DE2823205C2

DE2823205C2 - Vorrichtung zum Erzeugen von longitudinalen Streifen energiereicher Elektronenstrahlen

Info

Publication number: DE2823205C2
Application number: DE19782823205
Authority: DE
Inventors: William A. Frutiger; David E. Beverly Mass. Overberg
Original assignee: ENERGY SCIENCES Inc BEDFORD MASS US
Current assignee: ENERGY SCIENCES Inc BEDFORD MASS US
Priority date: 1978-05-25
Filing date: 1978-05-25
Publication date: 1986-05-22
Also published as: DE2823205A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erzeugen von longitudinalen Streifen energiereicher Elektronenstrahlen der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art

In den US-PS 37 02412 und 37 69 600 sind Elektronenstrahl-Generatoren beschrieben, welche die Erzeugung von longitudinalen Streifen uniformer energiereicher Elektronenstrahlen für Bestrahlungszwecke oder dergleichen beschreiben. Diese sind insbesondere nützlich für industrielle Zwecke, wie beispielsweise zur Sterilisierung von Materialien, welche an den Fenstern des Elektronenstrahl-Generators vorbeigezogen werden, für Polymerisationszwecke oder zum Trocknen verschiedener Überzüge oder dergleichen. Die Zahl der industriellen und ähnlichen Anwendungen nimmt dabei ständig zu. Die Benutzung von streifenförmigen Elektronenstrahlen anstelle eines abtastenden punktförmigen Strahls oder konischer Strahlen hat bei vielen Anwendungen Vorteile, welche in der Gleichförmigkeit der Strahlung begründet liegen und den ermöglichten großen Geschwindigkeiten von Materialbahnen oder

so Produkten, die die Bestrahlungsquelle passieren. Bei bestimmten Anwendungen ist es erforderlich, besonders feine bzw. schmale Elektronenstrahl-Streifen zu erzeugen oder aber aus ökonomischen Gründen eine Anzahl von Streifen, welche in unterschiedlichen Richtungen unter verschiedenen Winkeln ausgesandt werden, um eine vielfache Bestrahlung während eines einzigen Durchlaufs eines Bogens, einer Materialbahn oder dergleichen zu gestatten bzw. andere entsprechende Bestrahlungsvorgänge oder -ergebnisse.

Aus der GB-PS 12 51 333 sind Vorrichtungen der eingangs genannten Art bekannt, bei denen ein oder zwei in unterschiedliche Richtungen ausgesandte Elektronenstrahl-Streifen erzeugt werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Vorrichtung der eingangs erwähnten Art Mittel anzugeben, mit welchen der öffnungswinkel der die Elektronenstrahl-Streifen bildenden Elektronenstrahlbündel und damit die resultierende Breite der Elektronenstrahl-

Streifen, welche von der Vorrichtung ausgehen, in weiten Grenzen genau steuerbar sein solL

Zur Lösung dieser Aufgabe dienen erfinJungsgemäß die im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 angegebenen Mittel.

Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Es sei darauf hingewiesen, daß die im Anspruch 9 genannte einstellbare Spannung des Kathodendrahts mittels einer Federanordnung bei einer Vorrichtung zum Erzeugen von Elektronenstrahl-Streifen aus der US-PS 37 01 915 und die im Anspruch 10 genannten Merkmale aus der eingangs bereits genannten US-PS 37 02 412 bekannt sind.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels des Erfindungsgegenstandes näher beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 eine isometrische Außenansicht aer Vorrichtung nach dem Ausführungsbeispiel der Erfindung,

F i g. 2 einen Längsschnitt in größerem Maßstab entsprechend der Linie 1Ι-Π in F i g. 1, in Richtung der Pfeile gesehen und

F i g. 3 einen stark vergrößerten Querschnitt

Das in den Fig. 1 und 2 wiedergegebene bevorzugte Ausführungsbeispiel der Erfindung weist eine sich in Längsrichtung erstreckende Kathode 1 auf, die bevorzugter-, aber nicht notwendigerweise, drahtförmig ausgebildet und direkt oder indirekt geheizt ist. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist sie direkt geheizt. Derartige Ausführungen sind in den obengenannten Patentschriften beschrieben und werden benutzt, um eine Iongitudinale Linie von Elektronen entlang der Kathode 1 zu erzeugen, welche transversal in alle radialen Richtungen emittiert werden.

