Elektronenstrahl umfassen soll. Eine alternative Ausführungsform:, in welcher Schlitze 4l statt Löchern in einer Platte 38a vorgesehen sind, ist in Fig. 4 dargestellt. Das Blatt oder die Folie 37 können z.B. aus Aluminium, Beryllium, Titan, einer Legierung oder einem dünnen Blatt aus Kunststoffmaterial sein» Die Folie 57 ist so angeordnet, daß sie die öffnung 12 vollständig überdeckt und sich ausreichend über deren Seiten erstreckt, um durch einen geeigneten, das Fenster haltenden Ring 42 lösbar an dem Hauptgehäuse 11 befestigt werden zu können. Während die Folie 57 nicht notwendigerweise in elektrischer Verbindung mit dem Hauptgehäuse stehen muß, gewöhnlich aber in Verbindung mit diesem steht, muß die Platte 38 in einer solchen Verbindung stehen, so daß sie auf einem hohen Potential verglichen mit demjenigen des Schirms 35 stehen kann. Der das Fenster haltende Ring 42 und/oder die Platte 38 können lösbar und dichtend durch geeignete Dicht- und Befestigungsmittel, z.B. O-Ringe, Bolzen, Schrauben, Klemmen oder (fei. an dem Hauptgehäuse 11 befestigt sein.

Bei erneuter Betrachtung von Fig. 1 ist zu erkennen, daß die innere Hülle 13, das Hilfsgehäuse 24, das Verbindungsteil I9 und der Schirm 35 elektrisch mit der negativen Klemme einer üblichen Hochspannungsversorgung 43 verbunden sind, welche ein negatives Potential von z.B. 100 kV ergibt. Die positive Klemme der Hochspannungsversorgung 43 wie auch das Hauptgehäuse 11 sind geerdet, um eine große Potentialdifferenz von z.B. 100 kV zwischen dem Schirm 35 und der Platte 38 der ElektronenfenstereinrJc htung vorzusehen. -

Durch Vorsehen der Hülle 13 mit der Elektronenabgabeeinrichtung

- 8 3098 26/07 3 3

innerhalb des Hauptgehäuses 11 und topologisch kontinuierlich mit dem Hilfsgehäuse 2h mit der Energieversorgung für die Fäden und zugehörigen Schaltungen außerhalb des Hauptgehäusts bei Atmosphärendruck können die innere Hülle und das Hilfsgehäuse auf hohem negativen Potential in bezug auf die Elektronenfenstereinrichtung gehalten werden, um einen Faradaykäfig zu bilden, welcher die Energieversorgungsanordnung für die£>rähte und die Elektronenabgabeeinrichtung vor äußeren Feldern und Einflüssen schützt. Dies ermöglicht die Herstellung von Elektronenentladungsvorriohtungen zum Erzielen von Elektronenstrahlen mit g]B Ichmäßig breitem Bereich und mit einer minimalen Zahl von Teilen und weiter die Herstellung von Elektronenentladungsvorrichtungen, welche im Betrieb zuverlässig sind und bei welchen verglichen mit bekannten Vorrichtungen die Möglichkeit einer Lichtbogenbildung weitgehend verringert ist, was wiederum eine zuverlässige und einfache Steuerung des Elektronenstrahls mit relativ niedrigen Spannungen möglich macht.

