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Einrichtung für die Elektronenbeschleunigung im elektrischen Wirbelfeld
Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Erzeugung von Elektronen hoher Energie
durch das elektrische Wirbelfeld eines sich zeitlich ändernden magnetischen Hauptfeldes.
Bei derartigen Einrichtungen ist für die Stabilisierung der Elektronen im elektrischen
Wirbelfeld ein magnetisches Führungsfeld erforderlich. Dabei ist es schwierig, eine
größere _VIenge von Elektronen während der Beschleunigung im Führungsfeld festzuhalten.
Die Elektronen stoßen sich auf den sehr langen Bahnen, die sie im Wirbelfeld beschreiben,
gegenseitig ab und gelangen an die Wände des Vakuumgefäßes. Von den in das Wirbelfeld
gebrachten Elektronen geht daher der größte Teil für die Weiterbeschleunigung wieder
verloren, und man erhält eine nur geringe Ausbeute.
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Der gegenseitigen Abstoßung der Elektronen wirken die stabilisierenden
Kräfte des Führungsfeldes entgegen. Diese sind um so größer, je stärker das Führungsfeld
bzw. je größer die Geschwindigkeit der Elektronen ist. Bei niedrigen Anfangsgeschwindigkeiten,
bei denen die stabilisierenden
Kräfte nur sehr klein sind, werden
daher die Elektronen schon bei sehr geringer Raumladungsdichte aus . ihren Bahnen
abgelenkt. Aus diesem Grunde ist es sehr wichtig, die Elektronen mit möglichst großer
Anfangsgeschwindigkeit in das Führungsfeld zu bringen.
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Es ist schon eine Einrichtung für die Elektronenbeschleunigung im
elektrischen Wirbelfeld bekannt (»The Acceleration of Electrons by Magnetäc Induction«
von D. W. K e r s t in »Physical- Review«, r. Juli 1941, Bd. 6o, S. 47 bis 53),
bei der den Elektronen vor Beginn ihrer Beschleunigung eine gewisse Anfangsgeschwindigkeit
erteilt wird. Dabei ist die Elektronenquelle mit der Vorbeschleunigungseinrichtung
im Innern des stabilisierenden Führungsfeldes so angeordnet, daß die Elektronen
eine tangentiale Anfangsrichtung erhalten. Bei dieser Anördnung darf aber die Vorbeschleunigungsspannung
nicht über ein bestimmtes Vielfaches der Umlaufspannung des elektrischen Wirbelfeldes
gesteigert werden, da sonst die Elektronen nach dem ersten Umlauf wieder auf die
Elektronenquelle auftreffen. Die Ausbeute an schnellen Elektronen ist daher auch
bei dieser bekannten Einrichtung nicht sehr groß.
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Es ist zwar auch eine Einrichtung, zur Beschleunigung von Elektronen
in einem elektrischen-Wirbelfeld bekannt, bei der die Elektronenquelle außerhalb
des Bereichs der stabilisierenden Zone angeordnet ist. Die von dieser Elektronenquelle
gelieferten Elektronen werden ohne besondere Vorkehrungen in die stabilisierende
Zone hineingeschossen. Sie bleiben daher nur zum geringsten Teil in der stabilisierenden
Zone; der größte Teil von ihnen fliegt wieder aus der stabilisierenden Zone heraus.
Die Elektronenausbeute dieser Beschleunigungseinrichtung ist daher außerordentlich
gering.
