DE2433781C2

DE2433781C2 - Elektronenquelle

Info

Publication number: DE2433781C2
Application number: DE2433781A
Authority: DE
Inventors: Cord-Heinrich Dipl.-Phys. 7501 Leopoldshafen Dunstmann; Helmut Dipl.-Phys. 7501 Hochstetten Krauth; Edmund 7521 Staffort Süß; Wolfgang Dipl.-Phys. 7500 Karlsruhe Zernial
Original assignee: Kernforschungszentrum Karlsruhe GmbH
Current assignee: Forschungszentrum Karlsruhe GmbH
Priority date: 1974-07-13
Filing date: 1974-07-13
Publication date: 1984-12-13
Also published as: FR2278149A1; US3988627A; GB1513413A; FR2278149B1; DE2433781A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Quelle zur Erzeugung von Elektronen mit einem Gehaeuse und einer mit einem Hochspannungsgenerator kontaktierbaren Kathodenelektrode.die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Quelle fuer Elektronen zu bieten, mit der Impulse von z.B. ueber 400 A in einer Emittanz von O,1 Cmrad fuer Zeitdauern in der Groessenordnung von Nsec erzeugt werden koennen, bei der keine magnetischen Fokussierungseinrichtungen fuer 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 Diodenimpedanz an den Hochspannungserzeuger anpassbar ist. Die Loesung dieser Aufgaben besteht darin, dass das Gehaeuse von aussen evakuierbar ist, dass der Kathodenelektrode eine Anodenelektrode gegenueber angeordnet ist, die mit einem fuer die aus der Kathodenelektrode austretenden elektronendurchlaessigen Gitter versehen ist und mit diesem eine Ebene bildet, und dass die Wandung des Gehaeuses als variabler elektrischer Widerstand fuer die Anpassung der Impedanz des Kathodenelektroden-Anodenelektroden-Systems an den Hochspannungsgenerator ausgebildet ist. ...U.S.W

Description

Die Erfindung betrifft eine Elektronenquelle mit einem eine mit einem Hochspannungsgenerator kontaktierbare Kathodenelektrode enthallenden Gehäuse, bei dem das Gehäuse von außen evakuierbar ist und bei dem der Kathodenelektrode eine Anodenelektrode gegenüber angeordnet ist, die mit einem für die aus der Kathode austretenden Elektronen durchlässigen Gitter versehen ist, das mit der Anodenelektrode eine Ebene bildet.

Eine derartige Elektronenquelle ist aus The Review of Scientific Instruments, Bd. 40, 1969, Nr. 11, Seiten 1413 - 1414bekannt.

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 Kreisbbeschleunigern 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 hohen Beschleunigungsfelder durch Bildung eines Elektronen-

ringes sehr 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 etwa 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 Strahlenanforderungen werden auch bei Elektronenstrahlgepumpten 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 Ladespannung von 35 kV einen Ausgangspuls von 23 MV an 400 Ω bei einer Halbwertsbreite von ~ 50 nsec. Die verwendete Elektronenquelle in Form einer Diode (Kathodenelektrode -Anodenelektrode-System) besteht aus einer abgeschmolzenen Glasrohre, 24 Wolframspitzen als Feldemissionskathode, einem 25 μηι bzw. 70 μπι 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 6 kA Gesamtstrom nur 40 bis 50 A bzw. 30 A in der Emittanz von 0,1 cmrad nutzen lassen. Nach durchschnittlich 100 bzw. 500 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.

Die Aufgabe der Erfindung besteht nunmehr darin, eine Elektronenquelle der eingangs genannten Art zu bieten, mit der getrennte Impulse von z.B. über 400 A in einer Emittanz von 0,1 cmrad für Zeitdauern in der Größenordnung von nsec durch Anpassung der Impedanz des Kathodenelektroden-Anodenelektroden-Systems an den Hochspannungserzeuger erzeugt werden können.

Die Lösung dieser Aufgabe ist im Kennzeichen des Anspruchs 1 beschrieben.

Vorteilhafte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Elektronenquelle sind in den übrigen Ansprüchen wiedergegeben.

Ein besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen Elektronenquelle besteht darin, daß mit ihr Impulse verschiedener Stromstärke, Emittanz und Zeitdauer durch Anpassung der Impedanz des Kathodenelektroden-Anodenelektroden-Systems — im folgenden auch Diodenimpedanz genannt — erzeugt werden können.

