EP0023272A1 - Beam outlet window and process for its manufacture - Google Patents

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EP0023272A1
EP0023272A1 EP80103664A EP80103664A EP0023272A1 EP 0023272 A1 EP0023272 A1 EP 0023272A1 EP 80103664 A EP80103664 A EP 80103664A EP 80103664 A EP80103664 A EP 80103664A EP 0023272 A1 EP0023272 A1 EP 0023272A1
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vanadium
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steel
radiation exit
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EP80103664A
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Jerry Tappan Ludemann
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Siemens AG
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Siemens AG
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J33/00—Discharge tubes with provision for emergence of electrons or ions from the vessel; Lenard tubes
    • H01J33/02—Details
    • H01J33/04—Windows

Definitions

  • the invention relates to a radiation exit window for the electrons accelerated in an evacuated acceleration tube.
  • the invention has for its object to develop a radiation exit window for acceleration tubes, which is to be welded on in a vacuum-tight manner, the elec-.
  • the electron beam weakens as little as possible and has as little tendency to melt locally and thereby leak.
  • the exit is therefore according to the invention
  • Opening of the acceleration tube is enclosed by a steel ring soldered onto the acceleration tube and a vanadium ring welded to the steel ring and closed by means of a titanium foil welded onto the vanadium ring.
  • This design has the great advantage that a material is used that combines a relatively low specific absorption coefficient with a high melting temperature. For a given wall thickness, the relatively low absorption coefficient for electron radiation not only leads to less energy loss of the electrons, it also leads to a lower thermal load on the film per volume element.
  • the higher melting temperature not only makes premature melting of the window less likely, it also makes it possible to dissipate larger amounts of heat without additional cooling due to the heat radiation of a black heater that increases with the fourth power of the temperature, combined with the higher permissible operating temperature.
  • the vanadium ring inserted between the titanium foil and the steel ring is a technological prerequisite for being able to weld the titanium foil in a vacuum-tight manner.
  • connection of the steel ring with the vanadium ring is significantly facilitated if the steel ring in the embodiment of the invention is provided with a shoulder for guiding the vanadium ring. In this way, there is no risk that the parts move against each other during the welding process. This makes special clamping devices superfluous. The same applies if, in another embodiment of the invention, the vanadium ring is provided with a shoulder for guiding the steel ring.
  • the steel ring can be reinforced on its edge adjoining the vanadium ring. This gives increased security in the technologically difficult connection of the steel ring with the vanadium ring. Above all, the running away of the more easily melting steel is delayed during the welding process because the edge reinforcement absorbs more heat and more steel is available.
  • the figure shows a cut view of the radiation exit window according to the invention.
  • a steel ring 4 is soldered in front of the radiation exit opening 1 of the last cavity 2 of the acceleration tube 3.
  • a vanadium ring 5 is welded onto the steel ring 4 and a titanium foil 6, which seals it and thus the radiation exit opening 1, is welded onto the vanadium ring.
  • Both the steel ring 4 and the vanadium ring 5 are each provided with an interlocking shoulder 7, 8 which is matched in their diameters.
  • the shoulder 7 of the steel ring 4 engages outside over the shoulder 8 of the vanadium ring 5.
  • the steel ring is additionally reinforced on the outside of its edge facing the vanadium ring to form a bead 9.
  • the titanium foil 6 When creating the window, the titanium foil 6 must first be cut to a diameter that is adapted to the outer diameter of the vanadium ring. The cut titanium foil is placed on a suitable flat base 10 with good thermal conductivity and sufficient heat capacity. The vanadium ring 8 is then centered on the titanium foil 6 and pressed onto the titanium foil and the base 10. The titanium foil can then be welded onto the vanadium ring 5 using an arc. No protective gas atmosphere is necessary.
  • the steel ring 4 is placed on the open end of the vanadium ring.
  • the steel ring and the vanadium ring are held centered by their interlocking shoulders 7 and 8. This centering eliminates the need to use a special clamping device.
  • the bead 9 of the steel ring 4 facing the vanadium ring 5 allows the steel which melts much earlier than the vanadium to flow away less quickly when it is welded onto the vanadium ring. No other material is fed in during welding. It should also be noted that the vanadium ring does not melt, as this leads to changes in the crystal structure and to undesired embrittlement of the weld seam.
  • the finished electron exit window consisting of titanium foil 6, vanadium ring 5 and steel ring 4, can then be applied to the steel ring in a known manner
  • the radiation exit side of the acceleration tube 3, which is usually made of copper, is soldered on.

