DE924820C

DE924820C - Elektronenzyklotron

Info

Publication number: DE924820C
Application number: DEL624A
Authority: DE
Inventors: Friedrich Dr Schloegl; Reinhart Dr Schulze; Gustav Weissenberg
Original assignee: Ernst Leitz Wetzlar GmbH
Current assignee: Ernst Leitz Wetzlar GmbH
Priority date: 1949-12-19
Filing date: 1949-12-20
Publication date: 1955-03-07

Description

Die Erfindung betrifft eine Elektronenquelle für Entladungsgefäße zur Erzeugung beliebiger Elektronengeschwindigkeiten.

Elektronenquellen für höhere Elektronengeschwindigkeiten, bei denen sich bereits der relativistische Massenzuwachs bemerkbar macht, sind schon verschiedentlich vorgeschlagen worden. Es handelt sich dabei im allgemeinen um Linearbeschleuniger, die den Nachteil aufweisen, daß mit

ίο sehr hohen Spannungen, die der gewünschten Beschleunigung entsprechen, gearbeitet werden muß. Es ist auch bereits ein Elektronenbeschleuniger nach dem Zyklotronprinzip für mittlere Geschwindikeiten beschrieben worden (Salow, Zeitschrift für Naturforschung, Jahrg. 1947). Die allgemeine Theorie für das Zyklotron ergibt aber, daß bei der üblichen Bauart hohe Elektronengeschwindigkeiten nicht erreicht werden können, weil die Elektronen infolge ihres relativistischen Massenzuwachses gegenüber dem beschleunigenden Feld, das mit konstanter Frequenz an den Beschleunigungselektroden zur Wirkung kommt, außer Takt geraten.

Es ist aber von großem technischem Interesse, Elektronenzyklotrons für hohe Elektronengeschwindigkeiten zu bauen, weil, wie leicht nachgewiesen werden kann, der chromatische Fehler der austretenden Elektronen sehr klein gehalten werden kann und vor allem weil die höchstauftretende Spannung an derartigen Geräten die Beschleunigungsspannung an den Elektroden ist.

Es wurde nun gefunden, daß das Zyklotronprinzip für Elektronenquellen mit hohen Elektronengeschwindigkeiten verwendet werden kann, wenn erfindungsgemäß zwecks Fokussierung der Elektronen und Kompensation der Phasenverschiebung, die durch den relativistischen Massenzuwachs der Elektronen bei ihrer Beschleunigung entsteht, ein radial veränderliches Magnetfeld mit azimutalen periodischen Schwankungen verwendet wird. Der Massenzuwachs der Elektronen läßt sich für jede

beliebige Endenenergie voll kompensieren, wenn die periodischen azimutalen Schwankungen des Magnetfeldes etwa im Verhältnis bis ι : 0,6 liegen. Eine zweckmäßige Ausführungsform des erfindungsgemäßen Elektronenzyklotrons besteht aus mindestens einem Paar, vorzugsweise aber vier oder mehr paarweise angeordneten Elektroden, die vorzugsweise aperiodisch an den Hochfrequenzkreis gekoppelt sind, der die zum Betrieb notwendige hochfrequente Beschleunigungsspannung liefert. Die Elektroden und die Emissionsstelle für die Elektronen liegen in einem flachen, evakuierfähigen Glas- oder Metallgefäß, das gegebenenfalls dauernd an der Pumpe liegt oder nach Evakuierung abgeschmolzen werden kann.

Die Emissionsstelle besteht vorzugsweise aus einer Glühkathode, einem Gitter und einer oder mehreren Elektroden zur Bündelung der Elektronen. Eine besonders zweckmäßige Ausführung " der Emissionsstelle besteht darin, daß die Glühkathode von einer Elektrode, die auf niedrigerem elektrischem Potential als die Glühkathode liegt, teilweise umgeben ist, um alle aus der Glühkathode austretenden Elektronen zu sammeln. Ferner ist ein Gitter vorgesehen, das mit einer vorzugsweise regelbaren Phasenverschiebung mit der Hochfrequenz (Betriebsfrequenz) der Elektroden des Zyklotrons gekoppelt ist, und eine Schlitzanode, die den Elektronen die notwendige Geschwindigkeit für den Eintritt in die Elektroden des Zyklotrons verleiht. Die Elektronenoptik der Kathode ist so eingerichtet, daß die notwendige Richtung und die Apertur der in die Elektroden des Zyklotrons eintretenden Elektronen gewahrt wird. Die technischen Mittel dazu sind bekannt.

