DE2433781A1

DE2433781A1 - Quelle zur erzeugung von elektronen

Info

Publication number: DE2433781A1
Application number: DE2433781A
Authority: DE
Inventors: Cord-Henrich Dipl Phy Dustmann; Helmut Dipl Phys Krauth; Edmund Suess; Wolfgang Dipl Phys Zernial
Original assignee: Gesellschaft fuer Kernforschung mbH
Current assignee: Gesellschaft fuer Kernforschung mbH
Priority date: 1974-07-13
Filing date: 1974-07-13
Publication date: 1976-01-29
Also published as: FR2278149B1; US3988627A; FR2278149A1; GB1513413A; DE2433781C2

Description

GESELLSCHAFT FÜR Karlsruhe, den 4. Juli 1974

KERNFORSCHUNG MBH PLA 74/25 Ga/sz

Quelle zur Erzeugung von Elektronen

Die Erfindung betrifft eine Quelle zur Erzeugung von Elektronen mit einem Gehäuse und einer mit einem Hochspannungsgenerator kontaktierbaren Kathode.

In Teilchenbeschleunigern werden die Nutzteilchen durch in geeigneten Strukturen erzeugte elektrische Felder beschleunigt. Der Energiegewinn pro Längeneinheit, welcher ein Maß für Kosten und Aufwand der Beschleuniger ist, wird durch die maximal mögliche Feldstärke in diesen Strukturen und in Kreisbesenleunigern zusätzlich durch die maximale Feldstärke der Biegemagnete begrenzt. Um Größenordnungen höhere Beschleunigungsraten erhofft man mit kollektiven Beschleunigern zu erreichen, bei denen die Felder möglichst dichter Ladungswolken zur Beschleunigung benutzt werden sollen. Eines der denkbaren Prinzipien eines kollektiven Beschleunigers ist der zur Zeit in mehreren Laboratorien untersuchte Elektronen-Ring-Beschleuniger (H. Schopper, Physikalische Blätter Nr. 24 Seite 201, 255 (1968)), bei dem die erwünschten

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. cfc.

hohen Beschleunigungsfelder durch Bildung eines Elektronenrinaes sehr¹ hoher Ladungsdichte erzeugt werden.

Damit die Vorteile des Elektronen-Ring-Beschleunigers gegenüber anderen Beschleunigern voll zum Tragen kommen können, muß die maximale Feldstärke am Ringrand et^Tia 100 MV/m betragen. Daraus ergeben sich, zusammen mit den speziellen Parametern des Elektronen-Ring-Beschleunigers , Anforderungen an den für den Beschleuniger benötigten Injektor wie z.B. ein Elektronenstrom von mindestens 400 A in'einer Emittanz von 0,1 cmrad bei einer Energie von 2 MeV und einer Pulslänge von einigen Nanosekunden. Ähnliche Strahlanforderungen werden auch bei Elektronenstrahl- gepumDten Hochleistungslasern benötigt.

Bei einer bekannten Anordnung wie dem Febetron Typ 705 der Firma Field Emission Corp. ist ein 160-stufiger Marxgenerator mit einer gespeicherten Energie von 800 J in einem Drucktank untergebracht und liefert bei einer maximalen Ladesoannung von 35 kV einen Ausgangspuls von 2,3 MV an 400iQ bei einer Halbwertsbreite von /-^5O nsec. Die verwendete Diode (Kathodenelektrode-Anodenelektrode-System) besteht aus einer abgeschmolzenen Glasrohre, 24 Wolframspitzen als Feldemissionskathode, einem 25 /im bzw. 7OyUiIi dicken Titanfenster als Anode und einem internen Magneten, der die Elektronen durch das Titan-Fenster hindurchfokussiert. Die Strahlqualität dieser Diode ist derart, daß sich von den sechs kA Gesamtstrom nur 40 bis 50 A bzw. 30 A in der Emittanz von 0,1 cmrad nutzen lassen. Nach durchschnittlich 100 bzw. Pulsen ist zudem das Titan-Fenster durchschossen und das Glas durch Elektronenbeschuß beschädigt. Die geometrische Anordnung der Kathode zur Anode, auf deren Potential sich auch der interne Solenoid befindet, bedingt weiterhin eine Verteilung des elektrischen Feldes, die zu großen Winkeln und damit zur schlechten Strahlqualität führt. Deshalb ist der interne Solenoid und damit die magnetische Fokussierung unbrauchbar. Ebenso führt das Titan-Fenster durch Vielfachstreuung zur Aufblähung des Strahls.