Abstract

The invention relates to a beam outlet window for the electrons accelerated in an evacuated acceleration tube (3). In highly stressed beam outlet windows there is a risk of local melting through. The invention provides for the use of titanium foil (6) for this purpose. Because of its lower absorption coefficient, titanium is heated less strongly and furthermore withstands higher temperatures. For this purpose, the titanium foils (6) are welded onto a vanadium ring (5) and the vanadium ring is welded onto a steel ring (4). The steel ring itself can be soldered onto the acceleration tube. Additionally, the steel ring and the vanadium ring can be provided with shoulders engaging in one another. <IMAGE>

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Strahlenaustrittsfenster für die in einer evakuierten Beschleunigungsröhre beschleunigten Elektronen.The invention relates to a radiation exit window for the electrons accelerated in an evacuated acceleration tube.

Es ist allgemein üblich, die evakuierten Beschleunigungsröhren von Elektronenbeschleunigern mit Strahlenaustrittsfenstern aus Edelstahl zu versehen. Da diese Strahlenaustrittsfenster den vollen Atmosphärendruck aushalten müssen, kann eine bestimmte Wandstärke nicht unterschritten werden. Darüber hinaus kann die Wandstärke aber auch aus fertigungstechnischen Gründen nicht beliebig stark reduziert werden, weil sich das Fenster sonst nicht mehr hinreichend zuverlässig vakuumdicht auf den Austrittsflansch der Beschleunigungsröhre aufschweißen läßt.It is common practice to provide the accelerated tubes of electron accelerators with stainless steel beam exit windows. Since these radiation exit windows have to withstand the full atmospheric pressure, a certain wall thickness cannot be undershot. In addition, the wall thickness can not be reduced as much as desired for manufacturing reasons, because otherwise the window can no longer be welded sufficiently reliably vacuum-tight on the outlet flange of the acceleration tube.

Da der Absorptionskoeffizient solcher Fenster für Elektronenstrahlung nicht zu vernachlässigen ist, ist es insbesondere bei hohen Strahlendichten erforderlich, eine Wasserkühlung für das Strahlenaustrittsfenster vorzusehen. Zu diesem Zweck sind daher schon Strahlenaustrittsfenster bekannt, die zwei in einem nur geringen Abstand von wenigen Millimetern angebrachte 0,25 mm starke Edelstahlfolien besitzen, deren Zwischenraum von Wasser durchströmt wird. Mit einer solchen intensiven Kühlung läßt sich ein örtliches Überhitzen und Aufschmelzen des Strahlenaustrittsfensters, was letztendlich zu einem Gaseinbruch in der Beschleunigungsröhre führen würde, zu höheren Elektronenstrahldichten hin verschieben. Damit werden jedoch eine zusätzliche Fensterebene und ein zusätzlicher Energie-' verlust in Kauf genommen.Since the absorption coefficient of such windows for electron radiation is not to be neglected, it is necessary, especially with high radiation densities, to provide water cooling for the radiation exit window. For this purpose, radiation exit windows are already known, which have two 0.25 mm thick stainless steel foils attached at a short distance of only a few millimeters, the space between which water flows through. With such intensive cooling, local overheating and melting of the radiation exit window, which would ultimately lead to a gas collapse in the acceleration tube, can be shifted towards higher electron beam densities. However, this means that an additional window level and an additional energy loss are accepted.

Es ist bereits vorgeschlagen worden, für das Fenster eine einzige Edelstahlfolie zu verwenden und nur den Flansch, auf den diese Folie aufgeschweißt ist, zu kühlen. In diesem Fall ist es jedoch erforderlich, den Durchmesser des Fensters so stark wie irgend möglich zu verringern, um möglichst viel Wärme je Zeiteinheit an den Flansch abführen zu können. Bei solchen Fenstern würde trotzdem die Gefahr bestehen, daß die Wärme vom Auftreffpunkt der Elektronen nicht schnell genug abgeleitet wird, so daß das Fenster punktförmig aufschmilzt und dabei örtlich perforiert wird.It has already been proposed to use a single stainless steel foil for the window and only to cool the flange to which this foil is welded. In this case, however, it is necessary to reduce the diameter of the window as much as possible in order to be able to dissipate as much heat per unit time as possible to the flange. With such windows there would still be a risk that the heat would not be dissipated quickly enough from the point of impact of the electrons, so that the window would melt at a point and be perforated locally.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Strahlenaustrittsfenster für Beschleunigungsröhren zu entwickeln, das vakuumdicht aufzuschweißen ist, den Elek- . tronenstrahl möglichst wenig schwächt und möglichst wenig dazu neigt, örtlich durchzuschmelzen und dabei undicht zu werden.The invention has for its object to develop a radiation exit window for acceleration tubes, which is to be welded on in a vacuum-tight manner, the elec-. The electron beam weakens as little as possible and has as little tendency to melt locally and thereby leak.