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Durch die vorliegende Erfindung ist es möglich, eine wesentlich größere
Ausbeute an schnellen Elektronen zu erzielen. Die neue Einrichtung für die Erzeugung
von Elektronen hoher Energie durch das elektrische Wirbelfeld eines sich zeitlich
ändernden magnetischen Hauptfeldes, bei der ein rotationssymmetrisches, mit dem
Hauptfeld gleichachsiges zeitlich veränderliches oder unveränderliches magnetisches
Führungsfeld verwendet wird, wobei dieses Hauptfeld und dieses Führungsfeld derart
bemessen sind, daß'sie wenigstens zwei aneinander grenzende konzentrische Zonen
erzeugen, in deren einer - der stabilisierenden Zone - die Elektronen auf einen
Bahnbereich festen mittleren Radius stabilisierende Kräfte wirken, während in der
anderen - der nicht stabilisierenden Zone -die Elektronen von der stabilisierenden
Zone forttreibende Kräfte wirken und bei der -mindestens eine Elektronenquelle in
der nicht stabilisierenden Zone angeordnet ist, ist dadurch gekennzeichnet, daß
die Lage der Elektronenquelle derart gewählt ist und die Austrittsgeschwindigkeit
und.Austrittsrichtung der von dieser Elektronenquelle ausgesandten Elektronen derart
bemessen sind, daß sich die Elektronen unter Einwirkung der in der nicht stabilisierenden
Zone auf sie wirkenden Kräfte einem Kreis nähern, der in der nicht stabilisierenden
Zone liegt, jedoch nahe der Grenze zwischen der stabilisierenden Zone und der nicht
stabilisierenden Zone oder der auf dieser Grenze selbst liegt und daß sie durch
eine Änderung des diese Grenze beeinflussenden Führungsfeldes oder Hauptfeldes oder
durch beide in die stabilisierende Zone übergeführt werden.
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Insbesondere ist die Anfangsgeschwindigkeit der aus der Elektronenquelle
austretenden Elektronen radial gerichtet und die Richtung, unter der sie in die
stabilisierende Zone eintreten, tangential. Um den Elektronen eine hohe Anfangsgeschwindigkeit
zu vermitteln, -ist die Elektronenquelle mit Vorbeschleunigungseinrichtungen versehen.
Die aus der Elektronenquelle mit einer großen radialen Komponente ihres Impulses
austretenden Elektronen beschreiben auch bei beliebig höher Anfangsgeschwindigkeit
zunächst Spiralbahnen und weisen daher schon nach dem ersten Umlauf einen derart
großen Abstand von der Elektronenquelle auf, daß sie nicht mehr auf die Elektronenquelle
auftreffen können. Hierdurch ist es auch möglich, mehrere Elektronenquellen zu verwenden.
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Ein Ausführungsbeispiel der neuen Einrichtung ist 4n Fig. 1 in einem
Schnitt durch die Feldachse und in Fig.2 in einem Schnitt durch die Mittelebene
des Führungsfeldes schematisch dargestellt. Die Beschleunigung der Elektronen findet
in dem elektrischen Wirbelfeld statt, das durch ein in dem Kern 1 verlaufendes:
magnetisches Hauptfeld erzeugt wird. Die rotationssymmetrischen Polschuhe 2 für
das mit dem Hauptfeld gleichachsige magnetische Führungsfeld sind erfindungsgemäß
derart ausgebildet, daß sich an die innere Grenze der stabilisierenden Zone 3 die
nicht stabilisierende Zone 4 anschließt. In einem stabilisierenden magnetischen
Führungsfeld nimmt bekanntlich die Feldstärke H weniger stark als umgekehrt proportional
dem Radius r und in einem nicht stabilisierenden Feld stärker als umgekehrt proportional
mit dem Radius ab. Das Produkt H - r aus magnetischer Feldstärke und Radius
steigt daher, wie in Fig. 3 dargestellt ist, in dem stabilisierenden Gebiet mit
zunehmendem Radius an und fällt in dem nicht stabilisierenden Gebiet.
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Die Elektronenquelle 5 ist in vorteilhafter Weise kreisförmig ausgebildet,
zur Feldachse 6 konzentrisch angeordnet `und mit einer Vorbeschleunigungseinrichtung
hersehen, die ein auf die Nähe der Elektronenquelle .beschränktes radiales elektrisches
Feld aufweist. 1JieseS Feld bildet - sich zwischen der Elektronenquelle 5 und den
beiden gegen diese positiv geladenen ringförmigen Elektroden 7 aus, über die es
praktisch nicht hinausreicht. Die Elektronen werden durch den ringförmigen Spalt
zwischen den Elektroden 7 hindurch auf dem ganzen Umfang mit radialer Anfangsrichtung
in das nicht stabilisierende Gebiet 4 eingeschossen. Durch das magnetische Führungsfeld,
insbesondere in der nicht stabilisierenden Zone 4, werden die Elektronen abgelenkt.