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Die Aufgabe der Erfindung besteht nunmehr darin, eine Quelle für Elektronen zu bieten, mit der Impulse von z.B. über 400 A in einer Emittanz von 0,1 cmrad für Zeitdauern in der Größenordnung von nsec erzeugt werden können, bei der keine magnetischen Fokussierungseinrichtungen für den Elektronenstrahl notwendig sind, bei der kein Fenster Streuung von Elektronen verursacht, bei der der Raum um das Kathoden-Anoden-System von außerhalb evakuierbar ist und bei der die Diödenimpedanz an den Hochspannungserzeuger anpassbar ist.

Die Lösung dieser Aufgaben besteht erfindungsgemäß darin, daß das Gehäuse von außen evakuierbar ist, daß der Kathodenelektrode eine Anodenelektrode gegenüber angeordnet ist, die mit einem für die aus der Kathodenelektrode austretenden elektronendurchlässigen Gitter versehen ist und mit diesem eine Ebene bildet, und daß die Wandung des Gehäuses als variabler elektrischer Widerstand für die Anpassung der Impedanz des Kathodenelektroden-Anodenelektroden-Systems an den Hochspannungsgenerator ausgebildet ist.

Eine Weiterbildung sieht vor, daß die Kathodenelektrode derart geformt ist, daß ihre Oberfläche die Gestalt einer Äquipotentialfläche eines Plattenkondensators hat.

Eine Ausführungsform der erfindungsgemäßan Quelle ist dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse als doppelwandige Röhre ausgebildet ist, daß der Zwischenraum zwischen den Wänden mit einer flüssigen Lösung über mindestens eine Zu- und Abführung füllbar ist, wobei durch Änderung der Konzentration der Lesung der elektrische Widerstand des Gehäuses variierbar ist. Die Lösung kann dabei in einem geschlossenen Kreislauf über ein Vorratsgefäß laufend umgewälzt werden.

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Eine Weiterführung der Erfindung sieht vor, daß die Innenwandung der Röhre aus Ringen besteht, deren in den Innenraum der Röhre weisenden Oberflächen mit einem umlaufenden Sägezahnprofil versehen sind, daß die einzelnen Ringe durch elektrisch leitfähige Zwischenscheiben getrennt sind und daß diese Zwischenscheiben mit der Lösung im Zwischenraum der Röhre in Kontakt stehen.

Eine bevorzugte Ausführungsart der erfindungsgemäßen Quelle sieht vor, daß die Kathodenelektrode in der Achse der Röhre an einem Stirnabschlußdeckel angeordnet und in der Achse verstellbar ist. .Weiterhin kann die Anodenelektrode die Abschlußseite eines sich in die Röhre erstreckenden Zylinders bilden, der Zylinder an einem Flansch an der anderen Stirnseite der Röhre befestigt sein und die Abschlußseite eine mit einem Anodengitter verschlossene öffnung aufweisen, wobei das Gitter der Vorderseite der Kathodenelektrode gegenüberliegt. Die Kathodenelektrode kann dabei über eine Elek-. trodenhalterung an dem Stirnabschlußdeckel angeschlossen sein, während die Elektrodenhalterung selbst eine Verstellmöglichkeit der Kathodenelektrode in Richtung der Achse der Röhre besitzt. Die Mittelebene zwischen Kathoden- und Anodenelektrodenoberflächen steht senkrecht zur Achse der Röhre.

Eine besonders bevorzugte Ausfuhrungsform der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse bzw. die Röhre über das Gitter der Anodenelektrode evakuierbar ist.

