DE2355102A1

DE2355102A1 - Linearbeschleunigungssystem

Info

Publication number: DE2355102A1
Application number: DE19732355102
Authority: DE
Inventors: Cord Dipl Phys Dr Passow
Original assignee: Gesellschaft fuer Kernforschung mbH
Current assignee: Gesellschaft fuer Kernforschung mbH
Priority date: 1973-11-03
Filing date: 1973-11-03
Publication date: 1975-05-15
Also published as: JPS5074099A; FR2250255B1; GB1485273A; JPS587040B2; DE2355102B2; FR2250255A1; NL7411250A; NL158685B; DE2355102C3; US3952255A

Description

GESELLSCHAFT FOR : Karls rune, den 22. Oktober 1973

KERNFORSCHUNG MBH PLA 73/59 Ga/s-z-' "

Linearbeschleunigungssystein

Die Erfindung betrifft ein Linearbeschleunigungssystein zur Erzeugung von hochenergetischen Elektronen von hoher Energiekonstanz und Rieht s tr ahlwerten. ·

Für u.a. die Elektronenmikroskope werden Beschleuniger benötigt, die Elektronen auf hohe Energien bringen. Es sind Beschleuniger bekannt (Reinhold, G. IEEE Transactions on Nuclear Science, June 1967, Vol. NS-14, No. 3), bei denen zur Erzeugung hoher Beschleunigungsspannungen(75O KeV.bis 1,5 MeV) elektrostatische Generatoren mit oder ohne Drucktank verwendet werden. Diese Geräte wären.jedoch für Energien über 1 MeV extrem groß und die sich daraus ergebenden Kosten für die Bauten, die bei Erhöhung der erforderlichen Beschleunigungsspannung noch ungemein steigen, sehr hoch. '

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— ο _

Auch ist bereits die Verwendung von Hochfrequenz-Linearbeschleuni-"gern als Spannungsquelle .vorgeschlagen worden (Klema, D./ANL"7275 Proceedings of the Amu AnI Workshop on high Voltage Electron Microscopy, Argonne Laboratory, June 13 - July 15, 1966) . In diesem Linearbeschleuniger werden mit Hilfe von entsprechend geformten Hohlraumresonatoren hochfrequente Felder so erzeugt, daß die Wellen entlang einer vorgegebenen Achse mit gewählter Phasengeschwindigkeit laufen und ein elektrisches Feld in Richtung dieser Achse besitzen. Dieses Feld kann die Fourier-Komponente einer komplizierten Feldverteilung sein. Die Teilchen werden nun aus einer elektrostatischen Quelle zum entsprechenden Zeitpunkt in das Feld eingeschossen und sehen stets ein elektrisches Feld in ihrer Flugrichtung. Sie werden dementsprechend beschleunigt. Die Verwendung von elektrostatischen Quellen ist jedoch von Nachteil, denn die Energieauflösung ist gering und die Helligkeit der Quellen ungenügend, da zwischen der Quelle und einem nachfolgenden Beschleunigungssystem ein Shopper oder dergleichen angeordnet werden muß, der aus dem als Gleichstrom anfallenden Elektronenstrom einen gepulsten Strom erzeugen muß.

Die Aufgabe der Erfindung besteht nunmehr darin, ein Beschleunigungssystem für Elektronen bis zu 10 MeV zu finden, das eine genügend große Energiekonstanz bei ausreichend hohen Richtstrahlwerten aufweist und/oder einen gepulsten Strahl liefert.

Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Hochfrequenzfeldemissionsquelle als Quelle von gepulsten Elektronenstrahlen, durch einen dieset Hochfrequenzemissionsquelle nachgeschalteten Vorbeschleuniger mit einer Betriebsfrequenz, die niedriger ist als die Arbeitsfrequenz der Quelle, und einer derartigen Längenr- und Beschleunigungsfelderbemessung, daß die Verteilung der Elektronen im Phasenraum während der Beschleunigung bis zum Ausgang des Vorbeschleunigers um einmal oder ein mehrfaches von 180 gedreht ist, und durch einen diesem Vorbeschleuniger nachgeordneten Haupfcbeschleuniger, dessen

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Länge und Beschleunigungsfelder derart bemessen sind, daß die Elektronen, die beim Einschuß in den Hauptbeschleuniger eine Energieabweichung aufweisen, um den Differenzbetrag zu den Elektronen mit minimaler Energie geringer beschleunigbar sind.

