DE2255273C2 - Magnetisches Ablenkjoch zum Parallelausrichten der divergierenden Strahlen eines Strahlenbündels elektrisch geladener Teilchen, insbesondere bei einem Elektronenbeschleuniger - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft ein magnetisches Ablenkjoch zum Parallelausrichten der divergierenden Strahlen eines Strahlenbündels elektrisch geladener Teilchen, insbesondere bei einem Elektronenbeschleuniger, das zwei zueinander im Abstand parallele Traversen aus magnetisch leilendem Material aufweist und bei dem zwischen den Traversen ein sich längs diesen nach Richtung und Flußdichte änderndes Magnetfeld erzeugt ist.

Elektronenbeschleuniger werden gewöhnlich zur Bestrahlung eines Gegenstands durch einen Elektronenstrahl verwendet, der innerhalb einer evakuierten Gehäusekammer erzeugt wird und aus dieser Kammer durch eine Öffnung In einer Kammerwandung tritt. Das Kammervakuum wird durch eine Dichtung gewöhnlich In der Form eines elektronendurchlässigen Fensters aufrechterhalten, das aus einer dünnen Metallfolie wie z. B. einer Aluminiumfolie besteht, die in dieser Öffnung angeordnet lsi. Der Elektronenstrahl wird von einer Kathode emittiert, die an einem Ende der Kammer angeordnet ist. und wird durch eine Anode infolge einer großen Potentialdlfferenz zwischen dieser und der Kathode beschleunigt lind auf die Anode gerichtet. Das elektronendurchlässige Fenster kann Teil der Anode sein oder diese auch vollends bilden.

Um die Unversehrtheit des Fensters gegenüber der Energie des Elektronenstrahls zu gewährleisten, wird der Strahl gewöhnlich In ein Bündel aus einer unbegrenzten Anzahl winkelig divergierender Einzelstrahlen zerlegt, die längs des Fensters auf dieses aufprallen. Auch Ist es vorteilhaft, eine Verwerfung des Fensters unter der Einwirkung der vom Atmosphärendruck hervorgerufenen Ki ifte dadurch zu verhindern, daß das Fenster mit einer Gitterstruktur zu seiner Abstützung versehen wird

Hierzu müssen die einzelnen Streben des Gitters, deren Querschnitt aus Steifigkeitsgrönden eine verhältnismäßig große Lange quer zur Fensierebene aufweist, mit diesem Querschnitt in Winkeln zueinander orientiert sein, die der Winkelbeziehung zwischen den einzelnen Elektronenstrahlen entsprechen, um den vom Aufprall der Elektronensirahlen auf die Gitterstreben bewirkten Energieverlust auf einem Kleinstwert zu halten. Solche Gilter sind wegen der genau zu beachtenden unterschiedlichen Winkelstellungen der Gitterstreben teuer und schwierig herzustellen.

Es ist deshalb bereits beschrieben worden (DE-OS 19 06 951), die divergierenden einzelnen Elektronenstrahlen des Strahlenbündels vor dem Durchtritt durch das Fensrer mit Hilfe eines magnetischen Feldes wieder parallel zueinander verlaufend zu richten, wozu sich das quer zur Längsrichtung des Fensters erstreckende Magnetfeld an den Fensterenden die größte magnetische Flußdichte mit entgegengesetzten Richtungen an den beiden Fensterenden aufweisen und zur Längsmitte des Fensters hin auf Null abnehmen muß. Bei dem bekannten Elektronenbeschleuniger ist hierzu ein magnetisches Ablenkjoch der eingangs genannten An vorgesehen, bei welchem die beiden Traversen an den Enden durch Permanentmagnete verschiedener Polarität miteinander verbunden sind, die das Magnetfeld zwischen den Traversen erzeugen sollen.