Wenn
man von der Beschleunigung durch das elektrische Wirbelfeld
absieht und annimmt, daß das Führungsfeld zeitlich unveränderlich bleibt, nähern
sich die Elektronen bei geeigneter Anfangsgeschwindigkeit asymptotisch der konzentrischen
Kreisbahn 9 (Asymptotenkreis). Diese Kreisbahn kann nur in dem nicht stabilisierenden
Gebiet oder auf der Grenze zwischen den Zonen 3, q. (Grenzkreis io), nicht aber
im stabilisierenden Gebiet 3 liegen. Es ist daher unmöglich, die Elektronen unmittelbar
in das stabilisierende Gebiet des Führungsfeldes einzuschießen.
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Der Abstand der ringförmigen Elektronenquelle 5 von der Achse 6 ist
so gewählt bzw. das von den Elektronen biss zum Asymptotenkreis 9 durchlaufende
Magnetfeld so bemessen, daß der gesamte, die Ringfläche zwischen der Elektronenquelle
und dem Asymptotenkreis durchsetzende Fluß doppelt so groß ist, wie das Produkt
aus Asymptotenkreisfläche und Feldstärke im Asymtotenkreis.
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Die zusätzliche Beschleunigung der Elektronen durch das elektrische
Wirbelfeld bewirkt, daß es nicht zu einer asymptotischen Annäherung an den Kreis
9 kommt, sondern daß dieser nach kurzer Weglänge überschritten wird und die Elektronen
auf Bahnen i i über den Grenzkreis io in das stabilisierende Gebiet 3 geschleudert
werden. Bevor im stabilisierenden Gebiet 3 die Weiterbeschleunigung auf hohe Endgeschwindigkeiten
erfolgt, können die Elektronen ein oder mehrere Male auf Spiralbahnen in das nicht
stabilisierende Gebiet q. zurückpendeln. Die Erfindung kann sowohl bei Einrichtungen
mit zeitlich unveränderlichem als auch mit zeitlich veränderlichem Führungsfeld
mit Vorteil angewendet werden. Je nachdem, ob das Führungsfeld zeitlich unveränderlich
oder mit dem Hauptfeld zeitlich veränderlich ist, findet dann im stabilisierenden
Gebiet die Weiterbeschleunigung, ähnlich wie bei einer bereits vorgeschlagenen Einrichtung
auf einer Spiralbahn, oder in an sich bekannter, beispielsweise in der deutschen
Patentschrift 698 867 beschriebener Weise auf einer festen Kreisbahn, dem sogenannten
Sollkreis, statt.
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Bei Verwendung einer zur Feldachse konzentrischen kreisförmigen Elektronenquelle
gibt es nur einen einzigen Asymptotenkreis, über den die Elektronen nur dann in
das stabilisierende Gebiet 3 gelangen, wenn sie mit einer ganz bestimmten Spannung
vorbeschleunigt werden. Weicht die Vorbeschleunigungsspannung von diesem Wert nur
um einen geringen Betrag ab, so beschreiben die Elektronen Bahnen, die zur Elektronenquelle
zurückführen. Da es schwierig ist, die Vorbeschleunigungsspannung so genau einzuhalten,
ist es vorteilhaft, die kreisförmige Elektronenquelle exzentrisch zur Feldachse
anzuordnen oder polygonförmig oder elliptisch auszubilden. Bei diesen Anordnungen
gibt es jeweils eine Vielzahl von Asymptotenkreisen, die innerhalb einer bestimmten
Zone nebeneinanderliegen. Jeder dieserAsymptotenkreise gilt jedoch nur für die bei
einer bestimmten Vorbeschleunigungsspannung von einer bestimmten Stelle der Elektronenquelle
ausgehenden Elektronen.