Eine Vorrichtung nach der Erfindung wie in Fig.· 1 gezeigt, kann dazu verwendet werden, um einen kontinuierlichen oder gepulsten breitflächigen Elektronenstrahl zu erzeugen. Im Betrieb können die Fäden relativ zu der Hülle 13 negativ oder positiv sein, die Elektronenemissionseinrichtung kann temperaturbegrenzt oderraumladungsbegrenzt seim

In dem Fall, in welchem die Fäden auf positiver Vorspannung oder der Vorspannung Null in bezug auf die Hülle 13 gehalten werden, wird die Emission der Fäden raumladungsbegrenzt sein, und das Innere der Hülle 13 wird eine Elektronenwolke enthalten. Das Feld zwischen der Hülle IjJ und der Folie 37 beschleunigt die durch den Schirm 35 austretenden Elektronen auf die erforderliche Energie für den Durchgang durch die Folie. Die Durchlässigkeit des Schirms 35 für Elektronen nimmt zu, wenn das oben erwähnte Feld vergrößert wird, da bei vergrößertem Feld ein größerer Bruchteil der Elektronenwolke innerhalb der Hülle 13 durch das den Schirm 35 durchdringende äußere Feld durch den Schirm 35 g^e-

309826/0733 - 9 -

zogen werden wird. - *

Oberhalb einer kritischen positiven Fadenspannung werden keine Elektronen aus der Hülle 13 austreten, da die Elektronen nicht genügend Energie zum Ereichen des Bereichs benachbart dem Schirm 35 aufweisen werden, wo das äußere Feld ihre Bewegung beeinflussen und sie in Richtung der Folie beschleunigen könnte. In diesem Falle ist die Abmessung der Elektronenwolke um jeden Draht daher auf thermische Abstände von etwa 5 bis 10 V begrenzt. Der Elektronenstrahl wird in diesem Falle gleichmäßig sein, voraus-, gesetzt, daß der Spannungsabfall zwischen den Fäden l8 und der Hülle 13 kleiner als die oben erwähnte kritische positive Fadenspannung ist, weil unter diesen Bedingungen die Elektronenwolke in der Hülle 13 durch ihren eigenen Raumladungsrückstoß weich herausbewegt werden, wird.

Wenn die Fäden in bezug auf die Hülle IjJ negativ geladen sind, wird bei relativ niedrigen Fadentemperaturen eine tempejraturbegrenzte Emission auftreten, die Elektronenemission wird jedoch genügend niedrig sein, um Raumladungswirkungen vernachlässigen zu können. Unter diesen Bedingungen der temperaturbegrenzten Emission werden die Elektronen von dem Faden zu der Hülle 13 abwandern und nur ein Bruchteil der an dem Schirm 35 ankommenden Elektronen wird durchgezogen werden.

Unter diesen Bedingungen werden Ungleichmäßigkeiten in den Fäden, welche Ungleichmäßigkeiten in der Elektronenemission bewirken, 2X unerwünschten Ungieichmäßig-keiten in dem aus der "Vorrichtung austretenden Elektronenstrahl führen.

In dem Fall, in welchem die Fadentemperatur genügend hoch ist, so daß der Emissionsgrad von Elektronen das Maß übersteigt, mit welchem diese durch das Feld der Hülle 1.3 von dem Faden weggezogen werden, wird sich eine Raumladungsbegrenzung des erreichbaren Elektronenstroms ergeben. Da im wesentlichen alle Fäden (unter