Bei einem Strahlenaustrittsfenster der eingangs genannten Art ist daher erfindungsgemäß die Austrittsöffnung der Beschleunigungsröhre von einem auf die Beschleunigungsröhre aufgelöteten Stahlring und einem mit dem Stahlring verschweißten Vanadiumring umschlossen und mittels einer auf dem Vanadiumring aufgeschweißten Titanfolie verschlossen. Diese Bauweise hat den großen Vorteil, daß hier ein Material verwendet wird, das einen verhältnismäßig geringen spezifischen Absorptionskoeffizienten mit einer hohen Schmelztemperatur verbindet. Der verhältnismäßig geringe Absorptionskoeffizient für Elektronenstrahlung führt bei einer gegebenen Wandstärke nicht nur zu einem geringeren Energieverlust der Elektronen, er führt auch zu einer geringeren Wärmebelastung der-Folie je Volumenelement. Durch die höhere Schmelztemperatur wird darüber hinaus nicht nur ein vorzeitiges Aufschmelzen des Fensters unwahrscheinlicher, es wird auch durch die mit der vierten Potenz der Temperatur zunehmenden Wärmeabstrahlung eines schwarzen Strahlers, verbunden mit der höheren zulässigen Betriebstemperatur, möglich, ohne zusätzliche Kühlung, größere Wärmemengen abzuleiten. Dabei ist der zwischen Titanfolie und Stahlring eingeschobene Vanadiumring eine technologische Voraussetzung, um die Titanfolie vakuumdicht aufschweißen zu können.In the case of a radiation exit window of the type mentioned in the introduction, the exit is therefore according to the invention Opening of the acceleration tube is enclosed by a steel ring soldered onto the acceleration tube and a vanadium ring welded to the steel ring and closed by means of a titanium foil welded onto the vanadium ring. This design has the great advantage that a material is used that combines a relatively low specific absorption coefficient with a high melting temperature. For a given wall thickness, the relatively low absorption coefficient for electron radiation not only leads to less energy loss of the electrons, it also leads to a lower thermal load on the film per volume element. The higher melting temperature not only makes premature melting of the window less likely, it also makes it possible to dissipate larger amounts of heat without additional cooling due to the heat radiation of a black heater that increases with the fourth power of the temperature, combined with the higher permissible operating temperature. The vanadium ring inserted between the titanium foil and the steel ring is a technological prerequisite for being able to weld the titanium foil in a vacuum-tight manner.

Die Verbindung des Stahlringes mit dem Vanadiumring wird bedeutend erleichtert, wenn der Stahlring in Ausgestaltung der Erfindung mit einer Schulter zur Führung des Vanadiumringes.versehen ist. Auf diese Weise besteht keine Gefahr, daß sich die Teile während des Schweißvorganges gegeneinander verschieben. Besondere Spannvorrichtungen werden dadurch überflüssig. Gleiches gilt, wenn der Vanadiumring in einer anderen Ausgestaltung der Erfindung mit einer Schulter zur Führung des Stahlringes versehen ist.The connection of the steel ring with the vanadium ring is significantly facilitated if the steel ring in the embodiment of the invention is provided with a shoulder for guiding the vanadium ring. In this way, there is no risk that the parts move against each other during the welding process. This makes special clamping devices superfluous. The same applies if, in another embodiment of the invention, the vanadium ring is provided with a shoulder for guiding the steel ring.

In besonders zweckmäßiger Weiterbildung der Erfindung kann der Stahlring an seinem an dem Vanadiumring angrenzenden Rand verstärkt sein. Dies gibt eine erhöhte Sicherheit bei der technologisch ohnehin recht schwierigen Verbindung des Stahlringes mit dem Vanadiumring. Vor allen Dingen wird so das-Weglaufen des leichter schmelzenden Stahls während des Schweißvorganges verzögert, weil über die Randverstärkung mehr Wärme aufgenommen wird und auch mehr Stahl zur Verfügung steht.In a particularly expedient development of the invention, the steel ring can be reinforced on its edge adjoining the vanadium ring. This gives increased security in the technologically difficult connection of the steel ring with the vanadium ring. Above all, the running away of the more easily melting steel is delayed during the welding process because the edge reinforcement absorbs more heat and more steel is available.

