DE2254904C2 - Elektronenentstrahlvorrichtung zum Bestrahlen eines außerhalb der Vorrichtung angeordneten Bereichs mit einem Elektronenstrahl - Google Patents

Description

ίο Die Erfindung betrifft eine Elektronenstrahlvorrichtung zum Bestrahlen eines außerhalb der Vorrichtung angeordneten Bereiches mit einem Elektronenstrahl, bestehend aus einem evakuierten Hauptgehäuse, welches mit Abstand eine Elektronenemissionseinrichtungen enthaltende innere Hülle umgibt, die Elektronen emittierende geheizte Fäden enthält, welche mit gleichmäßigen im Verhältnis zu den Abmessungen der inneren Hülle kleinem Abstand zueinander angeordnet sind, bei der das Hauptgehäuse eine öffnung aufweist, die durch ein Elektronenfenster abgedichtet ist, das zu den geheizten Fäden parallel ist, einer zu ihm parallelen öffnung in der inneren Hülle gegenüberliegt und das Austreten von durch die öffnung der inneren Hülle von den geheizten Fäden abgegebenen Elektronen, die den gewünschten Elektronenstrahl darstellen, aus dem Hauptgehäuse ermöglicht

Eine derartige Elektronenstrahlvorrichtung zum Bestrahlen eines außerhalb der Vorrichtung angeordneten Bereichs mit einem Elektronenstrahl ist aus der DE-AS 12 85 629 bekannt. Diese Elektronenstrahlvorrichtung besteht aus einem evakuierten Hauptgehäuse, das mit Abstand eine Emissionseinrichtungen für Elektronen enthaltende innere Hülle umgibt. Das Hauptgehäuse wird relativ zu der inneren Hülse auf einem positiven Potential gehalten und weist ferner eine öffnung auf, die durch ein Elektronenfenster abgedichtet ist. Die innere Hülse ist jedoch bei dieser bekannten Konstruktion nicht gegen äußere elektrische Einflüsse abgeschirmt. Die bekannte Vorrichtung umfaßt ferner einen unter höherem Druck als das Strahlerzeugungssystem stehenden Raum, in dem die zu bestrahlende Substanz angeordnet ist, und eine die Elektronen streuende Substanz zwischen dem Strahlaustrittsfenster und der zu bestrahlenden Substanz. Die die Elektronen streuende Substanz besteht aus einem mit einer gasförmigen Substanz gefülltem Raum, wobei die gasförmige Substanz eine mittlere Dichte aufweist die unter derjenigen von Luft bei atmosphärischem Druck liegt.

so Ein fächerförmiger Elektronenstrahl kann nach dem bekannten Stand der Technik auch dadurch erzeugt werden, daß der Elektronenstrahl einer schnellen Abtastbewegung ausgesetzt wird, ehe er zu dem Elektronenfenster gelangt und aus der Vorrichtung austritt.

In einer anderen bekannten derartigen Vorrichtung gemäß der US-PS 28 77 599 wird ein Elektronenstrahl von innerhalb des Gehäuses durch ein System von zylindrischen Elektronenoptiken auf ein Blatt oder eine Fläche fokussiert. Bei dieser bekannten Konstruktion befindet sich die Kathode auf einem hohen negativen Potential und sie ist von Beschleunigungselektroden umgeben, die mit Schlitzen ausgestattet sind, wobei diese Schlitze mit einem Elektronenfenster ausgerichtet

b5 sind. Dabei wird ein blattförmiger Elektronenstrahl erzeugt, der beschleunigt wird und durch die Schlitze hindurchtritt und dann zu dem Elektronenfenster gelangt, um durch dieses hindurch in Luft zur

Bestrahlung beispielsweise eines Filmmaterials eintritt Mit Hilfe dieser bekannten Vorrichtung läßt sich jedoch kein Elektronenstrahl mit vergleichsweise großem Querschnitt realisieren und die ganze Vorrichtung ist vergleichsweise kompliziert aufgebaut und schwierig herzustellen. Wenn eine genaue Fokussierung nicht wesentlich ist, sind gemäß einer Ausführungsform dieser bekannten Konstruktion die elektroneneroittierende Kathode oder Kathoden in einem geeigneten Gehäuse eingeschlossen, welches die Elektronenstrahlfläche beschränkt und die Elektronen auf das Elektronenfenster richtet In einer solchen Vorrichtung befindet sich ein Hochspannungs-Kathodenaufbau, in welchem ein elektronenemittierender Faden oder Fäden angeordnet sind, ein evakuierter geerdeter metallischer Aufbau, welcher ein oder mehrere Elektronenfenster zum Austreten der Elektronen in die Luft aufweist und bei der ein oder mehrere equipotentiale Schirme zwischen der Kathode und dem metallischen Aufbau vorgesehen sind, welche auf Zwischenspannungen gehalten werden.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, die Elektronenstrahlvorrichtung zum Bestrahlen eines außerhalb der Vorrichtung angeordneten Bereichs mit einem Elektronenstrahl der eingangs definierten Art derart zu verbessern, daß mit dieser unter Anwendung weniger Teile ein breitflächiger gleichmäßiger Elektronenstrahl bei größerer Zuverlässigkeit des Betriebes und bei geringerer Neigung zur Lichtbogenbildung erzeugt werden kann.