Die Kathode 1 ist koaxial konzentrisch von drei leitenden Zylindern 3,11 und 12 umgeben, welche in einem Abstand voneinander angeordnet sind. Der innere Zylinder 3 ist mit einem Paar enger longitudinaler Schlitze 7 und T versehen dargestellt, welche Blenden bilden und in vorgegebenen Winkelbereichen seines Umfangs angeordnet sind. In diesem Fall beträgt der Winkelabstand auf dem Umfang 100°, welcher unter einem Gesichtspunkt gewählt wurde, der weiter unten beschrieben werden wird. Ein mittlerer Zylinder 11 ist ebenfalls mit einem entsprechenden Paar geringfügig weiterer Schlitze 13 und 13' und der äußere Zylinder mit einem Paar weiterer Schlitze f4 und 14' versehen. Die einander entsprechenden Schlitze sind radial aufeinander ausgerichtet, um die Elektronen des Strahls nacheinander passieren zu lassen, wie es weiter unten dargestellt ist.

Ein positives Potential von ungefähr 60 Volt wird zwischen der Kathode 1 und dem ersten koaxial zu ihr angeordneten Zylinder 3 angelegt, so daß der letztere als eine raumladungsbegrenzende Steuerelektrode dient, welche bewirkt, daß die von der Kathode 1 ausgesandten Elektronen in Richtung auf den Zylinder 3 abgezogen werden. Die einzigen Bereiche, in denen diese Elektronen durch den Steuerzylinder 3 hindurchgelangen können, sind die engen Schlitze 7 und 7', wobei die in die anderen radialen Winkelrichtungen ausgesandten Elektronen durch die undurchlässigen Wände des Zylinders 3 am Austreten gehindert werden. Die durch die engen longitudinalen Schlitze 7 und T abgezogenen Elektronen gelangen in den evakuierten Raum zwischen dem inneren Zylinder 3 und dem mittleren Zylinder 11 und weiter durch die entsprechend ausgerichteten Schlitze 13 und 13' in den evakuierten Bereich zwischen dem Zylinder 11 und dem äußeren abschließenden Zylinder 12. Durch eine entsprechende Wahl der Abstände zwischen diesen Zylindern — bevorzugterweise befindet sich der Zylinder 11 in der f</!itte zwischen dem steuernden Zylinder 3 und dem abschließenden Zylinder 12 — und durch die elektrische Verbindung der Zylinder 3 und 11 — wie sie beispielsweise durch den schematisch dargestellten, leitenden Träger 3' erfolgt — und der Zylinder 11 und 12 durch einen weiteren leitenden Träger 11' bewirken die Zylinder eine starke Abschirmung

ίο der Kathodenstruktur von dem eigentlichen Beschleunigungsfeld, das zwischen dem Zylinder 12 und dem äußeren, ebenfalls einen Zylinder bildenden Gehäuse 15 angeordnet ist, welches die gesamte Vorrichtung aufnimmt und an welches das positive Hochspannungs-Beschleunigungsfeld-Potential (nicht dargestellt) angelegt wird, wobei dessen negativer Anschluß mit dem äußeren abschließenden Zylinder 12 verbunden ist

Die beschriebene Struktur erwies sich als geeignet, um einen abschließenden Schlitz- oder Blenden-Linsen-Fokussiereffekt zu erzeugen, wodurch eine viel bessere Steuerung des Gesamtwinkels oder der transversalen Verteilung des streifenförmigen Strahls erreicht werden kann, der im Bereich zwischen dem Zylinder 12 und dem Gehäuse 15 beschleunigt wird und schließlich durch die entsprechend ausgerichteten Fenster 17 und 17' aus elektronendurchlässigem Material wie beispielsweise Aluminium o. ä., emittiert wird, um auf Erzeugnisse P, P' einzuwirken, welche in den daruntergelegenen Bereichen bestrahlt werden sollen.

Insbesondere wurde gefunden, daß es durch den geeigneten relativen Abstand und die Größe der ausgerichteten Zylinderöffnungen den Feldlinien in dem benachbarten Beschleunigungsbereich möglich ist, tief in die Schlitze einzudringen sowie als elektrostatische Linse zu wirken, und auf diese Weise den divergierenden Strahlstreifen, der aus der öffnung 7 des Steuerzylinders 3 ausgetreten ist und die Öffnung 13 des inneren Zylinders 11 passiert hat, konvergieren läßt bzw. so bündelt, daß er die Öffnung 14 passiert. Dasselbe gilt in bezug auf das andere ElektronenaustriUssystem 7', 13', 14'. Diese tiefe Bündelung gestattet es, die äußerste Winkelabmessung des Elektronenstreifens in transversaler Richtung innerhalb des Beschleunigungsbereiches zu steuern und zu bestimmen, so daß eine Feinsteuerung der gewünschten Strahlbreite über die Fenster 17 und 17'möglich ist.

