DE2706629A1

DE2706629A1 - Vorrichtung zur ueberwachung eines elektronenbuendels

Info

Publication number: DE2706629A1
Application number: DE19772706629
Authority: DE
Inventors: Edward A Heighway; Kenneth J Hohban; Stanley O Schriber
Original assignee: Atomic Energy of Canada Ltd AECL
Current assignee: Atomic Energy of Canada Ltd AECL
Priority date: 1976-03-02
Filing date: 1977-02-16
Publication date: 1977-09-15
Also published as: AU2251277A; FR2343260A1; GB1538732A; US4059763A; JPS52115498A; CA1032665A; DE2706629B2; DE2706629C3

Description

»IÜLLER-ΣΙΟΙΙΕ · DELFEL · SCHÖN · HERTBL 2706629

PATBJPTTANWAi-TB

DH. WOLFGANG MULLER-BORt (PATENTANWALTVON 1927-1975) DR. PAUL DEUFEL. DIPL.-CHEM. DR. ALFRED SCHÖN. DIPL.-CHEM. WERNER HERTEL. DIPL.-PHYS.

Hl/ A 2511

ATOMIC ENERGY Oi¹ CANADA LIMITED Ottawa, Ontario, Canada

Vorrichtung zur Überwachung eines Elektronenbündels

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Überwachung eines Elektronenbündels oder Elektronenstrahlbündels zur Messung der Intensität, der räumlichen Verteilung und der mittleren Position eines pulsierenden oder eines Gleichstrom-Elektronenbündels .

V!enn mit Elektronenbündeln arbeitende Einrichtungen wie Elektronenbeschleuniger betrieben werden, müssen die verschiedenen Parameter des erzeugten Elektronenbündels überwacht werden, um Daten zu liefern, welche erforderlich sind, um eine optimale Leistung zu erreichen und um das Beschleunigersystem in wirksamer V/eise zu steuern bzw. zu regeln. Verschiedene Einrichtungen zur Messung des Bündelstroms,

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β MffNCHEW 80 · SI.EΠEUTSTJR. 4 · POSTFACH 800720 · KABKI.: MUEBOjPAT · TEt. <OSf» 474005 · TEiEX 3-24 2S3

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des Bündelprofils und der Bündelposition» mit welchen solche Parameter einzeln oder gleichzeitig geraessen werden können, sind gegenwärtig im Gebrauch. Einige dieser Einrichtungen arbeiten direkt mit einem Abfangkreis und beeinflussen daher die Bündeleigenschaften. Diese Einrichtungen arbeiten nicht zufriedenstellend, da das Ausgangsbündel nicht verwendet werden kann, während die Messung durchgeführt wird. Andere Einrichtungen arbeiten ohne Abfangkreis und greifen somit nicht in das Bündel ein, und sie messen die Bündelparameter durch magnetische und elektrische Wirkungen des Bündels. Solche Einrichtungen können nur die Parameter eines einzelnen Bündels messen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs näher erläuterten Art zu schaffen, mit welcher mehrere Bündel zugleich gemessen werden können, wobei nur eine außerordentlich geringe Bündelbeeinflussung hervorgerufen wird.

Zur Lösung dieser Aufgabe dienen insbesondere die im Patentbegehren niedergelegten Merkmale.

Gemäß der Erfindung ist der wesentliche Vorteil erreichbar, daß nicht nur ein Bündel überwacht oder gemessen werden kann, sondern daß sogar Bündel überwacht oder gemessen werden können, die in entgegengesetzten Richtungen zueinander geführt sind und deren Querschnitte sich überlappen.

Weiterhin können gemäß der Erfindung in vorteilhafter Weine der Strom, das Profil und die Position eines Bündels überwacht werden.

Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes ist vorgesehen, daß eine Folie vorgesehen ist, welche eine Oberfläche mit einer Breite w^ und einer Länge I^ aufweist, wobei w^ kleiner ist als der Elektronenbündel-Querschnitt und 1. größer ist als der Elektronenbün-

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del-Quersohnitt, wobei die Folie eine Bremsstrahlung erzeugt, wenn die Oberfläche durch Elektronen aus dem Elektronenbündel getroffen wird, daß weiterhin eine Einrichtung vorgesehen ist, welche dazu dient, die Folie quer durch den Weg des Elektronenbündels hindurchzubewegen, wobei die Oberfläche dem Elektronenbündel zugewandt ist, daß weiterhin eine Strahlungsdetektoreinrichtung vorhanden ist, welche in Umfangsrichtung um den Bündelweg herum auf einem Abstand von der Folie in der Richtung des Bündelwegs angeordnet ist, um eine Strahlung von der Folie zu ermitteln, welche durch das Elektronenbündel erzeugt wird, und daß eine Einrichtung vorgesehen ist, welche dazu dient, die ermittelte Strahlungsintensität als Funktion der Position der Folie im Bündelweg zu ermitteln.