Eine vorteilhafte Äusgestaltungsform der Erfindung sieht vor, daß die Drehung der Phase der Verteilung der Elektronen im Vorbeschleuniger durch Einschuß der Schwerpunkte der Impulse aus Elektronen in den Vorbeschleuniger mit einer Phase ungleich Null zum Wellenmaximum der Beschleunigerwelle erfolgt.

Eine besondere Weiterführung der Erfindung sieht vor, daß der Schwerpunkt der Impulse aus Elektronen aus dem Vorbeschleuniger mit. der.Phase Null relativ zum Maximum der Beschleünigerwelle des Hauptbeschleunigers in den Hauptbeschleuniger einschießbar sind und daß die Elektronen diese Phase im Hauptbeschleuniger beibehalten.

Ausgestaltungsformen der Erfindung sehen vor, daß die Hochfreguenzfeldemissionsquelle mit einer Arbeitsfrequenz von 24. GHz arbeitet, während der Vor- und Hauptbeschleuniger mit einer Betriebsfrequenz von 3 GHz arbeiten.

Weiterführungen des erfindungsgemäßen Linearbeschleunigungssystems · können zur Reduzierung der aufzubringenden Leistung sowie zur Erzielung größerer Peldstabilitäten vorsehen, daß dieInnenwandungen von der Hochfrequenzfeldemissionsquelle und der Vor- und Hauptbeschleuniger- aus supraleitendem Material bestehen oder mit supraleitendem Material beschichtet sind.

Die besonderen Vorteile der Erfindung sind darin zu sehen, daß die Richtstrahlwerte durch Verwendung einer Hochfrequenzfeldemissionsquelle erhöht werden. Die Energiekonstanz und Energieverteilung im Strahl wird durch eine Anpassung der Quelle an das Beschleunigüngssystem und eine besondere Auslegung des Beschleunigers klein gehalten. Hierdurch werden die wesentlichen Nachteile der Hochfrequenzbeschleuniger als Spannungsquelle aufgehoben. Der Linearbeschleuniger gemäß der Erfindung wird kleiner und weniger aufwendig

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bezüglich der Herstellungs- und Unterbringungskosten. Es kann in einem normalen Laboratorium aufgestellt werden. Zusätzlich kann der gepulste Strahl in gewissen Fällen elektronenoptisch besser verarbeitet, da chromatische und sphärische Fehler z.B. unter Verwendung von Hochfrequenzlinsen korrigiert werden können, und die Arbeitsenergie für Elektronenmikroskope auf den Bereich zwischen 5 und 10 MeV erweitert werden kann.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels mittels der Figuren 1, 2a bis 2c und 3 beschrieben.

Die Figur 1 zeigt dabei den schematischen Aufbau des Beschleunigungssystems ,

die Figuren 2a bis 2c die zeitliche Energieverteilung des Elektronenstrahls nach der Quelle, nach dem Vorbeschleuniger und nach dem Hauptbeschleuniger und

Figur 3 eine Hochfrequenzfeldemissionsquelle.

Die Figur 1 zeigt den schematischen Aufbau des Beschleunigungssystems, bestehend im wesentlichen aus der Hochfrequenzfeldemis-· sionsquelle 1, dem Vorbeschleuniger 2 und dem Hauptbeschleuniger 3, welche entlang einer bestimmten Achse, der ζ-Achse, hintereinander angeordnet sind. Alle drei. Teile sind in einem nicht näher dargestellten Vakuumsystem enthalten, welches außerdem noch von außen gekühlt werden kann. Als Hochfrequenzfeldemissionsquelle 1 wird eine Quelle verwendet, die in Figur 3 noch näher beschrieben ist. Ihre Arbeitsfrequenz liegt bei 24 GHz. Die Phasen/Energieabhängigkeit der aus der Öffnung 4 tretenden Elektronen ist im Schnitt zwischen der Quelle 1 und dem Vorbeschleuniger 2 schematisch dargestellt (siehe noch Figur 2a).