Da das vorbekanr>Ce magnetische Ablenkjoch einen in sich geschlossenen Eisenkreis darstellt, in welchem die beiden Permanentmagnete gleichgerichtet hintereinander liegen, wird infolgedessen der magnetische Fluß hauptsächlich innerhalb dieses Eisenkreises verlaufen, und die Parallelausrichtung der divergierenden Strahlen des Strahlenbündels wird nur durch das verhältnismäßig schwache Streufeld zwischen den beiden Traversen hervorgerufen werden, was für eine wirksame Parallelausrichtung äußerst starke Permanentmagnete erfordert. Außerdem hat es sich als schwierig herausgestellt, den gewünschten Verlauf in der Abnahme der magnetischen Flußdichte von den Enden des Fenve^s zu dessen Längsmitie zu erzielen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein magnetisches Ablenkjoch der eingangs genannten Art zu schaffen, das ohne derartige starke Permanentmagnete den für die Parallelausrichtung der divergierenden Strahlen des Strahlenbündels erforderlichen Verlauf der magnetischen Feldstärke erbringt.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Traversen magnetisch voneinander getrennt sind und je eine Anzahl auf sie gewickelter, identisch ausgebildeter Spulen tragen, die auf den beiden Traversen dieselbe ist, und daß sowohl die Spulen auf der einen Traverse als auch die Spulen auf der anderen Traverse in Abständen längs der Traverse angeordnet sind.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Ein bevorzugtes Ausführungsbcisplel des erfindungsgemäßen magnetischen Ablenkjochs wird nachstehend in Verbindung mit der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

FIg, 1 in §chemat|scher Darstellung und teilweise im Schnitt einen Elektronenbeschleuniger mit dem das Ausführungsbeispiel bildenden Ablenkjoch,

Fig. 2 einen Schnitt nach Linie 11-11 In Fi g. I zur Veranschaulichung des Gitter- und Fensteraufbaus des Elektronenbeschleunigers.

Fl g. 3 eine Draufsicht auf das Ablenkjoch in größerem Maßstab,

Fig.4 eine Stirnanslcht des Ablenkjoch nach Fig. J,

Fig.5 ein Diagramm mit dem Verlauf der von dem Ablenkjoch erzeugten magnetischen Flußdichte bei einer bestimmten Anordnung der Spulen auf den Traversen des Jochs und

Fig. 6 ein Diagramm ähnlich dem nach Fig. 5 für eine abweichende Anordnung der Spulen.

In den Fig. I und 2 ist mit 10 die evakuierte Gehausekammer eines Elekuonenbeschleunigers bezeichnet. Der Elektronenbeschleuniger hat einen rohrförmigen Teil 12 und einen Trichter 14. Der Trichter 14 hat divergierende Seitenwandungen und rechteckigen Querschnitt. Weiterhin ist der Trichter 14 mit Verstärkungsrippen 16 versehen. An den Trichter 14 schl.eßt sich ein Verlängerungsstück 18 bei 20 an, und mit diesem sind eine Gitterstruktur und ein elektronendurchlässiges Fenster, die in ihrer Gesamtheil mit 22 bezeichnet sind, bei 24 angebracht.

Die Gitterstruktur besteht aus parallelen Rippen 26. die sich über das offene Ende 28 der Trichterverlängerung 18 erstrecken. Die parallelen Rippen 26 der Gitterstruktur stützen ein elektronendurchlässiges Fenster 30 ;b, das typisch aus einer dünnen Metallfolie, beispielsweise einer Aluminiumfolie, besteht. Das rohrförmige Teil 12, der Trichter 14. der Trichteransatz 18 und die Gitter- und Fenstersirukiur 22 bilden zusammen eine evakuierte Kammer 32. Vorzugsweise sind die die Kammer 32 bildenden Teile aus nichtmagnetischem Material, wie z. B. unmagnetischem Edelstahl hergestellt.

An einem Ende der Kammer 32 befindet sich eine stark vergrößert dargestellte Kathode 34. die einen Elektronenstrahl auszusenden vermag. Ein Paar elektromagnetischer Spulen 36 und 38 zum Auffächern des von der Kathode ausgesandten Elektronenstrahlbündels befinden sich an entgegengesetzten Längsseiten des rohrförmigen Teils 12. Auf dem Fachgebiet der Elektronenbeschleuniger ist es allgemein bekannt, das Auffächern des von der Kathode 34 emittierten Elektronenstrahles durch Änderung des Verhältnisses der durch die Wicklungen 36 und ?8 fließenden Ströme zu bewirken (vgl. z. B. die eingangs genannte DE-OS 19 06 951).

Nahe dem erweiterten Ende des Trichters 14 ist ein Ablenkjoch 40 für den Elektronenstrahl angeordnet.

