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Besdileunigungseinriditung für Elektronen Die Erfindung bezieht sich
auf eine Elektronenschleuder, bei der die Elektronen als enges Bündel etwa azimutal
dem stabilisierenden Führungsfeldbereich in derNähe seiner innerenGrenze zugeführt
werden.
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Bei einer derartigen Schleuder steht für den Injektor an der inneren
Grenze des Führungsfeldes nur ein sehr beschränkter Raum zur Verfügung. GrößereVorbeschleunigungsspannungen,
die größere Abmessungen des Injektors erfordern, können daher bei derartigen Schleudern
bisher nicht verwendet werden. Auch hinsichtlich Zugänglichkeit, Wärrneabführung
und Spannungszuführung ist die Aufstellung des Injektors an der inneren Fübrungsfeldgrenze
nachteilig, insbesondere bei abgeschmolzenen Vaktiumgefäßen. Diese Schwierigkeiten
sind gemäß der Erfindung dadurch vermieden, daß der Injektor an der äußeren Grenze
des stabilisierenden Führungsfeldbereiches so angeordnet und seine Vorbeschleunigungsspannung
so gewählt ist, daß die Elektronen von ihm aus in den äußeren stabilisierenden Führungsfeldbereich
mit einer Geschwindigkeit eintreten, die bei der Führungsfeldstärke während des
Einschießens der Umlaufgeschwindigkeit der Elektronen auf einem Kreis in der Nähe
der inneren Führungsfeldgrenze entspricht und daß in der Nähe dieses Kreises ein
System zur Umlenkung der Elektronen etwa azimutal zum Führungsfeld vorgesehen ist.
Die Elektronen, die das Beschleunigungssystem des Injektors als enges Bündel verlassen,
laufen zunächst quer durch das Führungsfeld
und werden, soweit
sie in das Umlenksystem gelangen, von diesem, wie von einem Inneninjektor aus, dem
inneren stabilisierenden Führungsfeldgebiet zugeführt.
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Der Injektor kann in diesem Falle so weit außerlialb der äußeren Grenze
des Führungsfeldes aufgestellt werden, daß er einer Sollkreiserweiterung nach vollzogener
Beschleunigung zum Zwecke der Abstrahlung der Elektronen in den Außenraum nicht
hinderlich ist. Er kann also beliebig groß ausgebildet werden, und für die Zuführung
höherer Vorbeschleunigungsspannungen steht genügend Platz zur Verfügung. Trotzdem
werden die Elektronen in den inneren stabilisierenden Führungsfeldbereich eingefangen,
was insbesondere deshalb vorteilhaft ist, weil in diesem Fall bei Konstantlialtung
des Führungsfeldes während des Einfangens eine gleichmäßige Füllung des Beschleunigungsgefäßes
mit Elektronen, also eine Erhöhung der Raumladung möglich ist.
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Zweckmäßig hält man dasFührungsfeldwährend des Einschießens auf einer
Feldstärke konstant, die das gesamte vom Außeninjektor ausgehende Elektronenbündel
in das Ablenksystem hineinlenkt. Das kann z. B. dadurch-erreicht werden, daß durch
eine nur das Beschleunigungsfeld umschließende Spule unmittelbar vor Beginn des
Einschießvorganges für die Dauer dieses Vorganges ein so großer und so gerichteter
sich zeitlich ändernder Strom fließt, daß das gesamte magnetische Feld innerhalb
dieser Spule sich in der Weise zeitlich ändert, daß als Reaktion hierauf, ausgelöst
dadurch, daß das Gesamtfeld der Schleuder wegen seiner Speisung aus einem elektrischen
Schwingungskreis einen sinusförmigen Verlauf haben muß, das Führungsfeld konstant
bleibt. Zu dem gleichen Zweck kann man auch einen in der Mittelachse der Schleuder
angeordneten, den Luftspalt zwischen den Beschleunigungspolen überbrückenden Kern
aus einem magnetischen Material mit rechteckiger Magnetisierungskurve verwenden.
Dieser Kern ist infolge der starken Magnetisierung durch den Strom in der Erregerwicklung
der Schleuder in jeder Halbwelle des Betriebswechselstromes in der einen oder anderen
Richtung magnetisch gesättigt und stört in seinem Sättigungszustand das Verhältnis
der Schleuderfelder nicht. Bei jedem Nulldurchgang des Erregerstromes erfolgt aber
nach Erreichen einer geringen Stromstärke eine Ummagnetisierung des Kernes. Durch
die rasche Flußänderung während der Ummagnetisierung wird in der Frregerwicklung
eine elektromotorische Kraft induziert, die den Anstieg des Erregerstromes hemmt
und bewirkt, daß dieser Strom erst nach Wiedererreichen der magnetischen Sättigung
im Kern weiter ansteigt. Man kann aber auch einen größeren Teil der Elektronen bei
nicht absolut konstant gehaltenem Führungsfeld in das Umlenksystem hineinbekommen,
wenn man dafür sorgt, (laß die Elektronen ans dem Injektor etwas divergent austreten.