In einem nicht allzu großen Abstand von der Quelle 1 liegt der Vorbeschleuniger 2 mit einer Eintrittsöffnung 5 von der Größenordnung von 1 mm Durchmesser. Der Vorbeschleuniger 2 und der Hauptbeschleuniger 3 können mit laufenden Wellen oder als Resonatoren betrieben werden. Dargestellt sind welche mit laufenden Wellen. Zur Erhöhung der Güte aller drei Bauteile 1 bis 3 können die Innenwände aus supraleitendem Material bestehen bzw. die Teile selbst aus supraleitendem Material hergestellt sein. Der Vorbeschleuniger

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besitzt eine Länge von ca. 120 cm und beschleunigt die Elektronen mit einem Wert von maximal 3 MeV/m. Die Betriebs frequenz des Vorbeschleunigers und auch die des Hauptbeschleunigers liegt bei 3 GHz. Der Durchmesser der Vor- und Hauptbeschleunigers liegt bei ca. 20 cm. Die Länge des Hauptbeschleunigers 3 ist auf ca. 60 cm bemessen_r seine Beschleunigung liegt bei 3 MeV/m, '

Die Stromquelle 1 ist die,z.B. supraleitende, Hochfrequenzfeld— emissionsquelle 1, welche gepulste Elektronenstrahlen erzeugt, die wiederum in einem nicht näher dargestellten Elektronenmikroskop verwendbar sind. Der Elektronenstrahl 6 enthält Elektronen, die in Abhängigkeit ihrer Phase Φ zur Hochfrequenz f_ der Quelle bis zu 6 % Energieabweichung Λ E„ besitzen. Die Abhängigkeit der Phase φ von der Energie E ist in Figur 2a dargestellt. In dieser Darstellung ist auch die Verteilung der Elektronen als variable Schwärzung dargestellt. Der Puls ist etwa 40 breit, was einer Phasenbreite von 2φ_ο entspricht.

Zur Reduzierung dieser Phasenbreite 2Φ- wird der auf die Quelle 1 folgende Vorbeschleuniger 2 und der Hauptbeschleuniger 3 mit einer niedrigeren Frequenz (3 GHz) als die Quelle l(mit 24 GHz) betrieben. Dadurch werden die unharmonischen Schwingungen der Teilchen (Elektronen) im Phasenraum, die den im folgenden beschriebenen. Prozeß stören würden, reduziert.

Der Vorbeschleuniger 2 ist bezüglich seiner Länge und der erregten Beschleunigungsfelder so zu bemessen, daß die Verteilung der Elektronen 6 im Phasenraum während der Beschleunigung um 180 (oder. um ein vielfaches davon) gedreht wird. Dies geschieht, indem der-Schwerpunkt der Impulse 6 mit einer Phase zu demWellenmaximum eingeschossen werden, die ungleich Null ist. Voraussetzung dazu ist, daß die Bewegungen im Phasenraura harmonisch verlaufen.

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Es wird dadurch eine Phasenverteilung ψ über E erhalten, welche in Figur 1 zwischen dein Vorbeschleuniger 2 und dem Hauptbeschleuniger 3- schematisch, aber in Figur 2 genauer dargestellt ist. Eingezeichnet ist außerdem noch die Phasenverteilung nach Figur 2a und,durch Pfeile angedeutet^die Drehrichtung dieser impulse. Der neue Impuls 7 (bzw. dessen Phasenverteilung) besitzt eine Phasenbreite©I, welche geringer ist als 2 <j> . Die Verteilung der Elektronen innerhalb des Impulses 7 ist wieder durch unterschiedliche Schraffur dargestellt; in Maximum 8 ist die Elektronenyerteilung sehr dicht.