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

Ein Marxgenerator (nicht näher dargestellt) hat einen Innenwiderstand von z.B. 400 Ω, so daß bei erwünschter Anpassung des Lastwiderstandes, welchen das Anodenelektroden-Kathodenelektroden-System darstellt, und bei der gegebenen Spannung von ca. 2 MV der gesamte Laststrom zwangsläufig 5 kA betragen muß. Da sich die Raumladungskräfte proportional zu l/;*², mit

verkleinern, würde diese hohe Stromdichte besonders nahe der Kathode 1, wo γ 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 besteht 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 mittels der Dichtringe 12 und 13 gegenüber der Umgebung und dem Innenraum ab. Der Flansch 11 selbst weist eine Innenbohrung 14 auf, welche von einer noch zu beschreibenden Anode ausgefüllt wird.
In den Zwischenraum 5 wird eine wäßrige Cu-So4-Salz-Lösung eingefüllt, deren Konzentration veränderbar ist Zur Kühlung und leichten Änderung des Widerstandswertes, den diese Flüssigkeit bildet und der an dem Brennungsteiler 45 gemessen werden kann, wird die Lösung in einem geschlossenen Kreislauf über ein Vorratsgefäß 16 laufend umgewälzt. Der Widerstand der Lösung.ermöglicht immer die Anpassung der Diodenimpedanz an den nicht näher dargestellten Marxgenerator oder einen anderen Generator unabhängig vom jeweiligen Elektronenstrom.

Die Anode besteht aus einem in den Innenraum 17 der Röhre 2 ragenden Zylinder 15 mit einem Rand 18, der über einen Flansch 19 an dem Flansch 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 Ausführungsbespiel aus einem V2A-Stahlgewebe mit 500 μπι Maschweite und 22 μηι 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 nur Erzeugung bzw. Führung des Elektronenstromes notwendig sind. Sie dienen für meßtechnische Zwecke. Das Anodenmaterial ist ebenfalls ein V₂A-Stahl als ein Kompromiß zwischen den Anforderungen an Hochspannungselektroden einerseits und der Bearbeitbarkeit und Verfügbarkeit des Materials andererseits. Es ist jedoch auch denkbar, die Elektroden (sovohl die Anodenelektrode 20 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 Vakuumgefäßwände 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 und dem Gitter 22 wird die Mittelebene 28 zwischen Kathodenelektrode 1 und Anodenelektrode 20 in die Röhre 2 hineinversetzt und damit die Feldstärke zwischen Kathodenelektrode 1 und Wand 4 verringert. \o

Die Kathodenelektrodenoberfläche 27 im Nahbereich der Kathode ist eben und liegt parallel zu der von der Stirnseite 20 und dem Anodengitter 22 gebildeten Ebene. Der Kathodenelektroden-Anodenelektroden-Abstand t/ist über ein Feingewinde 30 am Hals 31 der Käthodenelekirode 1 und der Kathodenelektrodenhaiterung 32 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 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 Feldemissionskathode 35 paßt dabei genau in eine Ausnehmung 40 in der Elektrode 1. Die Feldemissionskathode selbst ist noch einmal im Schnitt in der F i g. 2 näher dargestellt.

Die Röhre 2 ist von außen evakuierbar und zwar durch das Anodengitter 22 und zusätztliche Löcher 29 im Flansch 18. Dies ist auch daher von Bedeutung, da die Kathode 1 und das Anodengitter 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<l,3310-⁵mbar

benötigt. Die von der Feldemissionskathode 35 ermittierten Elektronen ionisieren die Restgasmoleküle in der Röhre 2, so daß ein dem Druck proportionaler IonenbeschuS auf die Kathodeneiektrode 27, und die Feldemissionskathode 35 stattfindet Allerdings sind wegen der kurzen Pulsdauer die Beschleunigungswege für Ionen nur sehr kurz und damit ist die Energie der Ionen nur sehr gering. Es hat sich gezeigt, daß Beschädigungen der Elektroden 1, 20, der Gitter 22 und der Feldemissionskathode 35 bei einem Druck

P< 6,66 10-⁶ mbar

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nicht mehr auftreten. Um diesen Druck erreichen zu können, werden die Gefäßringe 42 aus Niederdruck-Polyäthylen bzw. aus einer AlzOs-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 V2A-Zwischenscheiben 43 unterteilt, die elektrischen Kontakt zum CuSO₄-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 Gesamtdurchbruch. Die Ringe 42 und die Zwischenscheiben 43 werden durch Dichtungen 46 gegenüber dem mit CuSO4-Salz-Lösung gefüllten Ιηηεη-raum 5 und dem Innenraum 17 der Röhre abgedichtet.