- 10 309826/0733

Vernachlässigung von Randwirkungen) auf einer hohen Temperatur liegen, werden alle Fadenungleichmäßigkeiten durch die Jeden Faden umgebende Elektronenwolke geglättet, so daß jeder Faden als gleichmäßig emittierender Zylinder betrachtet werden kann. Nach Verlassen der Jeden Faden umgebendenRaumladungselektronenwolke wandern die Elektronen in Richtung des Schirms 35 und der Wände der Hülle 13 ab, und ein Bringen der Platte 17 auf das entsprechende Potential stellt sicher, daß die meisten der die Raumladvngselektronenwolke verlassenden Elektronen an dem Schirm 35 ankommen. Die Zahl von durch den Schirm 35 gehenden Elektronen hängt dann von dem Verhältnis der Felder innerhalb und außerhalb der^nülle 13 bis zu einem Sättigungswert ab, bei welchem jedes auftreffende Elektron übertragen werden wird.Bei hohen Werten dieses Verhältnisses kann eine Elektronenemission von dem Schirm auch infolge einer Sekundärelektronenemission an dem Sohirm auftreten, eine Wirkung analog der, dietei HochleistungsUbertragungstrioden beobachtet wird. Die Sekundärelektronenemission von dem Schirm beträgt unter den obigen Umständen etwa 5 % der Emission von den Fäden. Eine Gleichmäßigkeit des Elektronenstrahls außerhalb der Vorrichtung ist sichergestellt, wenn der Abstand der Fäden voneinander wesentlich geringer als der Größenmaßstab der Hülle 13 ist, in welcher sie angeordnet sind, wodurch Inhomogenitäten des Elektronenstrahls infolge von EHctronenabwanderung überlagert und ausgemittelt werden. Die Maschengröße des Schirms ist vorzugsweise genügend klein, daß die Wirkung des Feldes außerhalb der Hülle 13 nahe dem Gitteraufbau bleibt und das Feld in dem Bereich zwischen den Fäden 18 und dem Schirm 35 nicht stört. Weiter ist es, um einen gleichmäßigen Strahl sicher zu stellen, zweckmäßig, daß die Fäden und das Elektronenfenster beide parallel zu dem Gitter und daher parallel zueinander sind. Ein Abweichen von der Parallelität zwischen den Fäden und dem Gitter wird einen Teilfehler in der Intensität des Elektronenstrahls von etwa zweimal deren Größe erzeugen.

Eine endgültige Grenze für den Elektronenstiahlstrom existiert in-

-U-309826/0733

folge der Raumladungsbegrenzung zwischen der Hülle 13 und der Folie 37. Die Child.¹ sehe Gleichung gibt eine Grenze in der GrÖßen-

Ordnung von 10 A pro cm in der Hülle 13 für erreichbare KonTigurationen.

Fig. 5 zeigt Einzelheiten einer Impulsschaltung zum Betrieb der Vorrichtung im Irapulsbetrieb. Infolge der auftretenden hohen Spannungen müssen besondere Vorkehrungen getroffen werden, um einen elektrischen Durchschlag zu vermeiden. Das Innere des Hauptgehäuses 11 muß auf einem niedrigen Druck gehalten werden, während die Energieversorgung für die Fäden und die zugehörigen Betätigungsund Steuerschaltungen in dem Hilfsgehäuse 24 für zufriedenstellenderes Arbeiten bei Atmosphärendruck ausgelegt sind. Weiter sind diese Schaltungen, und Teile bei einem derartigen Betrieb leicht zugänglich^ während ihre Anordnung in dem evakuierten Hauptgehäuse das Aufrechterhalten eines ausreichenden Vakuums- in diesem ungünstig beeinflussen würde. Daher sind diese Teile und Schaltungen in dem Hilfsgehäuse 24 bei Atmosphärendruck angeordnet und mit den Fäden in der Hülle 13 über das rohrförmige Verbindungsteil I9 und die querverlaufende trennende Wand 23 in diesem elektrisch verbunden.

Das Problem des Einführens von Information in die Fadensteuerschaltung wird gelöst durch Verwendung optischer Techniken zum Bewirken der Steuerung. So wird für den gepulsten Betrieb die Impulsschaltuig 32 (Fig. 5)_ß getrennt über elektrisch isolierende Lichtrohre 51 und 52 betätigt, welche eine optische Verbindung zwischen geeigneten Lichtquellen 53 und 54 außerhalb des Hilfsgehäuses 24 und Fotozellen 55 und 56 in dem Hilfsgehäuse 24 herstellen. Geeignete Lichtquellen, wie z.B. Xe-nonblitzrÖhren, optische Dioden oder dgl. können aufeinanderfolgend durch eine Impulsverzögerungssohaltung 57 und eine Triggerschaltung 58 betätigt werden. Nach Betätigung der Triggerschaltuig 58 durch eine geeignete, nicht gezeigte Einrichtung gibt die Impulsverzögerungsschaltung 57 einen Impuls an die Lichtquelle 53 ab, um den Strahl "einzuschalten" und nach einer gewünschten Verzögerung gibt sie einen Impuls an die Lichtquelle 54 ab, um den Strahl "abzuschalten". Dies kannfeinfach