Um z.B. eine derartige Drehung um 180 bzw. ein vielfaches davon im Phasenraum zu erhalten, muß die Bedingung 1 und die Bedingung 2 erfüllt sein.

Bedingung 1

SiJ* _Ä Ti- η

Bedingung 2

JLjL.Jß

Dabei ist SL gleich der Phasenschwingungsfrequenz. Alle Bedingungen sind unter der besonderen Annahmejformuliert, daß$£=--*K) · Z_o/Z ist, wobei Jt- Z eine Konstante bildet:

Bedingung 3

Ffr - ^L±

T P

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Hier sind F'= F(ζ) die Feldstärke im Vorbeschleuniger und yi — Js (z) die Phase zwischen dem Schwerpunkt des Impulses 7 und der Hochfrequenzwelle im Vorbeschleuniger 2, während ζ die Koordinate entlang der Hauptachse nach Figur 1 ist. Weiterhin ist η eine ungerade Zahl und ρ = p(z) der Impulse der Teilchen. In der Bedingung 1 muß ζ = ζ, .(Eingang 5 des Vorbeschleunigers 2) bis ζ (Ausgang 18 des Vorbeschleunigers 2) integriert werden. Die zweite Bedingung sagt aus, daß die in den Klammern dargestellte Differentialgleichung für die Injektion und den Austritt aus dem Vorbeschleuniger 2 erfüllt sein muß.

Der Hauptbeschleuniger 3 ist derart zu bemessen» daß der Schwerpunkt der Impulse 7 (in Figur 1 schematisch zwischen Vor- und Hauptbeschleuniger 2 und 3 dargestellt) mit der Phase Null relativ zum Maximum der Beschleunigerwelle im Hauptbeschleüniger eingeschlossen wird und während des Beschleunigungsprozesses diese Phase φ beibehält. Weiterhin ist die Länge des Hauptbeschleunigers

3 so zu bemessen, daß die Teilchen (impuls 7) mit der beim Einschuß 19 vorhandenen Energieabweichung exakt um den Differenzbetrag zu den Teilchen mit minimaler Energie geringer beschleunigt werden. Die Teilchen besitzen daher am Ende 20 des Hauptbeschleunigers 3 unabhängig von der Phase φ die gleiche Energie. Dies ist in Figur 2c dargestellt. Die Verteilung der Energie E im Strahl ist lediglich durch die Energieverteilung der aus der Quelle 1 heraustretenden Elektronen gegeben. Die mittlere Breite <Χ·Δε wird um ca. einen Faktor 2 vergrößert.. Zur besseren Übersicht ist wiederum der Impuls 7 eingezeichnet, mit zusätzlichen Pfeilen,"welche die Richtung der Streckung des Impulses 7 darstellen sollen.

Die Beendigung, die für diese Streckung der Verteilung im Hauptbeschleuniger 3 erfüllt werden muß, ist im folgenden als Bedingung

4 aufgezeigt. .

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Bedingung 4

Dabei bedeutet E_M den Energiegewinn im Hauptbeschleuniger 3,

E den Energiegewinn in der Quelle 1, f_Q die Betriebsfrequenz der

Quelle 1, f_, die Betriebsfrequenz des Vorbeschleunigers 2 und des

3
Hauptbeschleunigers 3 und«* den Vorbeschleunigungs-Faktor.

Eine nicht unbedingt notwendige., aber vorteilhafte weitere
Bedingung 5

ist zur Erreichung einer minimalen Abhängigkeit von Feldfehlern
am Eingang in den Vorbeschleuniger 2 und am Ausgang aus dem Vorbeschleuniger 2 zu .erfüllen.

Werden alle diese Bedingungen exakt erfüllt, so kann ein Elektronenstrahl erhalten werden, dessen Energie bis zu 10 MeV erhöht ist und dessen Energiekonstanz bzw. dessen Richtstrahlwerte extrem
hoch sind.