Ausgehend von der Elektronenstrahlvorrichtung der eingangs genannten Art wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die öffnung der als Faraday'scher Käfig ausgebildeten inneren Hülle mit einem für Elektronen durchlässigen, elektrisch leitendem Gitter versehen ist welches gegenüber dem Elektronenfenster auf einem hohen negativen Potential liegt, und daß das Potential der geheizten Fäden gegenüber dem Gitter so gewählt ist, daß sich zwischen den geheizten Fäden und dem Gitter eine negative Raumladung ausbildet *o

Durch die Elektronenstrahlvorrichtung mit den Merkmalen nach der Erfindung kann die Verwendung einer elektronenstreuenden Substanz vollständig vermieden werden.

Besonders vorteilhafte Weiterbildungen und Ausge- ⁴^ staltungen der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen 2 bis 7.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Hinweis auf die Zeichnung näher erläutert Es zeigt so

F i g. 1 eine schematische Darstellung in Seitenschnittansicht einer Elektronenstrahlvorrichtung zum Erzeugen eines breitflächigen gleichmäßigen durch ein Elektronenfenster außerhalb der Vorrichtung austretenden Elektronenstrahls,

F i g. 2 eine perspektivische Darstellung mit weggebrochenen Teilen einer Metallfolie und einer stützenden Platte, aus denen das in F i g. 1 gezeigte Elektronenfenster besteht,

F i g. 3 eine perspektivische Darstellung mit wegge- V> brochenen Teilen des in der Vorrichtung nach F i g, 1 angeordneten Gitters,

F i g. 4 eine perspektivische Darstellung mit weggebrochenen Teilen einer alternativen Ausführungsform des Elektronenfensters,

F i g. 5 eine schematische Darstellung in Seitenschnittansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels der Erfindung.

F i g. 6 eine perspektivische Darstellung des Gitters in ■ ■ F i g. 5, und

F i g. 7 eine perspektivische Darstellung des in F i g. 5 gezeigten Elektronenfensters.

In F i g. 1 ist eine Elektronenstrahlvorrichtung 10 gezeigt welche ein zylindrisches und vorzugsweise metallisches Hauptgehäuse U mit einer öffnung 12 aufweist die mit einem im folgenden näher beschriebenen Elektronenfenster dicht verschlossen ist

In dem Gehäuse ist eine zylindrische und vorzugsweise metallische innere Hülle 13 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 Elektronenemissionseinrichtung angeordnet welche aus einer Mehrzahl von mit gleichmäßigem Abstand zueinander angeordneten und von der Platte

17 isolierten Fäden 18 besteht welche mit einer Stromquelle verbunden sind, deren Anordnung im folgenden näher beschrieben werden wird. Die Fäden 18 werden auf übliche Weise durch eine Stromquelle normalerweise niedriger Spannung zum Erzeugen einer thermionischen Emission geheizt Wie in F i g. 1 gezeigt wird die Hülle 13 von einem axial angeordneten rohrförmigen Verbindungsteil 19 gehalten, welches abgedichtet durch die Rückwand 21 des Hauptgehäuses verläuft und von dieser durch das Isoliermaterial 22 wie Polytetrafluoräthylen isoliert ist welches nicht nur einem hohen Vakuum in dem Hauptgehäuse 11, sondern auch einer hohen Potentialdifferenz von z.B. 100kV zwischen dem Hauptgehäuse 11 und dem rohrförmigen 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 U aufrecht erhalten wird. Das von der Hülle 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 Atmosphärendruck 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 18 und der Platte 17.

Das Innere des Hauptgehäuses 11 und die innere Hülle 13 werden 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 11 zu verhindern. In der öffnung 14 der Hülle und diese überdeckend ist ein metallisches Gitter 35 getragen von einem Stützring 36 angeordnet welches in Fig.3 ausfüiirlicher dargestellt ist und für Elektronen durchlässig ist, die in der inneren Hülle 13 von den Fäden abgegeben werden.