Eine Weiterbildung der erfindungsgemäßen Quelle ist dadurch gekennzeichnet, daß in die Kathodenelektrodenoberflache eine Feldemissions-Kathode eingesetzt ist, die aus einem Bündel von Nadeln besteht, deren Spitzen in einer Ebene liegen, die zu der Mittelebene parallel ist.

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Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeisniels mittels der Figuren 1 bis 4 näher erläutert.

Ein Marxgenerator (nicht näher dargestellt) hat einen Innenwiderstand von z.B. 4OOiQ , so daß bei erwünschter Anpassung des Lastwiderstandes , welchen die Anodenelektroden-Kathodenelektroden-Anordnung darstellt, und bei der gegebenen Spannung von ca. 2 MV der gesamte Laststrom zwangsläufig 5 kA betragen muß. Da sich die

2 v/² --

Raumladungskräfte proportional zu 1/j , mit ^ = (1 - -fy ) ⁱ verkleinern, würde diese hohe Stromdichte besonders nahe der Kathode 1, wo ^ noch sehr klein ist, zu großen Winkeln durch Raumladungsabstoßung führen. Aus diesem Grunde wurde das Gehäuse 2 mit einem variablen Widerstand versehen.

Das Gehäuse 2 besteht aus einer zylinderförmigen Röhre mit Doppelwandung. Die äußere Wandung 3 aus einem Isolationsmaterial weist einen Innendurchmesser auf, der etwas größer ist als der Außendurchmesser der Innenwandung 4, so daß zwischen den beiden Wänden .3 und 4 ein Zwischenraum 5 entsteht. Dieser Zwischenraum ist mit der Zu- und Abführleitung 6 und 7 verbunden. Die eine Stirnseite der Röhre 2 wird von einem Stirnabschlußdeckel 8 aus leitendem Material gebildet, der von den beiden Wänden 3 und 4 gehaltert wird. Die Abdichtung gegenüber dem Zwischenraum 5 erfolgt über die beiden Dichtringe 9 und 10. Die andere Stirnseite wird von einem Flansch 11 gebildet, der an der äußeren Wandung 3 angeschraubt ist. Er dichtet den Zwischenraum 5 ritteis der Dichtringe 12 und 13 gegenüber der Umgebung und dem Innenraum ab. Der Flansch 11 selbst weist eine Innenbohrung 14 auf, welche von einem noch zu beschreibenden Anodenelektrodensystem 15 ausgefüllt wird.

In den Zwischenraum 5 wird eine wäßrige CuSO.-Salz-Lösung eingefüllt, deren Konzentration veränderbar ist. Zur Kühlung und leichten Änderung des Widerstandswertes, den diese Flüssigkeit bildet, wird die Lösung in einem geschlossenen Kreislauf über, ein Vorratsgefäß 16 laufend umgewälzt. Der Widerstand der Lösung er-

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möglicht immer die Anpassung der Diodenimpedanz an den nicht näher dargestellten Marxgenerator oder einen anderen Generator unabhängig vom jeweiligen Elektronenstrom.

Die Anodenelektrode 15 besteht aus einem in den Innenraum 17 der Röhre 2 ragenden Zylinder mit einem Rand 18, der über einen Flansch 19 an dem Plansch 11 angeschraubt werden kann. Die eigentliche Anodenelektrode wird von der Stirnfläche 20 des Zylinders 15 gebildet, wobei diese Stirnfläche 20 abgerundet in die Zylinderhülse 21 übergeht. Sie besitzt allerdings zentral eine Bohrung 22, deren Mittelpunkt auf der Achse 23 des Gehäuses 2 liegt. Die öffnung 22 wird mit einem Gitter verschlossen. Das Gitter selbst besteht in diesem Ausführungsbeispiel aus einem V₉A-Stahlgewebe mit 500/im Maschenweite und 22/im Drahtdurchmesser, wodurch eine optische Transmission von 96 % erzielt wird und damit 96 % aller Elektronen ungestreut durch das Anodengitter 22 hindurchtreten können.