Vorzugsweise in der Trennebene zwischen den Elektroden liegt die Ablenkeinrichtung zum Austritt der Elektronen mit einem Ansatz, der zu dem eigentlichen Entladungsgefäß führt, in dem die hochbeschleunigten Elektronen verwendet werden sollen. Die Ablenkeinrichtung besteht zweckmäßig aus einem Kondensator, der von einer dünnen Schneide, die so im Vakuumgefäß angeordnet ist, daß die vorletzte Elektronenbahn an ihr vorbeigeht, und einer zweiten Platte an der Außenseite der Ablenkeinrichtung gebildet wird.

Das die Elektronen auf der Bahn haltende Magnetfeld wird von zwei Platten aus permanentmagnetischem Material erzeugt, die gleichsinnig magnetisiert und über und unter dem Gefäß angeordnet sind. Die Anordnung erfolgt vorzugsweise so, daß beide Platten durch einen Feintrieb bekannter Ausführung um ein Gleiches symmetrisch zur Mittelebene zu- oder wegbewegt werden können. Es erweist sich jedoch als vorteilhaft, eine oder beide Platten mit einem Mikrometerantrieb, beispielsweise jede für sich getrennt, bewegbar anzuordnen, damit die Symmetrieebene der Elektronenbewegung in dem Gefäß, durch Betätigen dieser Mikrometerantriebe verschoben werden kann. Zur gleichmäßigen Variation des Magnetfeldes, also der magnetischen Feldstärke in der Symmetrieebene, kann beispielsweise die Vorrichtung zur Bewegung der Permanentmagnete so ausgebildet werden, daß in ihr ein Ferromagnetikum zu einem magnetischen Nebenschluß führt, der durch einen entsprechenden Feintrieb verändert werden kann.

Um einen bestimmten Verlauf der Feldstärke längs des Radius zu erzwingen, werden die Permanentmagnete auf der Seite, die zu dem Gefäß hinweist, durch an sich bekannte Maßnahmen, beispielsweise durch Schleifen, entsprechend geformt. Eine vorzugsweise Ausführungsform besteht darin, daß die beiden Flächen der Permanentmagnete sphärisch geformt werden, so daß durch an sich bekannte optische Prüfmethoden der Krümmungsradius und die Rotationssymmetrie überprüft und eingehalten werden kann. Selbstverständlich kann man auch so vorgehen, daß man die beiden Permanentmagnete mit der ebenen Fläche an das Gefäß heranführt und die beiden Außenflächen entsprechend formt. Erstere Ausführungsform hat jedoch den Vorteil, daß man durch Auflegen von permanentmagnetischen Ringen zusätzlich das Radialfeld beeinflussen kann.

Das azimutal periodisch wechselnde Feld kann nach verschiedenen Methoden erzwungen werden. Entweder es werden Sektoren aus Material mit hoher Permeabilität zwischen den Permanentmagneten symmetrisch eingeschoben, die mit leeren Feldern abwechseln, oder aber es werden Sektoren aus Materialien mit verschiedener Sättigungspermeabilität eingeschoben. Dabei können diese und auch die obenerwähnten Sektoren radial verschiedene Dicken aufweisen, oder aber sie werden wie bei einer Irisblende zentrisch bewegt, wobei beide Irisblenden zweckmäßig durch mechanische Kopplung gleichzeitig bewegt werden. Zwecks leichterer Justierung wird man dann zusätzlich eine oder beide Irisblenden noch an der sie gemeinsam betätigenden Vorrichtung verstellbar machen.

Ein Elektronenzyklotron von 60 000 eV und einem Richtstrahlwert von 10 000 A pro Quadratzentimeter und Raumwinkeleinheit bei einer Monochromasiebedingung von

AE

erfordert bei einem Durchmesser von etwa 10 cm für das Gefäß ein konstantes Feld von etwa 170 Gauß und eine Betriebswellenlänge bei vier Beschleunigungselektroden von 3 5 cm.