Das Gitter 35 \md der Stützring 36 sind mit der Hülle 13 elektrisch verbunden.

Innerhalb der öffnung 12 in dem Hauptgehäuse 11

und diese dichtend überdeckend ist eine dünne Folie 37 . getragen von einer metallischen Platte 38 wie ausführlicher in F i g. 2 dargestellt in elektrischer Verbindung mit dem Hauptgehäuse 11 angeordnet und bildet ein Elektronenfenster. Wie in F i g. 2 gezeigt, 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 41 statt Löchern in einer Platte 38a vorgesehen sind, ist in F i g. 4 dargestellt. Die Folie 37 kann z. B. aus Aluminium, Beryllium, Titan, einer Legierung oder aus Kunststoffmaterial sein. Die Folie 37 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 37 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 Gitters 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 dgl. an dem Hauptgehäuse 11 befestigt sein.

Bei erneuter Betrachtung vor. Fig.! ist zu erkennen, daß die innere Hülle 13, das Hilfsgehäuse 24, das Verbindungsteil 19 und das Gitter 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 Gitter 35 und der Platte 38 des Elektronenfensters vorzusehen.

Die Hülle 13 mit der Elcktronenemissionseinrichtung und das Hilfsgehäuse 24 mit der Energieversorgung für die Fäden und zugehörigen Schaltungen, die auf hohem negativen Potential in bezug auf das Elektronenfenster gehalten werden, bilden einen Faradaykäfig, welcher die Energieversorgung für die Fäden und die Elektronenemissionseinrichtung vor äußeren Feldern und Einflüssen schützt. Dies ermöglicht die Herstellung von « Elektronenstrahlvorrichtungen zum Erzielen von gleichmäßigen breitflächigen Elektronenstrahlen und weiter die Herstellung von Elektronenstrahlvorrichtungen, 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.

Die in F i g. 1 gezeigte Vorrichtung kann dazu verwendet werden, um einen kontinuierlichen oder gepulsten breitflächigen Elektronenstrahl zu erzeugen.

Die Fäden werden auf positiver Vorspannung oder der Vorspannung Null in bezug auf die Hülle 13 gehalten, um eine raumladungsbegrenzte Emission der Fäden und eine Elektronenwolke im Inneren der Hülle 13 zu erzeugen. Das Feld zwischen der Hülle 13 und der Folie 37 beschleunigt die durch das Gitter 35 austretenden Elektronen auf die erforderliche Energie für den Durchgang durch die Folie. Die Durchlässigkeit des Gitters 35 für Elektronen nimmt zu, wenn das obenerwähnte Feld vergrößert wird, da bei vergrößertem Feld ein größerer Bruchteil der Elektronenwolke . innerhalb der Hülle 13 durch das Gitter 35 durchdringende äußere Feld durch das Gitter 35 gezogen werden wird.

Oberhalb einer kritischen positiven Fadenspannung werden keine Elektronen aus der Hülle 13 austreten, da die Elektronen nicht genügend Energie zum Erreichen des Bereichs benachbart dem Gitter 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 dann gleichmäßig sein, wenn der Spannungsabfall zwischen den Fäden 18 und der Hülle 13 kleiner als die obenerwähnte kritische positive Fadenspannung ist, weil unter diesen Bedingungen die Elektronenwoike in der Hülle 13 durch ihren eigenen Raumladungsrückstoß weich herausbewegt werden wird.

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

Unter diesen Bedingungen würden Ungleichmäßigkeiten in den Fäden, welche Ungleichmäßigkeiten in der Elektronenemission bewirken, zu unerwünschten Ungleichmäßigkeiten in dem aus der Vorrichtung austretenden Elektronenstrahl führen.

Damit sich eine Raumladungsbegrenzung des erreichbaren Elektronenstroms ergibt, muß die Fadentemperatur genügend hoch sein, so daß der Emissionsgrad von Elektronen das Maß übersteigt, mit welchem diese durch das Feld der Hülle 13 von dem Faden weggezogen werden. Da im wesentlichen alle Fäden (unter 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 umgebenden Raumladungselektronenwolke wandern die Elektronen in Richtung des Gitters 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 Raumladungselektronenwolke verlassenden Elektronen an dem Gitter 35 ankommen. Die Zahl von durch das Gitter 35 gehenden Elektronen hängt dann von dem Verhältnis der Felder innerhalb und außerhalb der Hülle 13 bis zu einem Sättigungswert ab, bei welchem jedes auftreffende Elektron übertragen werden wird. Bei hohen Werten dieses Verhältnisses kann eine Elektronenemission von dem Gitter auch infolge einer Sekundärelektronenemission an dem Gitter auftreten, eine Wirkung analog der, die bei Hochleistungsübertragungstrioden beobachtet wird. Die Sekundäreiektronenemission von dem Gitter beträgt unter den obigen Umständen etwa 5% der Emission von den Fäden. Damit eine Gleichmäßigkeit des Elektronenstrahls außerhalb der Vorrichtung sichergestellt ist, muß der Abstand der Fäden voneinander wesentlich geringer als der Größenmaßstab der Hülle 13 sein, in welcher sie angeordnet sind, wodurch Inhomogenitäten des Elektronenstrahls infolge von Elektronenabwanderung