Innerhalb des Anodenraumes 24 können Steuerspulen 25 bzw. Rogowski-Spulen 26 angeordnet werden, welche jedoch nicht zur Erzeugung bzw. Führung des Elektronenstromes notwendig sind. Sie dienen für meßtechnische Zwecke. Das Anodenmaterial ist ebenfalls ein V_?A-Stahl als ein Kompromiß zwischen den Anforderungen an Hochspannungselektroden einerseits und der Bearbeitbarkeit und Verfügbarkeit des Materials andererseits. Es ist jedoch auch denkbar, die Anoden (sowohl die Anodenelektrode 15 als auch die Kathodenelektrode 1) aus Wolfram oder einem anderen Schwermetall herzustellen.

Für die Formgebung der Kathodenelektrode 1 sind die Hochspannungsfestigkeit und Betriebssicherheit maßgebend. Dazu muß sichergestellt sein, daß keine Elektronen auf die Vakuurcgefäßwände treffen und hier bei längerem Betrieb Beschädigungen hervorrufen. Da die Gefahr von Elektronenemission von Fehlerstellen auf der hochglanzpolierten Kathodenelektrodenoberfläche 27 sehr viel höher ist als von der Anodenelektrode 20, 22, wird die Mittelebene 28 zwischen Kathodenelektrode 1 und Anodenelektrode 15, 20, 22 in die Röhre 2 hineinversetzt und damit die Feldstärke zwischen Kathodenelektrode 1 und der Wand 4 verringert.

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Die Kathodenelektrodenoberflache 27 im Nahbereich der Kathode ist eben und liegt parallel zu der von der Stirnseite 20 und dem Anodenelektrodengitter 22 gebildeten Ebene. Der Kathodenelektroden-Anodenelektroden-Abs tand d ist über ein Feinqewinde 30 am Hals 31 der Kathodenelektrode 1 uni der Kathodenelektrodenhalterung 3 2 zwischen 0 und 50 mm variierbar und wird mit einer Kontermutter 33 arretiert, die gleichzeitig das Gewinde 30 verdeckt, damit von den Gewindespitzen keine Elektronenemission stattfinden kann. Hochspannungsmäßig ist die Kathodenelektrode 1 mit dem Hochspannungskontakt 34 verbunden, der wiederum an den nicht näher dargestellten Hochspannungserzeuger angeschlossen werden kann. Die Achse der Kathodenelektrode ist identisch mit der Achse 23 der Röhre 2.

In der Kathodenelektrodenoberfläche 27 ist eine Kathode als Feldemissionskathode 35 eingesetzt. Sie besteht aus einem Bündel aus mehr als 200 Wolframnadeln 36, deren Spitzen auf einer Ebene liegen. Die Nadeln 36 sind auf einem Sockel 37 eingelötet, der ein Gewinde 38 aufweist, welches in ein Gegengewinde 39 in der Spitze des Halses 31 eingeschraubt und damit arretiert werden kann. Die Kathode 35 paßt dabei genau in eine Ausnehmung 40 in der Elektrode 1. Die Kathode selbst ist noch einmal im Schnitt in der Figur 2 näher dargestellt.

Die Röhre 2 ist von außen evakuierbar und zwar durch das Anodengitter 22 und zusätzliche Löcher 29 im Flansch 18. Dies ist auch daher von Bedeutung, da die Kathode 1 und das Anodelgitter 22 jederzeit zum Austausch zugänglich sein sollen.

Für die Isolation entlang der Oberfläche 41 der einzelnen, die Innenwand 4 bildenden Gefäßringe 42 und über die Beschleunigungsstrecke d zwischen Kathode 1 und Anode 22, 20 wird ein Druck von P < 1O~ Torr benötigt. Die von der Kathode 1, 36 ermittierten Elektronen ionisieren die Restgasmoleküle in der Röhre 2, so daß ein dem Druckoproportionaler Ionenbeschuß auf die Kathodenelektrode 27, 36 stattfindet. Allerdings sind wegen der kurzen Pulsdauer

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die Beschleunigungswege für Ionen nur sehr kurz und damit ist die Energie der Ionen nur sehr gering. Es hat sich gezeigt, daß Beschädigungen der Elektrode T, 20, 22, 27, 36 bei einem Druck P έ 5 · 10 Torr nicht mehr auftreten. Um diesen Druck erreichen zu können,werden die Gefäßringe 42 aus Niederdruck-Polyäthylen bzw. aus einer Al₂O₃-Keramik hergestellt.