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Ein Ausführungsbeispiel einer polygonförmigen Elektronenquelle mit
Vorbeschleunigungseinrichtung ist in Fig. q. in einem Schnitt durch die Mittelebene
des Führungsfeldes schematisch dargestellt. Hierbei haben die aus der achteckigen
Elektronenquelle 13 austretenden Elektronen nicht mehr an allen Stellen radiale,
sondern zu den Polygonseiten senkrechte Anfangsrichtungen. Die den verschiedenen
Anfangsrichtungen entsprechenden Asymptotenkreise liegen alle in der Zone i4.. Beispielsweise
erhält man für Elektronen, die bei verschiedenen Vorbeschleunigungsspannungen an
den Punkten 15, 16, 17 nacheinander austreten, die Bahnen 18, ig, ao. In
diesem Ausführungsbeispiel ist die Elektronenquelle 13 so angeordnet, daß der äußerste
Asymptotenkreis mit dem Grenzkreis 2i zusammenfällt. Die Verwendung einer Elektronenquelle
mit mehreren Asymptotenkreisen ist auch bei solchen Einrichtungen vorteilhaft, bei
denen die Elektronen mit konstanter Vorbeschleunigungsspannung in ein sich zeitlich
änderndes Führungsfeld eingeschlossen werden. Es werden in diesem Falle nicht nur
in einem einzigen Zeitmoment, sondern innerhalb eines bestimmten Zeitbereiches Elektronen
von dem Führungsfeld eingefangen.
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Unter Umständen ist es auch vorteilhaft, Elektronenquellen, die gegebenenfalls
als Oxydkäthoden ausgebildet sein können, paarweise zu beiden Seiten der Mittelebene
des Führungsfeldes anzuordnen. Ein Ausführungsbeispiel für eine derartige Elektronenquelle
zeigt Fig.5 in einem Schnitt durch die Feldachse 6. Hierbei treffen die mit der
im elektrischen Wirbelfeld gewonnenen Geschwindigkeit zur Elektronenquelle zurückkehrenden
Elektronen nicht auf die Oxydschichten 2z auf. Sie werden vielmehr durch das Magnetfeld
zwischen den Oxydschichten 2a abgelenkt und von neuem in den Feldraum geschleudert.
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Die Spannung für die Vorbeschleunigungseinrichtung wird zweckmäßigerweise
an einer das Hauptfeld umschlingenden Wicklung abgenommen, wodurch man eine besondere
Spannungquelle erspart. Dies ist vor allem bei Anlagen mit zeitlich veränderlichem
Führungsfeld von Vorteil, da hier die Elektronen in zeitlicher Nähe des Nulldurchganges
des Führungs- und Hauptfeldes in das Führungsfeld gebracht werden müssen und die
Spannung, die an einer das Hauptfeld umschlingenden Spule abgenommen wird, in dieser
Zeit gerade ihren Maximalwert hat.
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Bei Verwendung eines zeitlich unveränderlichen Führungsfeldes ist
es zweckmäßig, die an der Vorbeschleunigungseinrichtung liegende Spannung während
jeder Periode des Hauptfeldes eine gewisse Zeit lang konstant zu halten und auf
diese Weise jeweils längere Zeit Elektronen in das Führungsfeld einzuschießen. Man
kann auch in diesem Falle die Spannung für die Vorbeschleunigungseinrichtung an
einer das Hauptfeld umschlingenden Wicklung abnehmen, muß aber dafür sorgen, daß
beispielsweise durch einen Kondensator und durch
ein Ventil diese
Spannung gleichgerichtet und annähernd konstant gehalten wird.
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Ein Ausführungsbeispiel für die Gesamtanordnung der neuen Einrichtung
bei Verwendung eines zeitlich unveränderlichen Führungsfeldes ist in den Fig.6 und
7 in zwei Hauptschnitten schematisch wiedergegeben. Hierbei wird der das Wirbelfeld
erzeugende Hauptfluß durch die Spulen 23 in dem geschlossenen Magnetkern 24 induziert.
Das magnetische Führungsfeld wird durch die Spulen 25 hervorgerufen und . bildet
sich zwischen den schalenförmigen Polschuhen 26 aus massigen Eisen aus, die zugleich
das Vakuumgefäß bilden. Das.Führungsfeld besteht gemäß der Erfindung aus der inneren,
nicht stabilisierenden Zone 27 und der sich daran anschließenden-stabilisierenden
Zone 28. Zwischen diesen beiden Zonen liegt der Grenzkreis 29. Am inneren Rande
des Vakuumgefäßes ist ein Isoliereinsatz 30 mit der Hochspannungszuführung
31 für die polygonförmige, als Glühdraht ausgebildete Elektronenquelle 32 angeordnet.