überlagert und ausgemittelt werden. Die Maschengröße des Gitters 35 ist vorzugsweise genügend klein, daß die Wirkung des Feldes außerhalb der Hülle 13 nahe dem Gitter bleibt und das Feld in dem Bereich zwischen den Fäden 18 und dem Gitter 35 nicht stört. Weiter ist es, um einen gleichmäßigen Strahl sicher zu stellen, notwendig, 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 Elektronenstrahlstrom existiert infolge der Raumladungsbegrenzung zwischen der Hülle 13 und der Folie 37. Die Child'sche Gleichung gibt eine Grenze in der Größenordnung von 1OA pro cm² in der Hülle 13 für erreichbare Konfigurationen.

In den F i g. 5, 6 und 7 und insbesondere in F i g. 5 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung ähnlich dem in F i g. 1 gezeigten dargestellt, bei welchem 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 F i g. 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 gehalten wird, und dem Hauptgehäuse 71, welches normalerweise geerdet und so auf einem Potential positiv in bezug auf die Hülle 73 gehalten wird, ist durch eine auf dem Verbindungsteil 79 angeordnete und dieses überdeckende Hochspannungsdurchführung eine Hochspannungsisolierung vorgesehen. Wie in Fig.5 gezeigt, kann eine geeignete Hochspannungsdurchführung aus einer elektrisch nichtleitenden, sich über die Länge des Verbindungsteils 79 und dieses überdeckend erstreckende Hülse 80 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 Spannungsteiles 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 Vakuumsverluste 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 8? vorgesehen.

Von dem Hauptgehäuse 71 nach außen ragend und eine rechteckige öffnung 86 des Hauptgehäuses umgebend ist ein Abstandsteil 87 hohjer Konfiguration angeordnet, an dessen von der öffnung 86 abgewandten Ende ein Elektronenfenster dichtend angebracht ist Das Elektronenfenster besteht, wie am besten in F i g. 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 W der inneren Hülle 73 sind jeweils mit Gittern 91 und 92 ■ abgedeckt. Die Gitter 91 und 92 können wie am besten in F i g. 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 Gitter 92

steht in elektrischem Kontakt mit der inneren Hülle 73.

Dadurch, daß das Elektronenfenster am äußersten

Ende des Abstandsteils 87 entfernt von dem auf hohem negativen Potential liegenden Gitter 92 angeordnet ist und daß zwischen dem Elektronenfenster und dem Gitter 92 das Gitter 91 auf Erdpotential angeordnet ist wird eine Beschädigung des Elektronenfensters und

is besonders der Folie 84 infolge von auftretenden Lichtbögen verhindert.

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 sich in bezug auf die Hülle 73 auf positivem Potential befindet, und andererseits des Schutzes des Elektronenfensters vor Beschädigungen infolge eines auftretenden Lichtbogens.

Die beschriebene Elektronenstrahlvorrichtung ist auf vielen Gebieten verwendbar, besonders nützlich ist sie 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, bis zu 30 cm und mehr, zu verwenden. Die Verwendung von hohen Drücken und großen Abmessungen vermeidet die niedrige Energiedichte eines Niederdruckgaslasers, welche zur Erzeugung von Ausgängen hoher

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 kann die beschriebene Vorrichtung als Elektronenstrahlionisierer mit einer Spannung in der Größenordnung von 150 kV vorgese-

«5 hen werden, um eine nutzbare Ionisierung für solche Abstände und Drücke zu erzielen. Weiter ermöglicht ein solcher Elektronenstrahlionisierer eine kontinuierliche Ionisierung über große Volumen und eliminiert somit die Notwendigkeit sich wiederholender Impulsionisie-

rung in einem Laser. Darüber hinaus kann die Elektronenstrahlionisierung einfach, bequem und zuverlässig durch Ändern der Elektronenenergie oder des Elektronenstroms gesteuert werden. Der Elektronenstrom kann verändert werden durch Ändern der Spannung zwischen Gitter und Faden im raumladungsbegrenzten Bereich. So können die Ionisationshöhe und z.B. ein Laserausgang einfach und zuverlässig durch Steuern von Spannungen in Schaltungen geringer Energie und niedriger Spannung gesteuert werden.