309826/0733 - 12 -

und bequem z.B. dadurch erreicht werden, daß Licht von der Lichtquelle 53 über ein übliches Lichtrohr 51 auf die Fotozelle 55 gerichtet wird, welche ihrerseits eine Schalteinrichtung 59 betätigt, um eine geeignete negative Vorspannung von einer Batterie 61 an die Fäden anzulegen. Beim Anlegen des negativen Potentials oder der Vorspannung andie Fäden,wie dargestellt,werden die Fäden negativ in bezug auf das Gehäuse I3, welches sich auf dem gleichen negativen Potential wie das Hilfsgehäuse 24 befinden, vorgespannt, und Elektronen können aus dem Gehäuse 13 durch den Schirm 35 austreten, wodurch der Strahl "eingeschaltet" wird. Nach der gewünschten Verzögerung bestimmt durch die Impulsverzögerungsschaltung 57 wird die Lichtquelle 54 betätigt und betätigt ihrerseits die Fotozelle 56 über das Lichtrohr 52. Eine von der Fotozelle 56 gesteuerte Schalteinrichtung 62 schließt einen über die Batterie 6l und deren Strombegrenzungswiderstand geschalteten Kondensator 63 kurz, ergibt eine positive Vorspannung der Fäden in bezug auf das Gehäuse I3 und schaltet hierdurch den Strahl "aus".

Es versteht sich, daßdie obige Erläuterung nur als beispielhafte Darstellung zu-verstehen ist, und daß die Erfindung nicht auf die besondere gezeigte und beschriebene Anordnung beschränkt ist, da auch andere demFaohmann geläufige Anordnungen optisch betätigt werden können,um das gleiche Ergebnis zu erzielen.

In den Fig. 6,7 und 8-und insbesondere in Fig.6 ist eine alternative Ausführungsform der Erfindung ähnlich der in Fig. 1 gezeigten dargestellt, bei welcher Fäden 78 in einer metallischen inneren Hülle 73 angeordnet und gehalten sind, wobei Fäden und Hülle ihrerseits aus den gleichen Gründen wie in Verbindung mit Fig. 1 beschrieben in einem evakuierten Hauptgehäuse 71 angeordnet sind. Die Hülle 73 steht in elektrischem Kontakt mit einem metallischen rohrförmigen Verbindungsteil 79, welches außerhalb des metallischen Hauptgehäuses 71 in einem metallischen Hilfsgehäuse 74 endet und mit diesem elektrisch verbunden ist.

Zwischen der Hülle 73, welche auf einem hohen negativen Potential

309826/0733 - 13 -

gehalten wird, und dem Haupt gehäuse 71, welches normalerweise geerdet und so auf einem Potential positiv in bezug auf die Hülle 75 gehalten wird, ist durch eine auf dem Verbindungsteil 79 angeordnete und dieses überdeckende Hochspannungsdurchführung eine Hochspannungsisolierung vorgesehen» Wie in Fig. 6 gezeigt, .kann eine geeignete Hochspannungsdurchführung aus einer elektrisch nichtleitenden, sieh über die Länge des Verbindungsteils 79 und dieses überdeckend erstreckende Hülse 8O zusammen mit einer Mehrzahl von Glasringen 81 bestehen, welche durch zwischen den Glasringen angeordnete metallische Scheiben 82 getrennt sind, wobei benachbarte Scheiben 82 über Widerstände. 89 zur Bildung eines Spannungsteilers miteinander verbunden sind. Eine solche Hochspannungsdurchführung teilt die Gesamtspannung von z.B. 100 kV oder mehr auf, wodurch nur relativ kleine Spannungen über jedem Glasring auftreten, welche zur Ausbildung eines Lichtbogens nicht ausreichen, Die Hochspannungsdurchführung kann mit Schrauben oder dgl. lösbar an dem Hauptgehäuse 71 befestigt sein, um eine· Reparatur oder einen Austausch zu ermöglichen, und sie ist weiter abgedichtet angebracht, um Vakuumverluste in dem Hauptgehäuse 71 zu verhindern. Benachbart dem Hilfsgehäuse 74 ist zum Formen des Feldes an dieser Stelle ein großer Metallring oder eine große Scheibe 82 vorgesehen.