Mit einer derartigen Struktur und der damit einhergehenden Betriebsweise wurde es möglich, Strahlstreifen in der Größenordnung von wenigen Grad — beispielsweise von 3° — an den Fenstern 17 und 17' zu erzeugen. Die Fenster selbst erstrecken sich über einen Winkel von wenigen Grad, der in günstiger Weise dem Zweifachen des Strahls entsprechen kann, d. h. hier ungefähr 6°. Bei einer solchen Struktur können der Zylinder 3 einen Durchmesser von 2,4 cm, der Zylinder 12 einen Durchmesser von 9 cm haben und der mittlere Zylinder im halben Abstand dazwischen angeordnet sein, wobei das äußere Gehäuse 15 20,3 cm mißt. Die Fenster 17 und 17' weisen damit eine Weite von ungefähr einem Zentimeter auf. Dabei sind die Schlitze 14 und 14' 3 mm und die Schlitze 13 und 13' ungefähr 0,24 cm sowie die Schlitze 7 und T ungefähr 0,06 cm groß.

Es ist ersichtlich, daß die Schlitze 7, T, 13,13', 14,14' in den F i g. 2 und 3 keine Gitter enthalten, wie sie früher bei Elektronenröhren üblich waren. Es v/urde gefunden, daß durch die Benutzung der engen Schlitze mit dem Tiefen-Abschirmeffekt der Anzahl ineinandergefügter Zylinder derartige Gitterstrukturen nicht nur unnötig

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sind, sondern bevorzugterweise dann weggelassen werden müssen, wenn eine feine Steuerung eines engen

Strahlwinkels gewünscht wird. Das Blenden-Linsen-Fo- '

kussier-Phänomen stellt bei derartigen Anwendungen

eine besonders wirkungsvolle Technik dar. Das soll al- s ι

lerdings nicht heißen, daß nicht in einem oder mehreren j

der Schlitze des Zylinders noch ein Gitter vorgesehen ''!

sein kann, es sei denn es wird für besondere Anwendungen des Mehrfachstrahlsystems mit schmalem Strahl, wie es hier als bevorzugt dargestellt ist, die größere 10

Effektivität der unbehinderten Schlitze der Vorzug ge- |:

geben. £

Die beschriebene Vorrichtung kann daher benutzt %

werden, um eine gleichzeitige Zweifachbestrahlung mit ä¹

einem eng begrenzten Streifen zu bewirken, wie bei- 15 Ji

spielsweise auf die zwei Papierbahnen P, P', welche bei- ί

spielsweise zum Zwecke der Sterilisation die entspre- >

chenden Fenster 17 und 17' passieren (F i g. 1). Sie kön- *';

nen dabei auch einen Karton oder Behälter bilden, die ||

entsprechende Eigenschaften aufweisen sollen. 20 ;|

Bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel werden %

zwei eng begrenzte energiereiche Elektronenstrahl- Ii

Streifen erzeugt Es können aber auch mehrere oder nur ■>;■

ein einziger Strahl-Streifen erhalten werden. Ein wichti- |j!

ges Problem bei der Anwendung von mehrfachen 25 φ

Strahlen ist die Sicherstellung der Gleichförmigkeit der | Elektronendichte über die gesamten Streifen bei den § Fenstern 17 und 17' und daß im wesentlichen dieselbe |« Anzahl von Elektronen im Bereich der engen Winkel die | Schlitze 7, 13, 14 passieren wie die Schlitze 7', 13', 14'. 30 |» Um diese Gleichförmigkeit und eine gleichmäßig effek- ,§,

tive Ausnutzung der verschiedenen schmalen Winkelbe- i

reiche der Kathode 1 zu erzielen, wird die zuvor benutz- §f

te Blenden-Schlitztechnik der Abschirmung, die tief ein- f_t

dringende Feldabschirmung und schließlich die Blen- 35 den-linsen-Fokussierwirkung benutzt, woraus sich die Gleichförmigkeit in den verschiedenen Richtungen ergibt

Zur weiteren Sicherstellung dieser Resultate ist eine h

elastische Aufhängung 1' (Fig.2) vorgesehen, welche 40 1

die fadenförmige Kathode 1 in Zwischenbereichen hält **

und durch Befestigungen getragen wird, die an dem Zylinder 11 befestigt sind, beispielsweise durch eine Feder- « anordnung 1", die eine Verschiebung während des

Transports oder am Ort der Aufstellung verhindert Zu 45 £

diesem Zweck ist eine Federspannanordnung Γ" darge- **

stellt, welche außerhalb der Zylinderkathode 3 angebracht ist um ein Justieren der Längsspannung der Kathode 1 nach deren Installation zu ermöglichen, wie es in F i g. 2 dargestellt ist 50