Für die Vorbeschleunigung der Elektronen sind zwei tellerförmige Elektroden 33 vorhanden,
die mit dem Vakuumgefäß verbunden und geerdet sind. Für die Fokussierung der Elektronen
ist die ringförmige, gegebenenfalls auf negatives Potential gegenüber dem Glühdraht
gebrachte Steuerelektrode 34 bestimmt. Sie ist so ausgebildet, -daß die Elektronen
durch den engen Spalt zwischen den Elektroden 33 in die Mittelebene des Führungsfeldes
nach außen geschleudert werden. Die Elektronenquelle 32 ist in dem Ausführungsbeispiel
mit einer konstanten Gleichspannung gespeist. In vorteilhafter Weise sind an dem
inneren Rande des Vakuumgefäßes die beiden Spulen 35 angebracht, mit deren Ulfe
ein Teil des zwischen dem Grenzkreis 29 und der Elektronenquelle 32 gelegenen magnetischen
Führungsfeldes verstärkt oder geschwächt werden kann. Auf diese Weise ist es möglich,
die Asymptotenkreiszone in die Nähe des Grenzkreises zu bringen. Zur Verhinderung
der magnetischen Rückwirkung der kreisenden Elektronen auf das Führungsfeld sind
die schalenförmigen Polschuhe 26 mit einem gut leitenden Metallbelag 36 versehen.
Die auf dem Eisenkern 24 angeordneten Spulen 35 kompensieren die Magnetisierung
des Kernes 24 durch die Spulen 25.
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Bei diesem Ausführungsbeispiel kann die Endgeschwindigkeit der Elektronen
nur ein bestimmtes Vielfaches der Anfangsgeschwindigkeit betragen. Die erzielbaren
Ströme sind dagegen verhältnismäßig groß, so daß sich beträchtliche Leistungen ergeben.
Die Verwertung der am äußeren Rand des Führungsfeldes austretenden schnellen Elektronen
geschieht am einfachsten in der Weise, daß dort eine Wolframplatte zur Röntgenstrahlenerzeugung
angebracht wird. In dem Ausführungsbeispiel ist in der Nähe der äußeren Grenze des
stabilisierenden Gebietes 28 eine zur Vermeidung von Störungen des Bewegungsablaufes
der im inneren Bereich der stabilisierenden Zone kreisenden Elektronen geeignete
elektrisch abgeschirmte Ablenkvorrichtung vorhanden, durch die die Elektronen in
den rohrförmigen Stutzen 38 des Vakuumgefäßes abgelenkt werden. An dessen Ende ist
eine dünne Wolframplatte od. dgl. für die Erzeugung von Röntgenstrahlen angebracht.
Die Ablenkvorrichtung besteht aus der positiv _ geladenen Platte 39 und der geerdeten
Trennwand 40. Die Trennwand 40 verhindert eine Störung der im Führungsfeld kreisenden
Elektronen durch das ablenkende Feld.
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Ein Ausführungsbeispiel für die Gesamtanordnung der neuen Einrichtung
bei Verwendung eines sich zeitlich mit dem Hauptfeld ändernden Führungsfeldes ist
in den Fig, 8 und 9 in zwei Hauptschnitten schematisch dargestellt. Hierbei werden
die Elektronen auf einem festen Kreis auf extrem hohe Endgeschwindigkeiten beschleunigt.
Die Spule 41 erzeugt das zwischen den Polschuhen 42 gelegene Führungs- und Hauptfeld.
