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Einrichtung für die Erzeugung von Elektronen hoher Energie durch ein
elektrisches Wirbelfeld Die Erfindung betrifft eine Einrichtung für die Erzeugung
von Elektronen hoher Energie, durch das elektrische Wirbelfeld eines sich zeitlich
ändernden magnetischen Hauptfeldes. Bei einer durch die amerikanische Patentschrift
r 645 30'4 bekannten derartigen Einrichtung befindet sich in dem elektrischen Wirbelfeld
ein Vakuumgefäß mit einer Glühkathode. Dabei wirkt außer dem elektrischen Wirbelfeld
noch ein von Dauermagneten erzeugtes magnetisches Feld auf die Elektronen. Dieses
Magnetfeld besitzt aber nicht in allen Richtungen des Raumes stabilisierende Eigenschaften.
Die Elektronen, die sich in der :Mittelebene des Vakuumgefäßies auf Spiralbahnen
bewegen sollten, werden daher durch die geringsten Störungen (Zusammenstöße mit
Restgasmolekülen u. dgl.) aus der Mittelebene abgelenkt und gelangen an die Wandungen
des Vakuumgefäßes, so daß praktisch keine Ausbeute an schnellen Elektronen möglich
ist. Ferner ist durch diedeutsche Patentschrift 698 867 eine Einrichtung für die
Beschleunigung von Elektronen im elektrischen Wirbelfeld bekannt, mit der Elektronen
extrem hoher Geschwindigkeit erzeugt werden können. Bei dieser bekannten Einrichtung
ist ein rotationssymmetrisches, zeitlich veränderliches Führungsfeld vorhanden,
das in allen Richtungen
stabilisierende Eigenschaften besitzt und
außerdem mit dem Hauptfeld durch die sogenannte i : 2-Bedingung ver'knüpf't ist.
Die Elektronen werden dabei auf einer Kreisba(hn beschleunigt, die mehrmals durchlaufen
wird. Die Ausbeute an schnellen Elektronen ist aber bei dieser Einrichtung verhältnismäßig
gering, da immer nur eine beschränkte Anzahl von Elektronen auf die Kreisbahn gebracht
werden kann. Es ist auch bekannt, daß die Leistungsfähigkeit einer Einrichtung für
die Erzeugung von Elektronen hoher Energie dadurch gesteigert werden kann, daß man
den Elektronen eine möglichst große Änfangsgeschwindigkeit erteilt (»The Acceleration
öf Electrons by Magnetic Induction« vonD. W. Kerst in »Physical Review«, R:.'. do,
i. Juli 1944 S. 47 bis 53).
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Die vorliegende Erfindung besteht darin, die bei den Einrichtungen
für die Elektronenbeschleunigung mixt zeitlich veränderlichem Führungsfeld an sich
bekannten Gesetzmäßigkeiten, soweit es in Frage kommt, 'bei einer solchen Einrichtung
mit zeit'lic'h unveränderlichem Führungsfeld, bei der die Elektronen Spiralbahnen
durchlaufen, anzuwenden. Dadurch werden besondereVortei,le erzielt, da die Schwierigkeiten,
die fier den Einrichtungen mit veränderlichem Führungsfeld durch die Elektronenbewegung
.auf einer Kreisbahn bestehen, bei der neuen Einrichtung nicht auftreten und eine
große Ausbeute an beschleunigten Elektronen möglich ist. Ausgehend von einer Einrichtung
für die Erzeugung von Elektronen hoher Energie durch das elektrische Wirbelfeld
eines sich zeitlich ändernden magnetischen Hauptfeldes, bei der ein ratationssymmetrisches,
mit -dem Hauptfeld gleichachsiges magnetisches Führungsfeld verwendet wird, dessen
Feldstärke von der Mitte nach außen hin stets weniger stark. als umgekehrt proportional
dem Radius abnimmt, wird eine Vergrößerung -der Ausbeute an beschleunigten Elektronen
gemäß der Erfindung dadurch erzielt, daß das Führungsfeld zeitlich unveränderlich
ist, daß eine Vorbeschleunigungseinrichtttng den= zu- beschleunigenden Elektronen
eine möglichst hohe Anfangsgeschwindigkeit erteilt und daß bei lern ringförmigen
Vakuumgefäß fürs die zu beschleunigenden Elektronen das Verhältnis des Außendurchmessers
zum Innendurchmesser groß ist.