Die aus den Teilen 1, 3, 11 bestehende Anordnung wird als eine Einheit am linken, d. h. offenen Ende des Zylinders 12 eingefügt und exakt positioniert, wobei eine Ausrichtung mittels einer Lasche 2 und Ausrichtungsstiften, sowie Aufnahmeöffnungen erfolgt Der Zy- 55 linder 12 ist durch die Hochspannungsdurchführungsanordnung 20 (F i g. 1) abgeschlossen, welche gleichzeitig derartig in einem Steckeraufnahme-Ausrichtsystem angeordnet ist, daß es den zusammengesetzten Teilen möglich ist die korrekte Orientierung aufrechzuerhal- 60 ten, so daß diese anschließend in der korrekten Orientierung in das Gehäuse eingefügt werden können, wobei die Fenster 17 und 17' ausgerichtet sind.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen 65

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zum Erzeugen von longitudinalen Streifen energiereicher Elektronenstrahlen
mit einer sich in Längsrichtung erstreckenden, Elektronen aussendenden Kathode (1),
mit einer Anzahl von leitenden, sich in Längsrichtung erstreckenden Zylindern (3; 11; 12), welche koaxial mit der Kathode (1) konzentrisch in radialen Abständen angeordnet sind, von denen jeder mit einem oder mehreren von engen longitudinalen Schlitzen (7, 7'; 13, 13'; 14, 14') versehen ist, wobei die Schlitze (7, 7'; 13,13'; 14,14') aller Zylinder (3; 11; 12) radial aufeinander ausgerichtet sind,
mit einem evakuierten Gehäuse (15), welches die Zylinder umgibt und mit elektronendurchlässigen Fenstern (17,17') versehen ist, die radial in bezug auf die Schlitze ausgerichtet sind,
und mit Mitteln zum Erzeugen eines elektrischen Beschleunigungsfeldes zwischen dem äußersten Zylinder (12) und den Fenstern im Gehäuse, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel zum Anlegen eines gegenüber dem Potential der Kathode (1) positiven Potentials an den innersten der Zylinder (3) zur Steuerung der Elektronenextraktion von der Kathode (1) und zum Bilden von longitudinalen, durch die Schlitze (7, T) des innersten Zylinders (3) austretenden Elektronenstrahl-Streifen und Mittel zum elektrischen Verbinden aller Zylinder und zum Halten derselben in einem derartigen relativen Abstand vorgesehen sind, daß eine Fokussierung zum Konvergieren der Elektronenstrahl-Streifen durch die Schlitze (14,14') des äußersten Zylinders (12) in das Beschleunigungsfeld erreicht wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zylinder (3,11,12) aus drei konzentrischen leitenden Zylindern bestehen, deren mittlerer Zylinder (11) im wesentlichen in der Mitte zwischen dem innersten (3) und dem äußersten (12) Zylinder angeordnet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schlitze in jedem der Zylinder jeweils als ein Paar (7, 7'; 13, 13'; 14,14') enger Schlitze ausgeführt sind und zwei in radialer Richtung darauf ausgerichtete Fenster (17,17') vorgesehen sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Kreisbogen zwischen dem Fensterpaar(17,17') im wesentlichen 100° entspricht.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der radiale Winkel, welcher von jedem Fenster (17,17') eingenommen wird, in der Größenordnung von einigen Grad liegt.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Zylinder (3,11,12) derart angeordnet sind, daß der Radialwinkel, welcher von jedem Elektronenstrahl-Streifen eingenommen wird, wenn er auf das entsprechende Fenster (17,17') auf trifft in der Größenordnung von wenigen Grad liegt, dabei aber geringer ist als der Radialwinkel, den das entsprechende Fenster einnimmt.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der von dem Elektronenstrahl-Streifen eingenommene Radialwinkel im wesentlichen halb so groß ist wie der von dem entsprechenden Fenster (17,17') eingenommene Winkel.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7,

dadurch gekennzeichnet, daß die Kathode (1) einen longitudinalen Draht umfaßt, weicher mit einer störabsorbierenden elastischen Aufhängung (V) versehen ist, mit deren Hilfe er gehalten wird und welche ihrerseits an mindestens einem der Zylinder befestigt ist

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die elastische Aufhängung (V) eine Federanordnung (V") umfaßt, welche außen an einem Ende des inneren Zylinders (3) angeordnet und derart befestigt ist, daß die Spannung des Kathodendrahtes (1) einstellbar ist

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der äußerste Zylinder

(12) nach einer Seite zur Aufnahme der anderen Zylinder (3, 11) und der Kathode (1) geöffnet ist und eine Hochspannungsdurchfühmng (20) an der geschlossenen Seite vorgesehen ist, welche ausgerichtete Anschlüsse und öffnungen zur genauen relativen Ausrichtung aufweist

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand aufeinanderfolgender Zylinder (3, 11, 12) voneinander einige Zentimeter beträgt