Während einer Änderung des Führungsfeldes uni einige Prozent wird dann stets eine
größere Xtizahl von Elektronen unter dem richtigen Winkel in den Umlenker gelangen.
Allerdings muß der von der Elektronenquelle ausgehende Elek-
tronenstrom in
diesem Fall größer sein als bei konstant gehaltenem Führungsfeld. Diese Forderung
kann indessen leicht erfüllt werden, weil der Elektronenstrom in der Größenordnung
einiger Milliampere liegt.
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Das Umlenksystem darf selbstverständlich den bereits eingefangenen,
am inneren Rand des Führungsfeldes kreisenden Elektronen nicht im Wege stehen. Es
besteht daher zweckmäßig aus einem S-förmig gebogenen Ablenkkondensator, von dem
mindestens seine -'#ustrittsöffnung in das innere stabilisierende Führungsfeldgebiet
hineinragt und dessen Eintrittsöffnung vorzugsweise radial weiter innen als die
Austrittsöffnung liegt.
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Weitere Merkmale der Erfindung werden nachstehend an Hand der Figuren
erläutert. Diese veranschaulichen als Ausführungsbeispiel des Gegenstandes
der Erfindung (las Nakuumgefäß einer Elektronenschleuder für eine Endgeschwindigkeit
von 6 MeV mit einem Außeninjektor, an dem eine Einschießspannun- von 6o1,#'
liegt, wobei die Fig. i einen Autriß, geschnitten nach der ge-
brochenen Linie
A-B-C-D der Fig. 2, darstellt.
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An das kreisringförmige, ktramische Vakuumgefäß i mit dem eingeschinolzenen
Glaspumpstutzen 2 und dein durch ein dünnes Metallfenster verschlossenen Elektronenaustrittsstutzen
3 ist innerhalb des rohrförmilgen Ansatzes 4, der durch die Keramikplatte
5 abgeschlossen ist, der Injektor in der #N'eise vollständig außerhalb des
Grenzkreises 6 des Führungsfeldes aufgestellt, daß die Elektronen von ihm
aus als schwach divergentes Bündel in den äußeren stabilisierenden Bereich des Führungsfeldes
eintreten. Der Injektor besteht aus dem Glühdraht 7, der ihn umgebenden Elektrode
8
und den eine sog. elektrostatische Immersionslins,-bildend-en Elektroden
9 und io. die gegenüber dem Glühdraht 7 an Spannungen von etwa
+ 2,5 kV
und + 7 kV liegen. Die Elektrode 8 liegt nur zweimal
während jeder Periode des Schleuderfeld-es kurzzeitig, und zwar etwa io-1
Sek. lang. auf etwadein gleichen Potential wie (k r Glühdrabt, während der
übrigen Zeit aber auf einem negativen Sperrpotential. Der Elektrode io ist eiin
l#eschl--,unigungstlektrode i i vorgelagert, an der beispielsweise eine Spannung
von + 6o kV liegt. Der Austrittsöffnung dieses Injektors mit \_orbeschleunigungssystem
ist der aus den beiden Platten 12 und 13 bestehende Ablenkkondviisator vorgelagert,
mit dem die Richtung der Elektronenstrahlen leicht korrigiert werden kann. Die Elektroden
9, io und ii und auch die Platten 12. 13 des Ablenkkondensators bestehen
zweckmäßig aus weichem Eisen, so daß sie den Elektronenstrahl gegen das Streufeld
der Schleu-der, wenigstens solange dieses noch schwach ist, magnetisch abschirmen.
An den Platten 12, 13 des .\t)I,elik-1,oiiidensators genügen Spannungen von
einigen ioo 'Volt, um den Elektronenstrahl in die gewünschte Richtung justieren
zu können. Die Elektrode 13 des Ablenkkondensators ist mit der 13escliletliii.1-iiii-sele'k-trode
i i verbunden
und liegt mit dieser über die Kontaktfede'r 14 an
d?in liin.2iii).#,lag 15 des \,'äktiumgefäßcs an.