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Ein Ausführungsbeispiel der neuen Einrichtung ist .in Fig. i im Querschnitt
und .in Fig. 2 teilweise in einem Schnitt längs der Geraden A-B der Fig. i schematisch.
dargestellt. Hierbei ist ein einfacher geschlossener Eisenkern i verwendet, rauf
dessen einem Sclieükel idie beiden Spulen :i für die Erzeugung des magnetischen
Hauptfeldes und zwei tellerfÖzm1ge Scheiben 3 aus magnetischem Material angeordnet
sind. Die Scheiben 3 umschließen in vorteilhafter Weise an ihrem äußeren Rand die
gegebenenfalls zweiteilige Erregerstromspule 4 des magnetischen Führungsfe'lides
und stellen so einen Teildes Vakuumgefäßes 5 für die zu beschleunigenden Elektronen
und zugleich die Polschuhe für das Führungsheld dar: Diese Polschuhe haben eine
solche Form bzw.gegenseitige Lage, . daß die magnetische Feldstärke des dazwischenliegenden
rotationssymmetrischen, mit dem Hauptfeld gleichachsigen, zeitlich unveränderlichem
Führungsfeldes von der Mitte nach außen hin stets weniger stark als umgekehrt proportional
mit dem Radius abnimmt. Ein so bemessenes Führungsfeld übt auf die zu beschleunigenden
Elektronen eine derartige stabilisierende Wirkung aus, daß diese während ihrer Beschleunigung
in der Mittelebene des Vakuumgefäßes bleiben. Damit das Vakuumgefäß 5 nicht als
Kurzschlußwind'ung wirkt, ist es bei 6 aufgesägt und -mit einem Streifen, aus Isollermateri.al
abgedichtet. Zwischen die inneren Ränder der Polschuhe (Scheiben 3) des Führungsfeldes
ist ein Isoliereinsatz 7 mit einer Hochspannungszuführungsleitung 8 für die :dort
angebrachte Elektronenquelle 9 mit Vorbeschleunigungseinrichtung io eingebaut. Dia
die Elektronen bei der neuen Einrichtung spiralförmige Bahnen beschreiben, die nur
eine beschränkte Anzahl von Windungen haben, kann deren Endgeschwindigkeit nicht
beliebig hoch gesteigert werden. Um eine möglichst hohe Geschwindi-gkeit oder Elektronen
zu erhalten, ist bei der neuen Einrichtung das Verhältnis des Außendurchmessers
des ringförmigen Vakuumgefäßes 5 zu dessen Innendurchmesser groß gewählt. Ferner
ist aus diesem Grunde die Elektronenquelle 9, die in den Fig. 3 und 4 in etwas größerem
Maß-stabe in einer Vorderansicht und in der Draufsicht schematisch dargestellt ist,
mit der Vorbeschleunigungseinrichtung io versehen. Zur Vermeidung der magnetischen
Rückwirkung der kreisenden Elektronen sind die Innenflächen der Polschuhe für das
Führungsfeld mit einem Kupferbelag i i versehen. Die Vorbeschleunigungseinrichtung
io der Elektronenquelle 9 ist über den Haltebügel i2 mit dem Kupferbelag i i 'leitend
verbunden und geerdet. An dem Isoliereinsatz 7 sind zwei scheibenförmige Ansätze
13 vorhanden, die zur Isolation der Elektronenquelle 9 gegen den geerdeten Kupferbelag
i z bestimmt sind. Am äußeren Rande des Führungsfeldes. ist für die Röntgenstrahlenerzeugung
eine Wolframplatte 14 und in dem Vakuumgefäß 5 ein Strahlenaustrittsfenster 15 angebracht.
Gegebenenfalls kann an Stelle der Wolframplatte, ähnlich wie beim Zyklotron, auch
eine tangential angeordnete, elektrisch geladene Ablenkplatte vorhanden sein, durch
die die Elektronen in einen rohrförmigen Ansatzstutzen des Vakuumgefäßes abgelenkt
werden.
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Damit die Erregerstromspule 4 des F1i'hrungsfeldes den Eisenkern i
nicht vormagnetisiert; ist auf diesem die Kompensationsspule 16 angeordnet.
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Während die Einrichtungen mit zeitlich veränderlichem Führungsfeld
nur sehr kleine Elektronenströme mit extrem hohen Endgeschwindigkeiten ermöglichen,
werden bei der neuen Einrichtung verhältnismäßig große Elektronenströme, jedoch
mit niedrigeren Endgeschwindigkeiten erzeugt. Da sich die Elektronen bei oder erfindungsgemäßen
Einrichtung nicht auf einer Kreisbahn, sondern auf Spiralbahnenbewegen,bleibt jedes
einzelne Elektron nur kurze Zeit im Führungsfeld. Es entsteht daher dort nur eine
sehr geringe Raumladungsdichte, so
daß keine großen Verluste durch
gegenseitige Abstoßung der Elektronen auftreten. Die große Ausbeute an Elektronen
ist weiterhin dadurch bedingt, daß während der ganzen Zeit der Ummagnetisierung
des Hauptfeldes dauernd Elektronen von der Elektronenquelle nachgeliefert und am
Rande des Führungsfeldes abgegeben werden können. Bei dem Ausführungsbeispiel der
neuen Einrichtung, die sich durch besondereEinfachheit in derAusfübrung und beim
Betrieb auszeichnet, können mit verhältnismäßig geringem elektrischem Aufwand bei
Betrieb mixt iooo Per./Sek. und einer Vorbeschleunigungsspannung für die Elektronen
von ioo kV Elektronenströme von einigen mA und Endgeschwindigkeiten von etwa 5oo
ekV erzielt werden.