Das Elektronenzyklotron gemäß der Erfindung kann als Elektronenquelle für Entladungsgefäße aller Art, insbesondere Elektronenmikroskope, Elektronenbeugungsgeräte, Elektronenspektroskope, Röntgenröhren u. dgl., verwendet werden.

Claims

PATENTANSPRÜCHE: _lao

i. Elektronenzyklotron, dadurch gekennzeichnet, daß zwecks Fokussierung der Elektronen und Kompensation der Phasenverschiebung, die durch den relativistischen Massenzuwachs der Elektronen bei ihrer Beschleunigung entsteht, ein radial veränderliches Magnetfeld mit peri-

odischen azimutalen Schwankungen verwendet wird.
2. Elektronenzyklotron nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die azimutalen Schwankungsamplituden des Magnetfeldes etwa im Verhältnis bis ι : o,6 liegen.
3. Elektronenzyklotron nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzielung der azimutalen Schwankungen azimutal beiderseitig zwischen den Elektroden und dem azimutal konstanten Magnetfeld sektorartige Scheiben aus einem ferromagnetischen Material eingeschoben werden.
4. Elektronenzyklotron nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzielung der azimutalen Schwankungen azimutal beiderseitig zwischen den Elektroden und dem azimutal konstanten Magnetfeld sektorartige Scheiben aus ferromagnetischen Materialien verschiedener Sättigungspermeabilität eingeschoben werden.
5. Elektronenzyklotron nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die sektorartigen Scheiben als justierbare Irisblenden ausgebildet sind.
6. Elektronenzyklotron nach den Ansprüchen 1 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß die beiderseitig der Elektroden zwischen diesen und dem azimutal konstanten Magnetfeld liegenden Irisblenden durch an sich bekannte technische Mittel gleichzeitig betätigt werden, wobei für eine oder beide Irisblenden noch technische Mittel zur einzelnen Nachstellung vorgesehen sind.
7. Elektronenzyklotron nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein konstant radial veränderliches Magnetfeld durch zwei gleichsinnig magnetisierte Permanentmagnete erzeugt wird.
8. Elektronenzyklotron nach den Ansprüchen 1 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung des radial veränderlichen Magnetfeldes die Flächen, vorzugsweise die Gegenflächen zu den Elektroden des Zyklotrons, besonders geformt sind.
9. Elektronenzyklotron nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die verformten Flächen sphärische Flächen sind.
10. Elektronenzyklotron nach den Ansprüchen ι und 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Permanentmagnete durch an sich bekannte technische Mittel symmetrisch zur Mittelebene des Zyklotrons zu- und wegbewegt werden können.
11. Elektronenzyklotron nach den Ansprüchen i, 7 und 10, dadurch gekennzeichnet, daß darüber hinaus ein oder beide Permanentmagnete durch besondere Feintriebe zwecks Justierung der Symmetrieebene im Zyklotron verstellbar angeordnet sind.
12. Elektronenzyklotron nach den An-Sprüchen 1, 7 und 10, dadurch gekennzeichnet, daß zur gleichmäßigen Veränderung des azimutal konstanten, radial verschiedenen Magnetfeldes ein mechanisch fein regelbarer magnetischer Nebenschluß Verwendung findet.
13. Elektronenzyklotron nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der mechanisch fein regelbare magnetische Nebenschluß in der Haltevorrichtung der Permanentmagnete angeordnet ist.
14. Elektronenzyklotron nach Anspruch 1 und ■ irgendeinem nachgeordneten Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß mehr als ein Paar Elektroden (D's) Verwendung finden.
15. Elektronenzyklotron nach Anspruch 1 und irgendeinem nachgeordneten Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß als Stromquelle für das Zyklotron eine gittergesteuerte Kathode Verwendung findet, die mit einer bestimmten Frequenz, vorzugsweise mit der Betriebsfrequenz der Elektroden (D's), mit einer gegebenenfalls veränderlichen Phasenverschiebung zur Phase der Schwingungen an den Elektroden (D's) betrieben wird.
16. Verwendung eines Zyklotrons gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 15 als Elektronenquelle für Entladungsgefäße aller Art, insbesondere Elektronenmikroskope, Elektronenbeugungsgeräte, Elektronenspektroskope, Röntgenröhren u. dgl. go

Angezogene Druckschriften:
USA.-Patentschriften Nr. 2 227 372, 2 229 572, 245 670.

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