Weitere Einzelheiten der Erfindung werden anhand eines in der Figur dargestellten Ausführungsbeispiels erläutert.Further details of the invention are explained with reference to an embodiment shown in the figure.

Die Figur zeigt eine aufgeschnittene Darstellung des erfindungsgemäßen Strahlenaustrittsfensters.The figure shows a cut view of the radiation exit window according to the invention.

Vor der Strahlenaustrittsöffnung 1 des letzten Hohlraumresonators 2 der Beschleunigungsröhre 3 ist ein Stahlring 4 aufgelötet. Auf dem Stahlring 4 ist ein Vanadiumring 5 aufgeschweißt und auf dem Vanadiumring ist eine diesen und damit die Strahlenaustrittsöffnung 1 vakuumdicht verschließende Titanfolie 6 aufgeschweißt. Sowohl der Stahlring 4, als auch der Vanadiumring 5 sind mit je einer ineinandergreifenden und in ihren Durchmessern aneinander angepaßten Schulter 7, 8 versehen. Dabei greift die Schulter 7 des Stahlringes 4 außen über die Schulter 8 des Vanadiumringes 5. Außerdem ist der Stahlring zusätzlich an der Außenseite seines dem Vanadiumring zugewandten Randes zu einem Wulst 9 verstärkt.A steel ring 4 is soldered in front of the radiation exit opening 1 of the last cavity 2 of the acceleration tube 3. A vanadium ring 5 is welded onto the steel ring 4 and a titanium foil 6, which seals it and thus the radiation exit opening 1, is welded onto the vanadium ring. Both the steel ring 4 and the vanadium ring 5 are each provided with an interlocking shoulder 7, 8 which is matched in their diameters. The shoulder 7 of the steel ring 4 engages outside over the shoulder 8 of the vanadium ring 5. In addition, the steel ring is additionally reinforced on the outside of its edge facing the vanadium ring to form a bead 9.

Bei der Erstellung des Fensters ist die Titanfolie 6 zunächst auf einen dem äußeren Durchmesser des Vanadiumringes angepaßten Durchmesser zurechtzuschneiden. Die zugeschnittene Titanfolie wird auf eine geeignete plane Unterlage 10 guter Wärmeleitfähigkeit und ausreichender Wärmekapazität gelegt. Der Vanadiumring 8 wird dann zentriert auf die Titanfolie 6 aufgesetzt und auf die Titanfolie und die Unterlage 10 gepreßt. Sodann kann die Titanfolie mit einem Lichtbogen auf den Vanadiumring 5 aufgeschweißt werden. Dabei ist keine Schutzgasatmosphäre nötig.When creating the window, the titanium foil 6 must first be cut to a diameter that is adapted to the outer diameter of the vanadium ring. The cut titanium foil is placed on a suitable flat base 10 with good thermal conductivity and sufficient heat capacity. The vanadium ring 8 is then centered on the titanium foil 6 and pressed onto the titanium foil and the base 10. The titanium foil can then be welded onto the vanadium ring 5 using an arc. No protective gas atmosphere is necessary.

Ist die Titanfolie 6 auf den Vanadiumring 5 aufgeschweißt, so wird der Stahlring 4 auf das offene Ende des Vanadiumringes aufgesetzt. Der Stahlring und der Vanadiumring werden dabei untereinander durch ihre ineinandergreifenden Schultern 7 und 8 zentriert gehalten. Durch diese Zentrierung entfällt die Notwendigkeit der Verwendung einer besonderen Spannvorrichtung. Der dem Vanadiumring 5 zugewandte Wulst 9 des Stahlringes 4 läßt den wesentlich früher als das Vanadium schmelzenden Stahl beim Aufschweißen auf den Vanadiumring weniger schnell wegfließen. Beim Schweißen wird kein anderes Material zugeführt. Außerdem ist zu beachten, daß der Vanadiumring nicht anschmilzt, da dies zu Veränderungen des Kristallgefüges und zu einer unerwünschten Versprödung der Schweißnaht führt. Dagegen ist die Erhitzung des Wulstes 9 des Stahlrin- ges 4 so weit zu treiben wie es die Fließeigenschaften des Stahles zulassen. Dabei findet nur ein geringes Eindringen des Stahls in die Oberflächenstruktur des Vanadiums statt. Die Verschweißung des Stahlrin- . ges 4 mit dem Vanadiumring 5 muß in einer Schutzgasatmosphäre erfolgen.If the titanium foil 6 is welded onto the vanadium ring 5, the steel ring 4 is placed on the open end of the vanadium ring. The steel ring and the vanadium ring are held centered by their interlocking shoulders 7 and 8. This centering eliminates the need to use a special clamping device. The bead 9 of the steel ring 4 facing the vanadium ring 5 allows the steel which melts much earlier than the vanadium to flow away less quickly when it is welded onto the vanadium ring. No other material is fed in during welding. It should also be noted that the vanadium ring does not melt, as this leads to changes in the crystal structure and to undesired embrittlement of the weld seam. In contrast, the heating of the bead 9 of the Stahlrin - as permitted 4 so far to drive tot the flow properties of the steel. There is only a slight penetration of the steel into the surface structure of the vanadium. The welding of the steel ring. ges 4 with the vanadium ring 5 must be carried out in a protective gas atmosphere.