Um weiterhin Daten zu erreichen, welche das Elektronenbündel betreffen, kann eine der ersten Folie ähnliche zweite Folie nachträglich quer durch das Bündel in einer Richtung hindurchbewegt werden, welche im wesentlichen senkrecht zu der Bewegungsrichtung der ersten Folie angeordnet ist.

Um gleichzeitig ein zweites Bündel zu überwachen oder zu messen, welches entgegengesetzt zu dem ersten Bündel gerichtet ist, werden gemäß der Erfindung eine zweite Reihe von Strahlungsdetektoren um den Bündelweg herum auf einem Abstand von der Folie in der Bewegungsrichtung des zweiten Bündels angeordnet. Diese Detektoren messen die Bremsstrahlungsintensität, welche durch das zweite Elektronenbündel hervorgerufen wird, wenn es auf die Folien auf tr if ft.

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Die Erfindung wird nachfolgend beispielsweise anhand der Zeichnung beschrieben; in-dieser zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Elektronenbündelmonitors,

Fig. 2 einen Schnitt durch die in der Fig. 1 dargestellte Vorrichtung und

Fig. 3 eine Folie oder Platte, welche in dem Monitor verwendet wird.

Der erfindungsgemsße Elektronenbündelmonitor ist in den Fig. 1 und 2 veranschaulicht, wobei die Fig. 2 ein Schnitt entlang der Linie A-A' in der Fig. 1 ist. Ein Vakuumrohr 1 mit Flanschen 2 an jedem Ende dient zum Anschluß des Monitors an ein Elektronenbündelsystem, so daß der Elektronenbündelv/eg 3 durch das Rohr 1 entlang seiner Längsausdehnung in der ζ-Richtung verläuft. Die Flanschen 2 weisen Öffnungen 4 auf, durch welche Befestigungselemente hindurchgeführt sind, um eine vakuumdichte Verbindung in das System zu gewährleisten. Ein Elektronenbündel 3a kann entlang dem Weg 3 in einer Richtung geführt werden, die durch den Pfeil 3a angegeben ist, und/oder ein zweites Bündel 3b kann in einer Richtung entgegengesetzt zu dem Bündel 3a geführt werden, wie es durch den Pfeil 3b angegeben ist. Die Elektronenbündel 3a und 3b können entlang derselben Achse oder entlang verschiedenen Achsen geführt werden und sie können auch verschiedene Querschnitte und verschiedene Abmessungen haben. So kann der Querschnitt des Bündels 3a und der Querschnitt des Bündels 3b entweder jeweils so ausgebildet sein, daß keine Überlappung, eine teilweise Überlappung oder eine vollständige Überlanpung vorhanden ist.

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Um das Bündel 3a in der x-Richtung zu überwachen oder zu steuern, ist ein dünnes Folienelement 5x auf einem Rahmen 6χ angeordnet, der in einer Vakuumkammer 7x angeordnet ist. Der Rahmen 6x v/eist einen linearen Vak uumdurc hf ühr ungs arm 8x auf, durch welchen der Rahmen 6x und die Folie 5x in linearer Weise durch das Bündel 3a hin- und herbewegt werden können, und zwar mit Hilfe einer mechanischen Antriebseinrichtung 9x. Vorzugsweise ist der Rahmen 6x ausreichend groß, so daß er mit dem Bündel nicht in Wechselwirkung tritt, wenn die Folie 5x durch das Bündel 3a hindurchbewegt wird. Die Folie 5x ist aus einem herkömmlichen Material hergestellt, welches eine Bremsstrahlung erzeugt, wenn es mit Elektronen bombardiert wird, und welches vorzugsweise eine Atoraordnungszahl aufweist, welche derart gewählt ist, daß eine mit ihrem Maximum nach vorne verschobene Strahlung entsteht. Vorzugsweise hat die in der Fig. 3 dargestellte Oberfläche der Folie 5x» welche dem Elektronenbündel zugewandt ist, welches sich in der z-Richtung bewegt, eine Länge lyj und eine Breite w^. Die Länge I^ ist derart gewählt, daß sie viel größer ist als die Breite bei dem Bündel 3a, so daß nur ein Streifen über die gesamte Breite des Bündels 3a mit der Folie 5x in Wechselwirkung tritt und das Bündel den Rahmen 6x selbst dann nicht trifft, wenn das Bündel 3a nicht innerhalb des Rohres 1 zentriert ist. Die Breite w,., besser gesagt die Dicke, der Folie 5x ist außerordentlich gering, und sie liegt in der Größenordnung von 1 # der Breite des Bündels, um nur ein Minimum an Bündelwechselwirkung hervorzurufen, wenn die Folie 5x durch das Bündel 3a hindurchbewegt wird, während zugleich ein ausreichender Querschnitt dem Bündel 3a für eine angemessene Bündelwechselwirkung zur Verfügung steht. Die Tiefe d der Folie 5x in der z-Richtung ist derart gewählt, daß eine optimale Intensität der Bremsstrahlung entsteht, insbesondere in der Vorwärtsrichtung, d.h. in Richtung auf die Strahlungsdetektoren 10a.