In Figur 3 ist eine einfache Hochfrequenzfeldemissionsquelle 1,
wie sie in der Anordnung nach Figur 1 verwendet werden kann, dargestellt. Sie besteht aus zwei Teilen 9 und 10, welche miteinander verbindbar sind. Sie schließen eine Ausnehmung 11 ein, welche als Resonator dient. Die Einspeisung von Energie erfolgt über die Zuführung 12. Auf dem erhabenen Boden 13 des Teiles 10 ist zentral
eine Feldemissionskathode 15 auf einem Stab 14 angeordnet. Die
Feldemissionskathode 15 steht in geringem Abstand von der Irisblende 16 entfernt. Die durch die Zuführung 12 eingekoppelte Energie erzeugt in der Kavität 11 eine stehende Welle mit einer Frequenz von

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24 GHz. Das Spannungsmaximum liegt zwischen der spitz ausgeführten (punktförmigen) Feldemissionskathode 15 und dem gegenüberliegenden Abschluß 17 der Kavität 11. Das somit erzeugte elektrische Feld
zieht aus der Kathode 15 Elektronen heraus, die die irisblende 16 als Impulse 6 (siehe Figur 1 und 2a) verlassen.

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Claims

GESELLSCHAFT FÜR Karlsruhe, den 2 2. Oktober 1973

KERNFORSCHUNG MBH PLA 73/59 Ga/sz

Patentansprüche ;

1/ Linearbeschleunigungssystem zur Erzeugung von hochenergetischen Elektronen hoher Energiekonstanz und Richtstrahlwerte, gekennzeichnet durch eine Hochfrequenzfeldemissionsguelle (1) als Quelle von gepulsten Elektronenstrahlen (6), durch einen dieser Hochfrequenzfeldemissionsquelle (1) nachgeschalteten Vorbeschleuniger (2) mit einer Betriebsfrequenz (f_Q)# die niedriger ist als die Arbeitsfrequenz (f_) der Quelle (1), und einer derartigen Längen- und Beschleunigungsfelderbemessung, daß die Verteilung der Elektronen im Phasenraum während der Beschleunigung bis zum Ausgang (18) des Vorbeschleunigers (2) um einmal . oder ein mehrfaches von 180 gedreht ist, und durch einen diesem Vorbeschleuniger (2) nachgeordneten Hauptbeschleuniger (3), dessen Länge und Beschleunigungsfelder derart bemessen sind, daß die Elektronen, die beim Einschuß. (19) in den Hauptbeschleuniger' (3) eine Energieabweichung aufweisen, um den Differenzbe— trag zu den Elektronen mit minimaler Energie geringer beschleunigbar sind.
2. Linearbeschleunigungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehung der Phase (φ ) der Verteilung (6, 7) der Elektronen im Vorbeschleuniger (2) durch Einschuß (5) der Schwerpunkte der Impulse aus Elektronen (6) in den Vorbeschleuniger (2) mit einer Phase ( O). ungleich Null zum Wellenmaximum der Beschleunigerwelle erfolgt.
3. Linearbeschleunigungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwerpunkt der Impulse (7, 8) aus Elektronen aus dem Vorbeschleuniger (2) mit einer Phase (ψ) "Null" relativ zum Maximum der Beschleunigerwelle des Hauptbeschleunigers (3) in den Hauptbeschleuniger (3) einschießbar sind, und daß die Elektronen diese Phase (Φ) im Hauptbeschleuniger (3) beibehalten.

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4. Linearbeschleunigungssystem nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Hochfrequenzfeldemissionsquelle (1) mit einer Arbeitsfrequenz (f ) von 24 GHz arbeitet«
5. Linearbeschleunigungssystem nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, ausgenommen Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß Vor- und Hauptbeschleuniger (2.und 3) mit einer Betriebsfrequenz (f ) von 3 GHz arbeiten.
6. Linearbeschleunigungssystem nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenwandungen (11) von Hochfrequenzfeldemissionsquelle (1) , und Vor-und Hauptbeschleu-· niger (2 und 3) aus supraleitendem Material bestehen oder mit supraleitendem Material beschichtet sind.

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