Da innerhalb der Röhre 2 eine angelegte Spannung von über 2 MV sicher isoliert werden muß/ ist die Durchbruchfeldstärke entlang der Oberfläche 41 der Ringe 42 zu berücksichtigen. Die Durchbruchfeldstärke hängt vom Material, der Oberflächenform und der Weglänge ab, weshalb für die Innenseite der Gefäßringe

42 ein Sägezahnprofil mit 30 Zahnwinkel gewählt ist. Da die Durchbruchfeldstärke nicht linear mit der Länge wächst, ist die Gesamtröhrenlänge durch 0,5 mm starke V„A-Zwischenscheiben

43 unterteilt, die elektrischen Kontakt zum CuSO.-Widerstand 5 haben und dadurch auf einem definierten Potential gehalten werden. Außerdem führen sie evtl. vorhandene Oberflächenladungen ab. Mit diesen Maßnahmen kann die angelegte Spannung sicher isoliert werden. Treten lokale Entladungen z.B. durch Elektronenbeschuß auf, so verhindern die Zwischenscheiben 43 einen lawinenartig anwachsenden Geseontdurchbruch, Die Ringe 42 und die Zwischenscheiben 43 werden durch Dichtungen 46 gegenüber dem mit CuSO.-Salz-Lösung gefüllten Innenraum 5 und dem Innenraum der Röhre abgedichtet.

Von außen v/ird die Röhre 2 durch Transformatorenöl isoliert. Jedoch ist ein Sprühschutz 44 an der Oberkante der Röhre 2 notwendig, da sonst das aus Kunststoff erstellte äußere Rohr 3 durch Sprühentladungen aus der CuSO.-Salzlösung ins Öl hinein beschädigt und damit undicht würde.

Die Anodenelektrode 15, 20, 22 bildet mit dem Gitter 22 eine Ebene, deren Rand mit dem Krümmungsradius von 2 cm abgerundet ist. Der Durchmesser der Anodenelektrode ist so groß gewählt, daß alle von der Kathode 35, 36 emittierten Elektronen auf die Anode 20, 22 treffen und nicht auf die Vakuumgefäßwände. Die Anode 20, 22 hat einen Durchmesser von ca. 12 cm.

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Der aus der Kathode 35, 36 gezogene Strom kann damit durch Variation des Abstandes d bis 5 kA betragen (siehe auch Fig. 4).

Zur Beschreibung der Diodeneigenschaften müssen die Kennlinien dieses Systems aufgenommen werden. Dazu wurde die Kennlinie I (<&

der Diode 1, 15 für einen Kathodenelektroden-Anodenelektroden-Abstand (siehe Fig. 1) von d = 38 mm gemessen und in Figur 3 über die Energie in MeV aufgetragen. Der Strom wurde dabei in kA gemessen.

Die Figur 4 zeigt die gemessene Abhängigkeit des Emissionsstromes I in kA von d für ψ 0 gleich konstant. Die Kurve X gilt dabei

e J Ji

für ein ψ 0 von 2 MV und die Kurve Y für ein ψ 0 von 1,5 MV.