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Unter der Annahme, daß den Elektronen im Injektor durch geeignete
Wahl der Spannung an dessen ]3esclil,etiii:giiiig-s,el,el,trod.-ii eine Geschwin,-I:igkeit
erteilt wird, die bei der Führungsfeldstärke während des Einschießvorganges der
Umlaufgeschwindigkeit der Elektronen auf dem Kreis 16 in der Nähe des inneren
Gr-enzkreis-es 17 entspricht und das Führungsfeld während des Einschießvorganges
konstant gehalten wird, durchqueren die Elektronen etwa in der au-, der Fig. 2 ersichtlichen
Weise das Führungsfeld und gelangen kurz vor Erreichen des inneren Grenzkreises
17 in dic Eingangsöffnung (12s Umlenkkondensators 18.
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Der Umlenkkondensator 18 besteht im wesentlichien aus der dem Sollkreis
ig zugewandten geerdeten S-förmig gebogenen Kondensatorplatte 20 und den beiden
kreisbogenförmigen Gegenplatten21 und 22, die an Spannungen von etwa -io
kV und + iokV gegen Erde liegen, und hat eine durchschnittliche Breite
von etwa i mm. An seiner Eintrittsstelle ist eine kleine Elektrode 23 vorgesehen,
die die Aufgabe hat, erforderlichenfalls d-ie Eintrittsrichtung des Elektronenstrahles
in den Umlenker zu korrigieren. Die Spannungen an den Elektroden 21 bis
23 werden zweckmäßig so gewählt, daß der Elektron-enstrahl während der Konstanthaltung
des Führungsfeldes, ohne größere Verluste ain den Elektroden zu erleiden, durch
den Umlen,ker läuft und diesen azimutal verläßt.
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Um Störungen der schon eingefangenen Elektronen durch Sekundärclektronen
zu vermeiden. die vom Elektronenstralil an der Elektrode 20 oder an der Innenwand
des Vakuumgefäßes während des Einfangvorganges oder kurz darauf ausgelöst werden,
sind neben deni Eingang des Umlenkkondensators 18 taschenförmige Auffangkäfige 24
Und 25 vorgesehen.
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Die Einschießspannung und die konstant gehaltene Führungsfeldstärke
werden zweckmäßig so aufeinander abgestimmt, daß die aus dem Umlenker austretenden
Elektronen verhältnismäßig geringe radiale Schwingungen machen, um das Führungsfeld
gleichmäßig mit Elektronen auszufüllen. Darüber hinaus ist es vorteilhaft, dem Führungsfeld
im Bereich der ersten Umläufe bzw. Schwing-ungen eine solche radiale Abhängigkeit
zu geben, daß die Elektronen bei jeder radialen Schwingung angenähert zwei Umläufe
machen, weil dann be-
sonders günstige 13.edingungen dafür gegeben sind, daß
sie nicht vorzeitig wieder auf den Umlenker auftreffen.
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Die weitere Beschleunigung der Elekronen und auch das Auswerfen d"2r
sohnellen, Elektronen, z. B. mit Hilfe einer sog. Störspule, wird durch den Injektor
nicht gehindert, weil dies-er außerhalb des Grenzkreises 6 liegt, in dessen
Nähe die Elektronenbalinen wistahil werden. Es kann auch ohne Schwierigkeiten ein
Ablenkkondensator 26 angeordnet werden, der die schnellen Elektronen in Form
eines "#iigen '-,trahles durch den Austrittsstutzen 3 des Vakuumgefäßes i
nach außen ablenkt.
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Die Glühwendel 7 und die Elektroden 8 und
9
sind an Molybdänstiften 27 justierbar gehaltert, die in die keramische
Abschlußplatte 5 einglasiert sind und gleichzeitig der Spannungszuführung
dienen. Zur Halterung der Elektroden io und- i i sowie des Umlenkers 18 dienen zwei
Holme 28
und 29 aus keramischiern Material, die uni die Abschlußplatte
5 angeschraubt sind. Das Beschleunigungssystem und der Umlenker bilden somit
eine bauliche Einheit, die schon vor dem Einbau in das Vakuumgefäß zusammengebaut
und in einem Hilfsgefäß erprobt werden kann, das in einem dem Führungsfeld der Schleuder
analogen, stationären Magnetfeld liegen muß. Nach der Erprobung wird das System
in das Vakuumgefäß i eingesetzt und durch eine vakuumdichte Verschmelzung an der
Stelle 30 mit ihm verbunden. Hierauf wird das Gefäß über den Pumpstutzen
2 evakuiert, anschließend ausgeheizt und die Metallteile des Injektors werden mit
Hochfrequenz ausgeglüht.