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Eine Anzahl von miteinander verbundenen Bremsstrahlungsdetektoren 10a sind um den -Umfang des Vakuumrohres 1 herum in der Vorwärtsrichtung von der Folie 5x aus angeordnet, um eine Strahlung abzutasten oder zu ermitteln, welche durch die Folie 5x erzeugt wird, wenn sie mit Elektronen in einem Bündel 5a bombardiert wird. Die Detektoren 10a können beliebiger geeigneter Art sein, es werden jedoch vorzugsweise Halbleiterdioden verwendet, Vielehe Ausgangsströme erzeugen, die der auftreffenden Strahlung proportional sind, da derartige Dioden keine Vorspannung benötigen und da weiterhin nur eine Einrichtung mit einer hohen Impedanz wie ein Oszilloskop oder ein entsprechendes Strommeßgerät erforderlich ist, um die Ausgangssignale zur Anzeige zu bringen. Die Anzahl der erforderlichen Diodendetektoren 10a hängt von der gewünschten Empfindlichkeit ab.

Im Betrieb der Einrichtung bewegt der Linearantrieb 9x die Folie 5x in Querrichtung durch das Bündel 3a. Wenn die Folie 5x in das Bündel 3a eintritt, wird eine Bremsstrahlung erzeugt. Die Strahlungsintensität ist dem abgefangenen Bündel 3a oder dem entsprechenden Strom proportional, und ihre Winkelverteilung ist stark in Vorwärtsrichtung verschoben. Bei Elektronen von 20 MeV und einer Tantalfolie 5x mit d ** 0,1 cm und w - 0,002 cm beträgt die Strahlungsintensität in der Richtung entgegengesetzt zu dem Elektronenbündel etwa 20 db weniger als in der vorwärts gerichteten Strahlung. Die Detektoren 10a ermitteln die vorwärts gerichtete Strahlung und liefern ein Ausgangssignal an die Schaltung 11. Eine Messung der Bremsstrahlungsintensität als Funktion der Position der Folie 5x entlang der x-Achse liefert ein genaues Bündelprofil in der x-Richtung.

Die Detektoren 10a können alle parallel zu einer Meßschaltung 11 angeordnet sein, vorzugsweise sind die Detektoren 10a

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jedoch elektrisch in vier gleiche Quadranten A, B, C und D geteilt, wie es in der Fig: 2 dargestellt ist. Der Quadrant, der näher an dem Bündel liegt, empfängt eine höhere Bremsstrahlung, und auf diese Weise kann die Position des Bündels in bezug auf die Mitte des Rohres 1 bestimmt werden. Zusätzlich liefert die Summation des Gesamtausgangssignals von den vier Detektorgruppen iOa ein Maß für den Bündelgesaratstrom. Eine Kalibrierung dieses Ausgangssignals als Funktion eines Stroms durch unabhängige Strommessungen unter Verwendung eines Faraday-Käfigs ermöglicht quantitative Messungen der Bündelströme.