Von dem Hauptgehäuse 71 nach außen ragend und eine rechteckige öffnung 86 des Hauptgehäuses umgebend ist ein Abstandsteil 87 hohler Konfiguration angeordnet, an dessen von der öffnung 86- abgewandten Ende ein Elektronenfenster dichtend angebracht ist. Das Elektronenfenster besteht, wie am besten in F3& 8 zu erkennen ist, aus einer über einer geschlitzten tragenden Platte 85 diese überdeckend angeordneten Folie 84. Die öffnung 86 des Hauptgehäuses. 71 und eine öffnung 88 der inneren Hülle 73 sind jeweils mitGittern 91 und 92 abgedeckt. Die Gitter 91 und 92 können wie am besten in Fig. 7 zu erkennen, identisch und aus dünnen Stäben , 93 aufgebaut sein, welche mit gleichmäßigen Abständen zueinander angeordnet und in einem Rahmen 94 gehalten sind. Das Gitter 91 steht in elektrischem Kontakt mit dem Hauptgehäuse 71 und das

309826/0733 - l4 - -

Gitter 92 steht in elektrischem Kontakt mit der inneren Hülle 73.

Das Vorsehen des Gitters 92 auf hohem negativen Potential, das am äußersten Ende des Abstandsteils 87 entfernt von dem Gitter 92 angeordnete Elektronenfenster und das zwischen dem Elektronenfenster und dem Gitter 92 angeordnete Gitter 91 auf Erdpotential verhindern eine Beschädigung des Elektronenfensters und besonders der Folie 84 infolge von auftretenden Lichtbögen.

Für den Fall, daß sich ein Lichtbogen in dem Hauptgehäuse 71 ausbildet, kann er die Folie 84 nicht erreichen und durchlöchern. So hat das Gitter 91 die Doppelfunktion der Beschleunigung von Elektronen aus der Hülle 73, da es sioh in bezug auf die Hülle 73 auf positivem Potential befindet, und andererseits des Schutzes des Elektronenfensters vor Beschädigungen infolge eines auftretenden Lichtbogens.

Während eine Elektronenstrahlentladungsvorrlchtung entsprechend der Erfindung auf vielen Gebieten verwendbar ist, ist sie besonders nützlich bei Anwendungen der Lasertechnik. Wenn ein Laser sehr hohe Leistung erfordert, ist es sehr vorteilhaft, einen relativ hohen Gasdruck, z.B. bis zu einer Atmosphäre oder mehr und große Querabmessungen, bisfzu 30 cm und mehr, zu verwenden. Die Verwendung von hohen Drücken und großen Abmessungen vermeidet die niedrige Energiedichte eines Niederdruckgaslasere, welche zur Erzeugung von Ausgängenpioher Energie extrem langer optischer Wege bedarf. Bei solch hohen Drücken und Abmessungen ist die Entladung unstabil und geht schnell in einen Lichtbogen über, wenn nicht eine äußere Ionisationsquelle wie ein Elektronenstrahl verwendet wird,um eine Ionisierung zu ergeben und die Entladungsspannung bei einer genügend niedrigen Größe zu halten, daß Entladungsinstabilitäten vermieden werden. Zum Beispiel muß ein Elektronenstrahlionisierer unter Verwendung der Merkmale der Erfindung mit nur einer Spannung indsr Größenordnung von ISO kV vorgesehen werden, um eine nutzbare Ionisierung für solche Abstände und Drücke zu erzielen. Weiter ermöglicht ein solcher Elektronenstrahlionisierer