Diese Möglichkeit der Steuerung zusammen mit der Fähigkeit des breitflächigen Elektronenstrahls, auf eine echt kontinuierliche Weise zu ionisieren, machen die beschriebene Elektronenstrahlvorrichtung sehr geeignet zum Ionisieren eines Arbeitsmediums in beliebiger

«S Anwendung, wo es wünschenswert oder bequem ist, die Ionisierung vom Aufrechterhalten einer Entladung zu trennen. In vielen Anwqndungsformen 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 beschriebene Vorrichtung

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ist für diese Art von Verwendung besonders geeignet, da sie auf einfache, wirtschaftliche und zuverlässige Weise einen breitflächigen Elektronenstrahl ergibt, weicher die erforderliche Energie und Gleichmäßigkeit hat, um gleichmäßige Verstärkung und optische Eigenschaften in dem gesamten Arbeitsmedium zu ergeben.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Elektronenstrahlvorrichtung zum Bestrahlen eines außerhalb der Vorrichturig angeordneten Bereiches mit einem Elektronenstrahl, bestehend aus einem evakuierten Hauptgehäuse, welches mit Abstand eine Elektronenemissionseinrichtungen enthaltende innere Hülle umgibt, die Elektronen emittierende geheizte Fäden enthält, welche mit gleichmäßigem im Verhältnis zu den Abmessungen der inneren Hülle kleinem Abstand zueinander angeordnet sind, bei der das Hauptgehäuse eine öffnung aufweist, die durch ein Elektronenfenster abgedichtet ist, das zu den geheizten Fäden parallel ist, einer zu ihm parallelen öffnung in der inneren Hülle gegenüberliegt und das Austreten von durch die öffnung der inneren Hülle von den geheizten Fäden abgegebenen Elektronen, die den gewünschten Elektronenstrahl darstellen, aus dem Hauptgehäuse ermöglicht, dadurch gekennzeichnet, daß die öffnung (14; 88) der als Faraday'scher Käfig ausgebildeten inneren Hülle (13,73) mit einem für Elektronen durchlässigen, elektrisch leitenden Gitter (35; 92) versehen ist welches gegenüber dem Elektronenfenster (37; 84) auf einem hohen negativen Potential liegt, und daß das Potential der geheizten Fäden (18; 78) gegenüber dem Gitter (35; 92) so gewählt ist, daß sich zwischen den geheizten Fäden (18; 78) und dem Gitter (35; 92) eine negative Raumladung ausbildet.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gitter (35; 92) und die Öffnung (12; 86) des Hauptgehäuses (11; 71) symmetrisch um die Längsachse des Elektronenstrahls angeordnet sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die innere Hülle (13; 73) mechanisch und elektrisch über ein sich dichtend durch eine Wand (21) des Hauptgehäuses (11; 71) und elektrisch von dieser isoliert erstreckendes rohrförmiges Verbindungsteil (19; 79} mit einem außerhalb des Hauptgehäuses (11; 71) angeordneten Hilfsgehäuse (24; 74) verbunden ist, welches Energieversorgungseinrichtungen (31, 32) enthält, die mit den geheizten Fäden (18; 78) elektrisch über Drähte (33,33', 33") verbunden sind, die ihrerseits in dem rohrförmigen Verbindungsteil verlaufen und sich 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 Impulsschaltung (32) zum Steuern des Potentials der geheizten Fäden (18; 78) in bezug auf das Potential der inneren Hülle (13; 73) enthalten.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Innere des Hilfsgehäuses (24; 74) auf Atmosphärendruck gehalten ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das die öffnung (86) des Hauptgehäuses (71) abdichtende Elektronenfenster (84) am äußeren Ende eines von dieser öffnung nach außen ragenden hohlen Abstandsteils (87) angeordnet ist, und ein zweites elektrisch leitendes, für Elektronen durchlässiges Gitter (91) in der öffnung selbst angeordnet und auf dem positiven Potential des Hauptgehäuses gehalten ist (F i g. 5).

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Elektronenfenster (37; 84) aus einer über einer perforierten metallischen tragenden Platte (38; 85) angeordneten, diese überdeckenden Folie besteht und die Platte auf dem gleichen Potential wie das Hauptgehäuse (11; 71) gehalten ist