Um gleichzeitig ein Elektronenbündel 3b überwachen zu können, welches in der entgegengesetzten Richtung zu dem Bündel 3a geführt ist, ist ein zweiter Satz von Detektoren 10b, welche ähnlich aufgebaut sind wie die Detektoren 10a, auf Abstand um den Umfang des Vakuumrohres 1 herum in der Vorwärtsrichtung von der Folie 5x für das Bündel 3b vorgesehen, um diejenige Strahlung zu ermitteln, welche durch die Folie 5x mittels Elektronen im Bündel 3b erzeugt wird. Im Hinblick auf das oben beschriebene Bündel 3a ist die Winkelverteilung der Strahlung, welche durch das Bündel 3b erzeugt wird, 3tark nach vorn gerichtet. Da die vorwärts gerichtete Strahlung so wesentlich stärker ist als die in entgegengesetzter Richtung gerichtete Strahlung, empfängt der Detektor 10a nur einen geringen Bruchteil f derjenigen Strahlung, welche durch das Bündel 3b erzeugt wird und von den Detektoren 10b aufgenommen wird, und in ähnlicher Weise empfangen die Detektoren 10b nur einen kleinen Bruchteil f derjenigen Strahlung, welche durch ein Bündel 3a erzeugt wird und von den Detektoren 10a aufgenommen wird. Da der Bruchteil f gering ist, können die zwei Bündel gleichzeitig überwacht werden. Um eine höhere Genauigkeit zu erreichen, können die Ausgangssignale von den Detektoren 10a und 10b dadurch eingestellt werden, daß ein Bruchteil f des Ausgangssignals der Detektoren 10a von dem

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Ausgangssignal der Detektoren iOb subtrahiert wird und in dem weiterhin ein Bruchteil f von dem Ausgangssignal der Detektoren 10b von dem Ausgangssignal der Detektoren 10a subtrahiert wird.

Um die Bündel 5a und 3b weiter zu definieren, ist eine zweite Folie 5y, die eine Oberfläche mit einer Länge I2 und einer Breite w~ aufweist und den Bündeln zugewandt ist und welche ähnlich aufgebaut ist wie die Folie 5x in linearer Weise hin und her durch die Bündel 3a und 3b bewegbar, und zwar in der y-Richtung, so daß ihre Länge Ip in der x-Richtung und ihre E?eite w~ in der y-Richtung verläuft. Ebenso wie die Folie 5x kann die Folie 5y auf einem Rahmen 6y angebracht sein, der innerhalb einer Vakuumkammer 7y angebracht ist und der einen linearen Valcuumdurchfuhrungsarm 8y aufweist, welcher mit einer mechanischen Antriebseinrichtung 9y verbunden ist. Die mechanische Antriebseinrichtung 9y ist elektrisch mit der Meßschaltung 11 verbunden.

Die mechanischen Antriebseinrichtungen 9x und 9y werden derart gesteuert, daß sie die Folien 5x und 5y nacheinander durch die Bündel 3a und 3b hindu-chbewegen. Y/ährend dieses Vorganges liefern die Detektoren 10a aufeinanderfolgende Sätze von Signalen aufgrund der Strahlung, welche durch die Folien 5x und 5y an die Schaltung 11 geliefert werden, um die Bündel 3a zu definieren, und die Detektoren 10b liefern aufeinanderfolgende Sätze von Signalen, aufgrund der Strahlung, welche durch die Folien 5x und 5y an die Schaltung 11 geliefert werden, um das Bündel 3b zu definieren. Diese Signale können aufgeschrieben oder einer Kathodenstrahlröhre zugeführt werden, um eine visuelle Anzeige des Stroms, des Profils und der Positionen der Bändel 3a und 3b zu liefern.

- Patentansprüche -

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Claims

Patentansprüche

' 1. ^Vorrichtung zur Überwachung eines Elektronenstrahlbündels, ^v— dadurch gekennzeichnet , daß eine Folie vorgesehen ist, welche eine Oberfläche mit einer Breite w. und einer Länge 1. aufweist, wobei w,, kleiner ist als der Elektronenbündel-Querschnitt und 1. größer ist als der Elektronenbündel-Querschnitt, wobei die Folio eine Bremsstrahlung erzeugt, wenn die Oberfläche durch Elektronen aus dem Elektronenbündel getroffen wird, daß weiterhin eine Einrichtung vorgesehen ist, welche dazu dient, die Folie quer durch den Weg des Elektronenbündels hindurchzubewegen, wobei die Oberfläche dem Elektronenbündel zugev;andt ist, daß weiterhin eine Strahlungsdetektoreinrichtung vorhanden ist, welche in Umfang srichtung um den Bündelweg herum auf einem Abstand von der Folie in der Richtung des Bündelwegs angeordnet ist, um eine Strahlung von der Folie zu ermitteln, welche durch das Eloktronenbündel erzeugt wird, und daß eine Einrichtung vorgesehen ist, welche dazu dient, die ermittelte Strahlungsintensität als Funktion der Position der Folie im Bündelweg zu ermitteln.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine zweite Folie vorgesehen ist, welche eine Oberfläche mit einer Breite w~ und einer Länge 1_? aufweist, wobei Wp kleiner ist als der Elektronenbündel-Querschnitt und I₂ größer ist als der Elektronenbündel-Querschnitt, wobei die zweite Folie eine Bremsstrahlung erzeugt, wenn ihre Oberfläche von Elektronen aus dem Elektronenbündel getroffen wird, daß weiterhin eine zweite Einrichtung vorhanden ist, welche dazu dient, die zweite Folie quer durch den Elektronenbündelweg in einer Richtung hindurchzuführen, welche im wesentlichen senkrecht zu dex· Richtung der Bewegung der ersten Folie ist.