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Claims

GESELLSCHAFT FÜR *_Λ Karlsruhe, den 4. Juli 1974

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Patentansprüche ;

/i.) Quelle zur Erzeugung von Elektronen mit einem Gehäuse und einer mit einem Hochspannungsgenerator kontaktierbaren Kathodenelektrode, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (2, 3, 4, 42) von außen evakuierbar ist, daß der Kathodfenelektrode-(1, 35, 36) eine Änodenelektrode (15, 20, 22) gegenüber angeordnet ist, die mit einem für die aus der Kathodenelektrode (1, 35, 36) austretenden elektronendurchlässigen Gitter (22) versehen ist und mit diesem eine Ebene bildet und daß die Wandung (3, 4, 5) des Gehäuses (2) als variabler elektrischer Widerstand für die Anpassung der Impedanz des Kathodenelektroden-Anodenelektroden-Systems (1, 15) an den Hochspannungsgenerator ausgebildet ist.
2. Quelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathodenelektrode (1, 35, 36) derart geformt ist, daß ihre Oberfläche (27) die Gestalt einer Äquipotentialfläche eines Plattenkondensators hat.
3. Quelle nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (2) als doppelwandige Röhre ausgebildet ist, daß der Zwischenraum (5) zwischen den Wänden (3, 4, 42) mit einer flüssigen Lösung über mindestens eine Zu- und Abführung (6 und 7) füllbar ist, wobei durch Änderung der Konzentration der Lösung der elektrische Widerstand des Gehäuses (2) variierbar ist.
4. Quelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Lösung in einem geschlossenen Kreislauf über ein Vorratsgefäß (16) laufend umwälzbar ist.
5. Quelle nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenwandung (4, 42) der Röhre (2) aus Ringen (42) besteht, deren in den Innenraum (17) der Röhre (2) weisenden Oberflächen (41) mit einem umlaufen-

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den Sägezahnprofil versehen sind, daß die einzelnen Ringe (.42) durch elektrisch leitfähige Zwischenscheiben (43) getrennt sind und daß diese Zwischenscheiben (43) mit der Lösung im Zwischenraum (5) der Röhre (2) in Kontakt stehen.
6. Quelle nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathodenelektrode (1, 35, 36) in der Achse (23) der Röhre (2) an einem Stirnabschlußdeckel (8) angeordnet und in Richtung der Achse (23) verstellbar ist.
7. Quelle nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Anodenelektrode (15, 20, 22) die Abschlußseite eines sich in die Röhre (2) hinein erstreckenden Zylinders (15) bildet, daß der Zvlinder (15) an einem Flansch (11) an der anderen Stirnseite der Röhre (2) befestigt ist und daß die Abschlußseite (20) eine mit einem Anodengitter

(22) verschlossene öffnung aufweist, wobei das Gitter (22) der Vorderseite (27) der Kathodenelektrode (1, 35, 36) gegenüberliegt.
8. Quelle nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathodenelektrode (1,35, 36) über eine Elektrodenhalterung (31, 32, 33) an dem Stirnabschlußdeckel (8) angeschlossen ist und daß die Elektrodenhalterung (31, 32, 33) die Verstellmöglichkeit :1er Kathodenelektrode (1, 35, 36) in Richtung der Achse (23) der Röhre (2) besitzt.
9. Quelle nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittelebene (23) zwischen Kathodenelektroden- und Anodenelektrodenoberfläche (27 und 20, 22) senkrecht zur Achse (23) der Röhre (2) steht.
10. Quelle nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß in die Kathodenelektrodenoberfläche (27) eine Feldemissions-Kathode (35, 36) eingesetzt ist, die aus einem Bündel von mehr als 200 Nadeln aus Wolfram (36) besteht, deren Spitzen in einer Ebene liegen, die zu der Mittelebene (28) parallel ist.

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11. Quelle nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß der Innenraum (17) des Gehäuses (2) über das Gitter (22) der Anodenelektrode (15) evakuierbar ist.
12. Quelle nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (2) in Öl steht.
13. Quelle nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere Wandung (3) des Gehäuses aus einem Isoliermaterial besteht.
14. Quelle nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß an Hochspannungskanten des Gehäuses (2) Sprüh-Schutzmittel (44) angeordnet sind.
15. Quelle nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß im Innenraum (24) des Zylinders (15) Steuerspulen (25, 26) oder andere Ablenksysteme anbringbar sind.
16. Quelle nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß an der Zu- oder Abführung (6 oder 7) der Lösung ein Spannungsteiler (45) angeordnet ist, mit dem der Widers tandsv/ert der Lösung ermittelbar ist.

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