Die Polschuhe 42 sind erfindungsgemäß so geformt, daß das Führungsfeld- zwei Zonen
43, 44 aufweist, von denen die innere nicht stabilisierende und die äußere stabilisierende
Eigenschaften besitzt. Zwischen den Polschuhen befindet sich ein gegebenenfalls
aus keramischem Material bestehendes Vakuumgefäß 45, das an seinem inneren Rande
eine polygonförmige, als Glühdraht ausgebildete und geerdete Elektronenquelle 46
enthält. Für die Vorbeschleunigung der Elektronen dienen die Elektroden 47. Diese
sind zur Vermeidung von Wirbelströmen in mehrere Segmente unterteilt und in radialer
Richtung kammartig eingesägt. Die einzelnen Segmente sind durch Widerstände 48 miteinander
verbunden und über die Zuleitung 49 an Hochspannung gelegt. Die Innenmetallisierung
des Vakuumgefäßes ist in Segmente So unterteilt, die mit den entsprechenden Segmenten
47 leitend verbunden sind. In der Mitte des stabilisierenden Gebietes 44 liegt der
Sollkreis 51. Außerhalb des Sollkreises fliegende Elektronen werden nicht genügend
beschleunigt, um ihren Bahndurchmesser beizubehalten, und kehren daher auf den Sollkreis
-zurück. Das Umgekehrte gilt für Elektronen, die sich innerhalb des Sollkreises
bewegen. Diese werden zu stark beschleunigt, so daß sich ihre Bahn auf den Sollkreis
erweitert. Der größte Überschuß an Beschleunigung ist auf dem Grenzkreis 52 zwischen
den Gebieten 43 und 4.4 vorhanden, so daß die Elektronen von dem nicht stabilisierenden
Gebiet 43 über den Grenzkreis 52 in das stabilisierende Gebiet 44 übergeführt werden.
Dabei -wird jedoch die Beschleunigung durch das elektrische Wirbelfeld nur zu einem
geringen Teil ausgenutzt, da die Bahnerweiterung infolge Zunahme der Geschwindigkeit
durch das Anwachsen des Führungsfeldes zum größten Teil wieder aufgehoben wird.
Ferner ist es nachteilig, daß 'bei Verwendung einer konstanten Vorb,eschleunigungsspannung
die Elektronen nur in einem sehr kurzen Zeitbereich in das Führungsfeld gelangen.
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Gemäß der weiteren Erfindung ist in dem Ausführungsbeispiel in der
Feldachse 6 ein vormagnetisierter geschlossener Magnetkern 53 aus Spezialmaterial
mit rechteckiger Magnetisierungskurve angeordnet. Solche Kerne kann man mit
einer
sehr geringen magnetisierenden Kraft von dem Sättigungszustand in einer Richtung
in den der anderen Richtung ummagnetisieren. Solange der Kern 53 gesättigt ist,
übt er keinerlei Einfluß auf die übrigen Vorgänge aus, während seiner Ummagnetisierung
bewirkt er jedoch, daß das Feld zwischen den Polschuhen 4a (Haupt- und Führungsfeld)
vorübergehend nahezu konstant bleibt. Solange dies der Fall ist, werden die mit
gleichbleibender Vorbeschleunigungsspannung eingeschlossenen Elektronen vom Führungsfeld
eingefangen. Für das Einfangen von Elektronen steht also die ganze Zeit der Ummagnetisierung
zur Verfügung. Die durch die Wicklung 54 bewirkte Vormagnetisierung des Kernes 53
wird so stark gewählt, daß die Ummagnetisierung zu dem Zeitpunkt beginnt, in dem
die Führungsfeldstärke den der Vorbeschleunigungsspannung zugeordneten Wert erreicht
hat. Die rasche Feldänderung im Kern 53 während der Ummagnetisierung erzeugt ein
starkes elektrisches Wirbelfeld, durch das die Geschwindigkeit der Elektronen rasch
anwächst, so daß sie auch bei hoher Vorbeschleunigung sicher in das stabilisierende
Gebiet übergeführt werden. Hier laufen sie, solange das Führungsfeld zeitlich unverändert
bleibt, auf Spiralbahnen nach außen. Auf diese Weise wird das ganze stabilisierende
Gebiet mit kreisenden Elektronen ausgefüllt. Der Magnetkern 53 ist so bemessen,
daß seine Sättigung gerade dann eintritt, wenn die Füllung des stabilisierenden
Gebietes 44 beendet ist. Von diesem Zeitpunkt an bleibt der Kern 53 wieder ohne
jede Wirkung auf die Elektronen, das Haupt- und Führungsfeld zwischen den Polschuhen
steigt wieder gemeinsam an, wobei für den Sollkreis 51 wieder die i :2-Bedingung
gilt und die Elektronen nach und nach auf diesen Kreis gelangen. Um eine besonders
große Ausbeute zu bekommen, ist die stabilisierende Zone 44 in radialer Richtung
verhältnismäßig breit gehalten. Die Wicklung 54 für die Vormagnetisierung des Magnetkerns
53 ist mit Wechselstrom gespeist, der gegen das Führungsfeld um etwa go elektrische
Grade phasenverschoben ist. Dadurch ist es möglich, die Ummagnetisierung des Kerns
53 in beiden Richtungen auszunutzen. Dies ist dann von Bedeutung, wenn die Änderung
des Haupt- und Führungsfeldes in beiden Magnetisierungsrichtungen für die Elektronenbeschleunigung
ausgenutzt werden soll.