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3· Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Folie aus"einem Material besteht, welches eine Atomordnungszahl aufweist, so daß eine in erster Linie nach vorne gerichtete Strahlung erzeugt wird.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bewegungseinrichtung einen Rahmen auf v/eist, welcher mit der Folie verbunden ist, und daß weiterhin eine mechanische Antriebseinrichtung vorgesehen ist, welche mit dem Rahmen verbunden ist, um die Folie quer durch den Bündelweg hindurchzubewegen.
5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektoreinrichtung eine Anzahl von symmetrisch auf Abstand voneinander angeordneten, elektrisch miteinander verbundenen Strahlungsdetektoren aufweist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß die Detektoren Halbleiterdioden sind, um Ausgangsströme zu erzeugen, welche der einfallenden Strahlung proportional sind.
7. Vorrichtung nach Anspruch 5* dadurch gekennzeichnet, daß die Detektoren elektrisch in vier gleiche Quadrantengruppen geschaltet sind.
8. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite w der Folie etwa 1 % der Elektronenbündelbreite ist.
9· Vorrichtung zur Überwachung eines ersten und eines zweiten Bündels, welche in entgegengesetzten Richtungen zueinander gerichtet sind, dadurch gekennzeichnet, daß eine Folie vorgesehen ist, welche eine Oberfläche mit einer Breite w. und einer Länge 1^. aufweist, wobei W^ kleiner ist als der Elektronenbündel-Querschnitt und 1, größer ist als der Elektronenbündel-Querschnitt, wobei die Folie eine Brems-

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strahlung erzeugt, wenn die Oberfläche durch Elektronen aus dem Elektronenbündel getroffen wird, daß weiterhin eine Einrichtung vorgesehen ist, welche dazu dient, die Folie quer durch den Weg des Elektronenbündels hindurchzubewegen, wobei die Oberfläche dem Elektronenbündel zugewandt ist, daß weiterhin eine erste Strahlungsdetektoreinrichtung vorhanden ist, welche in Urafangsrichtung um den Bündelweg herum auf einem Abstand von der Folie in der Richtung des ersten Bündolwegs angeordnet ist, um eine Strahlung von der Folie zu ermitteln, Vielehe durch das erste Elektronenbündel erzeugt wird, daß weiterhin eine zweite Strahlungsdetektor einrichtung vorhanden ist, welche in Umi'angsrichtung um den Bündelweg herum auf einem Abstand von der Folie in der Richtung des zweiten Bündelwegs angeordnet ist, um eine Strahlung von der Folie zu ermitteln, welche durch das zweite Elektronenbündel erzeugt wird, und daß eine Einrichtung vorgesehen ist, welche dazu dient, die ermittelte Strahlungsintensität durch die erste und die zweite Detektoreinrichtung als Funktion der Position der Folie im Bündelweg zu ermitteln.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch ge kennzeich net, daß eine zweite Folie vorgesehen ist, welche eine Oberfläche mit einer Breite w~ und einer Länge Ip aufweist, wobei Wp kleiner ist als die Elektronenbündel-^uerschnitte und Ip größer ist als die Elektronenbündel-Ouerschnitte, wobei die zweite Folie eine Bremsstrahlung erzeugt, wenn ihre Oberfläche von Elektronen aus den Elektronenbündeln getroffen wird, daß weiterhin eine zweite Einrichtung vorhanden ist, welche dazu dient, die zweite Folie quer durch den Elektronenbündelweg in einer Richtung hindurchzuführen, welche im wesentlichen senkrecht zu der Richtung der Bewegung der ersten Folie ist.

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