309826/0733

- 15 -

eine kontinuierliche Ionisierung über große Volumen und el_riminiert somit die Notwendigkeit sich wiederholender Impulsionisierung in einem Laser. Darüber hinaus kann die Elektronenstrahlionisierung einfach, bequem und zuverlässig durch Ändern der Elektronenenergie oder des Eläctronenstroms gesteuert werden. Der Elektronenstrom kann verändert werden durch Ändern der Fadentemperatur oder der Spannung zwischen Gitter und Faden im raumladungsbegrenzten Bereiöh. So können die Ionisationshöhe und 2.B. ein Laserausgang einfach und . zuverlässig durch.Steuern von Spannungen in Schaltungen geringer ν Energie und niedriger Spannung gesteuert werden. Dieses Merkmal der Steuerung zusammen mit der Fähigkeit des breitflächigen Elektronenstrahls, auf eine echt kontinuierliche Weise zu ionisieren, machen eine Elektronenstrahlentladungsvorrichtung entsprechend der Erfindung sehr geeignet zum Ionisieren eines Arbeitsmediums in beliebiger Anwendung, wo es wünschenswert oder bequem ist, die . Ionisierung vom Aufrechterhalten einer Entladung zu trennen.

In vielen Anwendungsformen in der Lasertechnik hat es sich gezeigt, daß die Intensität des ionisierenden Elektronenstrahls im wesentlichen gleichmäßig sein muß und die Änderungen höchstens einige Prozente betragen dürfen, um ein Arbeitsmedium mit im wesentlichen gleichmäßiger Ionisation zu erhalten, was zum Erzielen einer gleichmäßigen Verstärkung und gleichmäßiger optischer Eigenschaften in dem Arbeitsmedium erforderlich ist. Die Erfindung ist für diese Art von Verwendung besonders geeignet, da sie auf einfache, wirtschaftliche und zuverlässige Weise einen breitflächigen Elektronenstrahl ergibt, welcher die erforderliche Energie und Gleichmäßigkeit hat, um gleichmäßige Verstärkung und optische Eigenschaften in dem gesamten Arbeitsmedium zu ergeben. ·

309 8 26/07 33

- 16 -

Claims

Patentansprüche

l.J Elektronenentladungsvorrichtung zum Bestrahlen eines äußeren Bereichs mit einem Elektronenstrahl, gekennzeichnet durch ein evakuiertes Hauptgehäuse (11 oder 71)* welches mit Abstand eine Emissionseinrichtungen (l8,7ß) für Elektronen enthaltende innere Hülle (13 oder 73) umgibt, wobei die innere Hülle gegen äußere elektrische Einflüsse, abgeschirmt 1st und ein vcn einem elektrisch leitenden und für die in dem Inneren Gehäuse durch die Emissionseinrichtungen emittierten Elektronen durchlässiges Gitter (35 oder 92) abgedecktes offenes Ende (14 oder 88) aufweist, und das Hauptgehäuse auf einem positiven Potential relativ zu der inneren Hülle und dem Gitter gehalten wird, und eine öffnung (12 oder 86) aufweist, welche durch ein Elektronenfenster (37 oder 84) abgedichtet ist, das zu dem Gitter (35 oder 92) hin gerichtet ist und das Austreten von durch das-Gitter von den Emissionseinrichtungen aufgenommenen Elektronen, die den gewünschten Elektronenstrahl darstellen, aus dem Hauptgehäuse ermöglicht.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gitter (35 oder 92) und das Elektronenfenster (37 oder 84) symmetrisch um die Längsachse des Elektronenstrahls angeordnet sind.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die innere Hülle (13 oder 73) mechanisch und elektrisch über ein sich dichtend durch eine Wand (21) des Hauptgehäuses und elektrisch von dieser isoliert erstrek·* kendes rohrförmiges Verbindungsteil (19 oder 79) mit einem außerhalb des Hauptgehäuses (11 oder 71) angeordneten Hilfsgehäuse (24 oder 74) verbunden ist, welches Energieversorgungseinrichtungen (31, 32) enthält, die mit den Emissionseinrichtungen (l8