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Nach vollendeter Beschleunigung können die auf dem Sollkreis laufenden
Elektronen in verschiedener Weise verwendet werden. Eine Schwierigkeit besteht darin,
die schnellen Elektronen in einem eng begrenzten Strahlenbündel aus dem Vakuumgefäß
abzulenken. In besonders vorteilhafter Weise ist dies dadurch möglich, daß die Elektronen
am Ende der Beschleunigung an die Grenze der stabilisierenden Zone 44 gebracht werden
und daß in der Nähe dieser Grenze eine elektrostatisch wirkende Ablenkvorrichtung
angeordnet ist, die die Elektronen einfängt und aus dem Vakuumgefäß herausführt.
Die Erweiterung des Sollkreises kann in an sich bekannter Weise durch Sättigung
des das Führungsfeld leitenden Eisenweges vorgenommen werden. Es kann dazu aber
auch ein Magnetkern aus Spezialmaterial verwendet werden, dessen Vormagnetisierung
so stark ist, daß er sich erst nach vollendeter Beschleunigung der Elektronen ummagnetisiert.
Eine weitere Möglichkeit, die Elektronen an den äußeren Rand des stabilisierenden
Gebietes zu bringen, besteht darin, daß das Führungsfeld nach beendeter Beschleunigung
durch ein magnetisches Störfeld mindestens in einem bestimmten Bereich geschwächt
wird. Insbesondere in Verbindung mit einer elektrostatisch wirkenden Ablenkvorrichtung
ist es von Vorteil, das Störfeld möglichst rasch aufzubauen. Der rasche Aufbau kann
beispielsweise dadurch erzielt werden, daß über die Störspule ein Kondensator entladen
wird, wobei die Entladung gegebenenfalls über eine Funkenstrecke erfolgen kann,
die jeweils im geeigneten Zeitpunkt gezündet wird. Um eine kleine Selbstinduktion
zu erhalten, kann die Störspule als einfache Stromschleife ausgebildet werden. In
dem Ausführungsbeispiel der Fig. 8 und g sind für die Erzeugung eines Störfeldes
zwei Stromschleifen 55 in das Vakuumgefäß 45 eingebaut. Die Elektronen werden am
Ende ihrer Beschleunigung jedesmal, wenn sie auf ihren Kreisbahnen das zeitlich
ansteigende Störfeld durchfliegen, mehr und mehr nach außen abgelenkt und erweitern
ihre Bahnen dadurch immer schneller, bis sie auf die Wolframplatte 56 auftreffen,
in der sie Röntgenstrahlen erzeugen. Derartige Störspulen können auch bei solchen
Einrichtungen mit Vorteil verwendet werden, bei denen die Elektronen nach der Feldachse
hin abgelenkt werden. In diesem Falle muß das Führungsfeld durch das Störfeld verstärkt
werden.