Im Betrieb des Elekironenbeschleunigers 10 wird die Kammer 32 evakuiert, und es wird von der Kathode 34 ein Elektronenstrahl geringen Durchmessers ausgesandt. Dieser Strahl ist längs der Mittelachse 42 der Kammer 32 gerichtet und wird innerhalb der Kammer 32 aufgrund einer großen Potentialdifferenz zwischen der Kathode 34 und der aus der Gitter- und fensterstruktur 22 am anderen Ende der Kammer 32 gebildeten Anode stark beschleunigt. '.Venn der Elekironenstrahl das zwischen den Spulen 36 und 38 befindliche und von diesem erzeugte magnetische Feld erreicht, wird er in eine unbegrenzte Zahl winkelig divergierender Einzelstrahlen zerlegt, die teilweise durch Linien 44 veranschaulicht sind. Diese Winkelzerlegung ist so dargestellt, als ob sie an einer Stelle 46 erfolgt. Da jeder Elektronenstrahl längs einer der divergierenden Linien 44 gerichtet ist. gelangt er in das vom Ablenkjoch 40 erzeugte magnetische Feld. .Sobald der Elektronenstrahl durch d;is Ablenkjoch 40 hindurchtrlli. wird er erneut abgelenkt, so daß er weiter in parallelen Pfaden 48 verläuft Es verdient Beachtung, daß der Betrag der erforderlichen Ablenkung von der einen Außenseite des Beschleunigers /u dessen Mittelachse 42 hin abnimmt und dann erneut wieder zunimmt, jedoch in entgegengesetzte¹ Richtung. Somli muß das Ablenkjoch 40 ein magnetisches Feld erzeugen, das sich sowohl in seiner Flußdichte als auch in seiner Richtung von einem zum anderen Ende hin ändert.

Es wird nunmehr Bezug genommen auf die Draufsicht nach Fig.3 und die Vorderansicht nach Fig.4, welche die Lage der Öffnung des Trichters 14 im Verhältnis zum Ablenkjoch 40 veranschaulicht. Das Ablenkjoch 40 besteht aus einer ersten Traverse 50 und einer zweiten Traverse 52. Die Traversen 50 und 52 liegen im Abstand zueinander parallel, bestehen aus magnetischem Material

ίο und haben vorzugsweise rechteckigen Querschnitt zum Zwecke einer Vergrößerung der Länge des magnetischen Feldes, durch das der Elektronenstrahl hindurchtreten muß. Abstandhalter 54 und 56 aus nichtmagnetischem Material dienen zur Aufrechterhaltung des Abstandes zwischen den Traversen 50 und 52.

Eine Vielzahl schraubenförmig gewundener Spulen 58 ist in Abständen auf der Länge der Traverse 50 verteilt. In ähnlicher Weise ist eine Vielzahl schraubenförmig gewundener Spulen 60 auf der Länge der Traverse 52 verteilt. Vorzugsweise sind auch die Spulen 58 und 60 rechteckig ausgebildet. Gemäß Fig. 4 bestenr-n die Spulen 58 und 60 aus einem einzigen fortlaufenden Leitungsdraht 62. Damit ist veranschaulicht, daß die Spulen in Reihe zueinander geschaltet sein können. Die Anzahl der Wicklungen in den Spulen und die Anzahl der Spulen selbst kann in Anpassung an die jeweiligen Erlordernisse geändert werden. Auch ist es möglich, die Spulen auf der Traverse 50 in Reihe miteinander und ebenso die Spulen auf der Traverse 52 in Reihe miteinander zu schalten und

jo dann diese Reihenschaltungen parallel an eine elektrische Energiequelle anzuschließen. Natürlich können die Spulen auch gruppenweise geschaltet und getrennt von der Energiequelle erregt werden. Darüber hinaus können die Spulen in gleichmäßigen Abständen auf ihren zugehörigen Traversen angeordnet sein, oder die Abstände können variiert werden, um erforderlichenfalls den gewünschten Verlauf des magnetischen Flusses zu erzielen.