- 17 309826/0733

oder 78) elektrisch liber Drähte (33, 33', 33") verbunden sind, die ihrerseits in dem rohrförmigen Verbindungsteil verlaufen und sioh durch eine querverlaufende Wand (23) in dem rohrförmigen Verbindungsteil abgedichtet in die innere Hülle erstrecken.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3* dadurch gekennzeichnet, daß die Energieversorgungseinrichtungen (31$ 32) eine Emission von Elektronen aus den Emissionseinrichtungen (18. oder 78) in einem Maß ausreichend zum Erzeugen einer negativen " Raumladung benachbart den Emissionseinrichtungen zu.bewirken vermögen.
5. .. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch ge k e η η -" zeichnet, daß die Energieversorgungseinrichtungen (31, 32) eine Impulsschaltung (32) zum Steuern des Potentials der Emissionseinrichtungen (18 oder 78) in Bezug auf das Potential der inneren Hülle (13 oder 73) enthalten.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5* dadurch g e k e η η ze ic h η e t, daß das Innere des Hilfsgehäuses (24 oder 74) auf Atmosphärendruck gehalten ist»
7.« Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch g e k e η η ze i· c h η e t, daß das Gitter (35 oder 92) im wesentlichen flach und das Elektronenfenster (37 oder 84) mit im wesentlichen gleichmäßigem . Abstand von dem Gitter angeordnet ist.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis ¹J, dadurch gekennze lehne t, daß im wesentlichen alle Punkte, an welchen Elektronen von den Emissionseinrichtungen (l8 oder 78) äb*- gegeben werden, den gleichen Abstand von dem Gitter (75 oder 92) aufweisen.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, daduroh g e k e η η ζ e ic h η e t„ daß das die Öffnung (12 oder B6) des Hauptgehäuses (11 oder 71) abdichtende Elektronenfenster

309826/CT733 ■ ^{- lS}

- _l8 - 225490A

(37 oder 84) am äußeren Ende eines von dieser Öffnung nach außen ragenden hohlen Abstandsteil (87) angeordnet ist, und ein zweites elektrisch leitendes, für Elektronen durchlässiges Gitter (9I) in der Öffnung selbst angeordnet und auf dem positiven Potential des Hauptgehäuses gehalten ist.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9# dadurch gekennzeichnet, daß das Elektronenfenster (37 oder 84) aus einer über einer perforierten metallischen tragenden Platte (38 oder 85) angeordneten, diese überdeckenden Folie besteht und die Platte auf dem gleichen Potential wie das Hauptgehäuse (11 oder 71) gehalten ist.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeiohne t, daß die Energieversorgungseinrichtungen (31, 32) von Fotozellen (55, 56) betätigte Sohalteinrichtungen (59, 62) aufweisen, die optisch mit steuerbaren Lichtquellen (53, 54) außerhalb des Hilfsgehäuses (24 oder 74) über Lichtübertragungseinrichtungen (51, 52) verbunden sind.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquellen (53, 54) von Impulsschaltungen (57, 58) gesteuert sind, welche ein abwechselndes Einschalten und Abschalten der Emissionseinrichtungen (18 oder 28) durch die Schalteinriohtungen (59, 62) und damit ein Ein- und Ausschalten des Elektronenstrahls bewirken.

309826/0733

, is

Le e rs ei te