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Die erfindungsgemäße Anordnung von zwei kbnzentrischen Zonen des Führungsfeldes
kann auch für das Herausführen der schnellen Elektronen aus dem Führungsfeld von
besonderer Bedeutung sein. Die Erkenntnis, daß eine bei den gegebenen Feldverhältnissen
enstehende Elektronenbahn als spiegelbildliche Bahn auch in umgekehrter Richtung
durchlaufen werden kann, ermöglicht es, die schnellen Elektronen auf ähnliche Bahnen,
wie sie zwischen einer konzentrischen Elektronenquelle und dem Grenzkreis vor Beginn
der Beschleunigung von innen nach außen beschrieben werden, von außen nach innen
zu führen. Wird der Sollkreis in an sich bekannter Weise (durch Sättigung des Hauptfeldes)
bis in den Grenzkreis verengt, so fliegen die Elektronen zufolge der dann dort geltenden
i :2-Bedingung genau durch die Feldachse. In diesem Falle wird zweckmäßigerweise
das Vakuumgefäß an seinem inneren Rande durch eine ringförmige Folie aus Aluminium
od. dgl. abgeschlossen, durch die die Elektronen hindurchfliegen, und eine Elektronenquelle
nach Fig. 5 verwendet. Da auf dem ganzen Umfang alle Elektronen nahezu gleichzeitig
gegen den Schnittpunkt der Feldachse mit der Mittelebene des Führungsfeldes fliegen,
so entsteht dort eine äußerst hohe Energiekonzentration. Die zu bestrahlende Probe
kann
in einfacher Weise durch eine axiale Bohrung in den Polschuhen an diese Stelle gebracht
werden.
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Bei einer derartigen Anordnung ist es auch möglich, die Elektronenquelle
mit Vorbeschleunigungseinrichtung ,in an sich bekannter Weise im stabilisierenden
Gebiet " außerhalb des Sollkreises anzuordnen. Zweckmäßiger ist es jedoch, die Elektronenquelle
bzw. -quellen in dem sich an das stabilisierende Gebiet nach außen anschließenden
nicht stabilisierenden Gebiet aufzustellen. . Man kann dann eine hohe Vorbeschleunigungsspannung
anwenden und bekommt, wie schon eingangs dargelegt, eine größere Ausbeute an schnellen
Elektronen. _ Eine solche Anordnung ist ,in Fig. io schematisch dargestellt. Die
Elektronenquellen mit Vorbeschleunigungseinrichtung 57 sind in dem nicht stabilisierenden
Gebiet 58 angeordnet. Die aus ihnen austretenden Elektronen nähern sich zunächst
dem im Gebiet 58 liegenden Asymptotenkreis 59 und gelangen infolge der dort herrschenden
zu geringen Beschleunigung über clen Grenzkreis 6o in das stabilisierende Gebiet
61 und schließlich auf den Sollkreis 62. Nach beendeter Beschleunigung zieht sich
dieser auf den Grenzkreis 63 zwischen dem stabilisierenden Gebiet 61 und dem nach
innen anschließenden nicht stabilisierenden Gebiet 64 zusammen, von dem sie dann
in der oben beschriebenen Weise gegen die Feldachse abgelenkt werden, so daß sie
konzentrisch auf die zu bestrahlende Probe 65 auftreffen.
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Bei den Einrichtungen mit zeitlich veränderlichem Führungsfeld ist
die erreichbare Höchstgeschwindigkeit der Elektronen von dem Produkt aus Feldstärke
im Sollkreis und Sollkreisradius abhängig. Wegen der i : 2-Bedingung kann die Feldstärke
im Sollkreis immer nur -ein Bruchteil der des Hauptfeldes sein. Diese ist aber durch
die Sättigung des das Hauptfeld führenden Polschuhteils begrenzt. Eine Steigerung
der Feldstärke auf dem Sollkreis ohne Erhöhung der Sättigung des Hauptfeldes kann
zweckmäßigenveise dadurch erzielt werden, daß das Führungsfeld vormagnetisiert wird,
insbesondere durch eine von einem konstanten Gleichstrom durchflossene Spüle. Es
muß jedoch dafür gesorgt werden, daß das Hauptfeld dabei unbeeinflußt bleibt. Das
kann durch Trennung der magnetischen Kreise von Haupt-- und Führungsfeld oder durch
Anbringung einer Kompensationsspule für das Hauptfeld erreicht werden. Es ist dann
auch möglich, das Hauptfeld in einem geschlossenen Eisenkern zu erzeugen.