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Die Holme 28 und 29 sind innerhalb des Führungsfeldes auf ihrer
dem Elektronenstrahl zugewendeten Seite metallis-iiert, und dieser Metallbelag ist
mit dem metallischen Innenbelag 15 des Vakuumgefäßes verbunden. An der Außenseite
tragen die Holme, in Form von aufgebrannten schmalen Silberstreifen, die Zuleitungen
zu den Elektroden 21 bis 23 des Umlenkers. Diese Zuleitungen sind gegen den
metallenen Innenbelag des Vakuumgefäß-es durch Glimmer isoliert und stehen' über
Kontaktfedern mit den Durchführungen 31
bis 33 in metallischer Verbindung.
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Mit d ein Umlenker 18 kann man bei geeigneter Bemessung außer der
Umlenkun.g der Elektronen, die das Führungsfeld durchquert hab-en, noch eine Einengung
des Elcktronenbündiels und damit eine größere Sicherheit gegen ein Wiederauftreffen
der Elektronen nach einem oder mehreren Umläufen auf den Umlenker erreichen. Innerhalb
des Umlenkers sammeln sich nämlich, wenn seine Breite im Verhältnis zu sein-er Länge
klein ist, in seinem ersten Teil alle Elektronen des Bündels in, einem Punkt (Brennpunkt),
nachdem die Elektronenstrahlung in diesem Teil einen Kreisbogen über einen Winkel
al von 63,7' durchlaufen hat. Durch geeignete Wahl der Spannung an der Elektrode
21 kann man diesen Punkt in, die Mitte zwischen den Platten 20 und 21 des ersten
Teiles legen. Gibt man nun dem ersten Teil des Umlenkers eine solche Länge, daß
der Brennpunkt, wie aus dier Fig. 3 ersichtlich ist, am Ende dieses Teiles
entsteht und bildet man den zweiten Teil des Umlenkkondensators, der stärker als
der erste gekrümmt sein muß, um die Elektronen azimutal zum Führungsfeld umzulenken,
so aus, daß er die gleichen Proportionen wie der erste Teil besitzt, gibt man also
auch ihm eine Länge, die sich über einen Winkel a2 von 63,7' erstreckt, so
bildet die Elektronenstrahlung in ihm ein Bündel, das ein verkleinertes zentrisch-symmetrisches
Abbild des Bündels im ersten Teil darstellt.
Die vorstehend angegebenen
Werte für den Winkela (63,7') gelten unter der Voraussetzung, daß im Umlenker kein
magnetisches Feld vor-]landen ist. Das Magnetfel-d der Schleuder ist aber
auch im Umlenker wirksam. Die Ablenkspannung im ersten Kondensatorteil muß daher,
um die Beeinträchtigung der Bahnkrümmung durch das Magnetfeld zu beseitigen, größer
und im zweiten Kon-densatorteil kleiner gemacht werden als bei magrittfeldfreier
Anordnung. Eine homogene Magnetfeldstärke im Umlenker vorausgesetzt erhält man
je nach der Feldstärke des Führungsfeldes eine bestimmte Verikleinerung des
Winkels al und Vergrößerung des Winkels a2, deren Betrag mit der Magnetfeldstärke
zunimmt. In diesem Fall tritt der Elektronenstrahl aus dem Umlenker nicht mehr parallel
zum eintretenden Strahl, sondern unter dem Winkel ß=a2-a, aus, wie in der Fig.,4
veranschaulicht ist. Der Winkel ß ist um so größer, je größer der Einfluß
des Magnetfeldes gegenüber den elektrischen Feldern des Umlenkers ist.
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Man kann jedoch auch so vorgehen, daß man, wie die Fig.
5 erkennen läßt, die Winkel it, und a,
gleich groß macht und den Sammelpunkt
nicht an die Stoßstelle der beiden Kondensatorteile, sondern in den ersten Kondensatorteil
legt. Allerdings erhält man dann nicht mehr ein dem Verhältnis der Krümmungsradien
der Kondensatorteile entsprechendes Verkleinerungsverhältnis für die Breite des
Strahles.
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Für die Isolation der Zuleitungen ist es zweckmäßig, den Umlenker
so aufzubauen, daß seine positive und seine negativeAblenkspannutig gleiche Werte
haben. Um auch in diesem Fall unter den hei einer Elektronenschleuder gegebenen
Bedingungen ein Bündel paralleler und stark konzentrierter Elektronenstrahlen in
azimutaler Richtung aus dem Umletilker herauszubekommen, kann man auch so vorgehen,
daß man gemäß Fig. 6 den #,rsten Kondensatorteil mit der Länge a, und d..-ii
Krümmungsradius r, über den Sammelpunkt der Elektronen mit verengtem Querschnitt
hinaus erstreckt und ihn auf dem verengten Stück stärker krümmt, wie in der Fig.
6 durch den Krümmungsradius r. und den Winkel a., angegeben ist.