Von außen wird 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 CuSO4-Salzlösung ins öl hinein beschädigt und damit undicht würde.

Die Anodenelektrode 20 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 Feldemissionskathode 35 emittierten Elektronen auf die Anodenelektrode 20 und das Gitter 22 treffen und nicht auf die Vakuumgefäßwände. Die Anodenelektrode 20 hat einen Durchmesser von ca. 12 cm.

Der aus der Feldemissionskathode 35 gezogene Strom kann damit durch Variation des Abstandes d bis 5 kA betragen (s. auch F i g. 4).

Zur Beschreibung der Diodeneigenschaften müssen die Kennlinien dieses Systems aufgenommen werden. Dazu wurde die Kennlinie l_e(&o) der Diode 1, 20 für einen Kathodenelektroden-Anodenelektroden-Abstand (s. F i g. 1) von d = 38 mm gemessen und in F i g. 3 über die Energie in MeV aufgetragen. Der Strom wurde dabei in kA gemessen.

Die Fig.4 zeigt die gemessene Abhängigkeit des Emissionsstromes I_e in kA von er² für Φο gleich konstant Die Kurve X gilt dabei für ein Φ_ο von 2 MV und die Kurve Kfürein^o von 1,5 MV.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Elektronenquelle mit einem eine mit einem Hochspannungsgenerator kontaktierbare Kathodenelektrode enthaltenden Gehäuse, bei dem das Gehäuse von außen evakuierbar ist und bei dem der Kathodenelektrode eine Anodenelektrode gegenüber angeordnet ist, die mit einem für die aus der Kathode austretenden Elektronen durchlässigen Gitter versehen ist, das mit der Anoiienelektrode eine Ebene bildet, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandung (3,4,5) des Gehäuses (2) als variabler elektrischer Widerstand für die Anpassung der Impedanz des Kathodenelektroden-Anodenelektroden-System (1,20) an den Hochspannungsgenerator ausgebildet ist

2. Quelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathodenelektrode (1) derart geformt ist, daß ihre der Anodenelektrode (20) gegenüberliegende 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 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Lösung in einem geschlossenen Kreislauf über ein Vorratsgefäß (J6) laufend umwälzbar ist.

5. Quelle nach Anspruch 3 oder 4, 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 umlaufenden 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 3 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathodenelektrode (1) in der Achse (23) der Röhre (2) an einem Stirnabschlußdeckel (8) angeordnet und in Richtung der Achse verstellbar ist.

7. Quelle nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Anodenelektrode (20,22) die Abschlußstirnfläche eines sich in die Röhre (2) hinein erstrekkenden Zylinders (15) bildet, daß der Zylinder (15) an einem Flansch (11) an der anderen Stirnseite der Röhre (2) befestigt ist, daß die Abschlußstirnfläche (20) eine mit einem Anodengitter (22) verschlossene Öffnung aufweist und daß das Gitter (22) der Oberfläche (27) der Kathodenelektrode (1) gegenüberliegt.

8. Quelle nach Anspruch 6 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathodenelektrode (1) über eine Elektrodenhalterung (31,32, 33) an dem Stirnabschlußdeckel (8) angeschlossen ist und daß die Elektrodenhalterung (31,32,33) die Verstellmöglichkeit der Kathodenelektrode (1) in Riehtung der Achse (23) der Röhre (2) besitzt.

9. Quelle nach Anspruch 7 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittelebene

(28) zwischen Kathodenelektroden- und Anodenelektrodenoberfläche (27 und 20, 22) senkrecht zur Achse (23) der Röhre (2) steht

10. Quelle nach Anspruch 9, 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

11. Quelle nach Anspruch 7 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß der Innenraum (17) des Gehäuses (2) über das Gitter (22) der Anodenelektrode (20) evakuierbar ist

12. Quelle nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (2) in öl steht

13. Quelle nach Anspruch 3 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 Hochspannungsk.anten des Gehäuses (2) Sprühschutzmittel (44) angeordnet sind.

15. Quelle nach Anspruch 7 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß im Innenraum (24) des Zylinders (15) Steuerspulen (25,26) oder andere Ablenksysteme anbringbar sind.

IG. 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 Widerstandswert der Lösung ermittelbar ist.