In Fig. 4 ist der Verlauf des von den Spulen 58 und 60 erzeugten magnetischen Flusses durch gestrichelte Linier mit Pfeilen dargestellt, weh he die Richtung des magnetischen Feldes angeben. Linivs der Mittelachse 64 verläuft der magnetische Fluß in der einen und rechts der Mittelachse 64 in der anderen Richtung über den Trichterquerschnitt. Die magnetische Feldstärke Πι(.:πιι in beiden Richtungen von der Mittelachse 64 ab zu. Zweck des Ablenkiochs 40 bei Verwendung in Verbindung mit dem in Fig. 1 dargestellten Elektronenbeschleuniger ist die Schaffung eines magnetischen FeI-

w des. das linear von einem Maximalwert in einer Richtung auf Null längs der Mittelachse 64 und dann linear in entgegengesetzter Richtung bis zu einem Maximum am anderen Ende des Ablenkjochs sich ändert.
In Fig. 5 ist in einem Diagramm der Verlauf der magnetischen Flußdichte des Ablenkjochs, wie er in Fig. 4 dargestellt ist, über der in cm angegebenen Entfernung von der Mittelachse 64 des Steuerjochs 40 aufgetragen. Das Diagramm beschränkt sich auf die eine Hälfte der gesamten Feldverteih .ig. und die Lage der sieben Spulen auf einer jeden der Traversen 50. 52 ist durch die Pfeile unterhalb des Diagramms in Fig 5 veranschaulicht. Das den Diagrammvcrhiuf in Fig. 5 ergebende Ablenkjoch hat insgesamt 28 identische schraubenförmig gewickelte Spulen, die in Reihe miteinander geschaltet sind. Vier-

Ί5 /chn dieser ipulcn befinden sich auf der Traverse 50 und Jie anderen 14 auf der Traverse 52. mit denen der Traverse 50 fluchtend. Die Traversen 50 und 52 bestanden aus Eisen, und die Spulen führten einen Strom von

^;Ί ηιΛ hei einer Betriebsspannung son 8 YnIi. Aus l·- i a. 5 geht hervor, dall der c'iiiucftc Verlauf der magnetischen F lut.klichte ziemlich linear isi und son Null hei der Mittelachse 64 auf einen Maximalwert in einer Fntlernung son .19 cm von der Mittelachse 64 ansteigt.

Das Diagramm in Fi g. 6 zeigt den Verlauf der magnetischen Feldstarke im cm-Ahstand son der Mittelachse 64 des vorbeschriebenen Ablenkiochs. Die bei der Aufnahme des Diagramms nach Fig. 6 benutzte Spulenanordnung war jedoch gegenüber der bei Fi g. 5 serschieders. Die Spulenanordnung bei Fig.fi ist unterhalb des Diagramms durch I¹IOlIe angegeben, und e-> ist ersichtlich, daß die erste Spule 7.5 cm scm der Mittelachse 64 des Ablenkjoch^ 411 entfernt angebracht s\ar. Dies geschah, um eine leichte Niehtlinearitat im zentralen Bereich des Steuerjochs zu schaffen, ssie dies das Diagramm In Fi e 6 ssiedergibt.

Die Diagramme der Fl g 5 und (i veranschaulichen die Tatsache. daß Änderungen in tier Anordnung der Spulen auf den Traversen 50 u id 52 lies Ablenkjochs 40 Veränderungen in der magnetischen Feldserteilung zwischen den Traversen 50 und 52 zur Folne haben

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Magnetisches Ablenkjoch zum Parallelausrichten der divergierenden Strahlen eines Strahlenbündels elektrisch geladener Teilchen, insbesondere bei einem Elektronenbeschleuniger, das zwei zueinander im Abstand parallele Traversen aus magnetisch leitendem Material aufweist und bei dem zwischen den Traversen ein sich längs diesen nach Richtung und Flußdichte änderndes Magnetfeld erzeugt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Traversen (50, 52) magnetisch voneinander getrennt sind und je eine Anzahl auf sie gewickelter, identisch ausgebildeter Spulen (58 bzw. 60) tragen, die auf den beiden Traversen '5 (50, 52) dieselbe ist, und daß sowohl die Spulen (58) auf der einen Traverse (50) als auch die Spuien (60) auf der anderen Traverse (52) in Abständen längs der Traverse angeordnet sind.

2. Ablenkjoch nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, dati sowohl die Spulen (58) auf der einen Traverse (50) als auch die Spulen (SO) auf der anderen Traverse (52) jeweils in Reihe zueinander geschaltet sind.

3. Ablenkjoch nach Anspruch 1 oder 2. dadurch gekennzeichnet, daß die Traversen (50, 52) rechteckigen Querschnitt aufweisen und gleich lang sind.

4. Ablenkjoch nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulen (58, 60) rechteckig gewickelt sind. ~ "