Das fertige Elektronenaustrittsfenster, bestehend aus Titanfolie 6, Vanadiumring 5 und Stahlring 4, kann dann mit seinen Stahlring in bekannter Weise auf die Strahlenaustrittsseite der meist aus Kupfer gefertigten Beschleunigungsröhre 3 aufgelötet werden.The finished electron exit window, consisting of titanium foil 6, vanadium ring 5 and steel ring 4, can then be applied to the steel ring in a known manner The radiation exit side of the acceleration tube 3, which is usually made of copper, is soldered on.

Claims (7)

1. Strahlenaustrittsfenster für die in einer evakuierten Beschleunigungsröhre beschleunigten Elektronen, dadurch gekennzeichnet , daß die Strahlenaustrittsöffnung (1) der Beschleunigungsröhre (3) von einem auf die Beschleunigungsröhre aufgelöteten Stahlring (4) und einem mit dem Stahlring verschweißten Vanadiumring (5) umschlossen und mittels einer auf dem Vanadiumring aufgeschweißten Titanfolie (6) verschlossen ist.1. radiation exit window for the electrons accelerated in an evacuated acceleration tube, characterized in that the radiation exit opening (1) of the acceleration tube (3) of a steel ring (4) soldered onto the acceleration tube and a vanadium ring (5) welded to the steel ring are enclosed and by means of a titanium foil (6) welded onto the vanadium ring is closed. 2. Strahlenaustrittsfenster nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Stahlring (4) mit einer Schulter (7) zur Führung des Vanadiumringes (5) versehen ist.2. Radiation exit window according to claim 1, characterized in that the steel ring (4) with a shoulder (7) for guiding the vanadium ring (5) is provided. 3. Strahlenaustrittsfenster nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Vanadiumring (5) mit einer Schulter (8) zur Führung des Stahlringes (4) versehen ist.3. Radiation exit window according to claim 1, characterized in that the vanadium ring (5) with a shoulder (8) for guiding the steel ring (4) is provided. 4. Strahlenaustrittsfenster nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Stahlring (4) an seinem an den Vanadiumring (5) angrenzenden Rand verstärkt ist.4. Radiation exit window according to claim 1, characterized in that the steel ring (4) is reinforced at its edge adjacent to the vanadium ring (5). 5. Verfahren zur Herstellung eines Strahlenaustrittsfensters nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Vanadiumring (5) zuerst auf die Titanfolie (6) aufgeschweißt und anschließend mit dem Stahlring (4) verlötet wird.5. A method for producing a radiation exit window according to claim 1, characterized in that the vanadium ring (5) is first welded onto the titanium foil (6) and then soldered to the steel ring (4). 6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , daß die Titanfolie (6) auf einer ebenen als Wärmeableiterdienenden Unterlage (10) aufgelegt wird, der Vanadiumring (5) mit seinem einen Rand auf die Titanfolie gestellt und anschließend längs seines äußeren Randes mit der Titanfolie verschweißt wird.6. The method according to claim 5, characterized in that the titanium foil (6) is placed on a flat as heat dissipation base (10), the vanadium ring (5) with its one edge placed on the titanium foil and then along its outer edge with the titanium foil is welded. 7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , daß der Stahlring (4) zuerst auf den Rand des Vanadiumringes (5) aufgesetzt wird und in einer Schutzgasatmosphäre, ohne Zugabe von anderem Lot, bei einer Temperatur auf den Vanadiumring aufgeschweißt wird, die unter der Schmelztemperatur des , Vanadiums liegt.7. The method according to claim 5, characterized in that the steel ring (4) is first placed on the edge of the vanadium ring (5) and welded in a protective gas atmosphere, without the addition of other solder, at a temperature on the vanadium ring, which under the Melting temperature of the vanadium is.
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