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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erzeugen beschleunigter Elektronen, mit welchen vorzugsweise Fluide und Innenwandungen von Hohlkörpern beaufschlagt werden können.
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Elektronenstrahltechnologie wird seit etlichen Jahrzehnten im Industriemaßstab zur chemischen Modifikation sowie zur Desinfektion bzw. Sterilisierung verschiedenster Materialien und Produkte eingesetzt. Diese Behandlung kann wirtschaftlich vorteilhaft bei atmosphärischem Druck erfolgen, wenn man die Elektronen zunächst im Vakuum freigesetzt, anschließend beschleunigt und schließlich durch ein Strahlaustrittsfenster, zumeist eine dünne Metallfolie, in die Behandlungszone auskoppelt. Zum Durchdringen großtechnisch einsetzbarer, genügend robuster Elektronenaustrittsfenster sowie auch zum Sichern einer ausreichenden Behandlungstiefe im Produkt sind typischerweise Beschleunigungsspannungen >80 kV erforderlich.
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Verschiedene Verfahren und Strahlquellen sind für eine Randschichtbehandlung flacher Produkte, wie Platten und Bänder, wohletabliert, während das allseitige Behandeln von Formkörpern, Schüttgütern, Innenwandungen von Hohlkörpern und Fluiden nach wie vor Probleme bereitet. So ist ein allseitiges gleichmäßiges Beaufschlagen gekrümmter Oberflächen mit Elektronen geometrisch problematisch aufgrund von Abschattungseffekten, variabler Absorption von Elektronenenergie auf der Gasstrecke sowie Dosis-Inhomogenitäten wegen unterschiedlicher Projektionsverhältnisse.
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Mit den bereits existierenden Quellensystemen, wie beispielsweise Axialstrahlern mit einer schnellen Ablenkeinheit oder Bandstrahlern (
DE 196 38 925 C2 ) mit einer langgestreckten Kathode, von denen beide Ausführungsformen meist mit einer geheizten thermionischen Kathode betrieben werden, ist eine allseitige Produktbehandlung nur umständlich, unter Nutzung zusätzlicher Einrichtungen oder mit einem hohen apparativen und/oder technologischen und/oder zeitlichen Aufwand möglich.
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Beispielsweise ist in
DE 10 2006 012 666 A1 eine Lösung angegeben, welche drei Axialstrahler mit zugehöriger Ablenksteuerung und drei ebenfalls zugehörige Elektronenaustrittsfenster umfasst. Die drei Elektronenaustrittsfenster sind derart angeordnet, dass sie einen dreieckigen Freiraum vollumfänglich umschließen. Wird ein Substrat durch diesen Freiraum geführt, kann dieses in einem Behandlungsdurchgang in seinem Querschnitt vollumfänglich mit beschleunigten Elektronen beaufschlagt werden. Hat das Substrat jedoch nicht den gleichen dreieckigen Querschnitt wie der von den drei Elektronenaustrittsfenstern umschlossene Freiraum, wird die Dosisverteilung der Beaufschlagung mit beschleunigten Elektronen auf der Oberfläche des Substrates inhomogen ausfallen. Der apparative Aufwand bei dieser Ausführungsform ist außerdem sehr hoch, wodurch diese Lösung auch sehr preisintensiv ist.
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Aus
DE 4434 767 C1 ist eine Vorrichtung bekannt, bei der ein Schüttgutstrom zwischen zwei Flächenstrahlerzeugern hindurchfällt und währenddessen von beiden Seiten mit beschleunigten Elektronen beaufschlagt werden kann. In
EP 0513 135 B1 wird eine derartige beidseitige Beaufschlagung des frei fallenden Schüttgutstroms mithilfe zweier spiegelbildlich angeordneter Axialstrahlquellen mit Scanner beschrieben. Gemeinsam ist beiden Lösungen die Notwendigkeit, zwei Elektronenstrahlquellen mitsamt all ihrer Versorgungs- und Steuerungskomponenten einzusetzen, was einen immer noch hohen apparativen Aufwand bedeutet.
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In
DE 199 42 142 A1 ist eine Vorrichtung offenbart, bei der Schüttgut im mehrfachen freien Fall an lediglich einem Flächenstrahlerzeuger vorbeigeführt und mit beschleunigten Elektronen beaufschlagt wird. Aufgrund des Mehrfachdurchlaufs, verbunden mit einer zwischenzeitlichen Durchmischung des Schüttguts und jeweils nur Applikation eines Bruchteils der insgesamt benötigten Zieldosis pro Durchlauf, ist die Wahrscheinlichkeit bei dieser Ausführungsform statistisch höher, dass die Partikel des Schüttgutes allseitig gleichmäßig mit beschleunigten Elektronen beaufschlagt werden. Der Mehrfachdurchlauf erfordert allerdings einen hohen Zeitaufwand bei der Durchführung des Behandlungsprozesses.
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Eine ringförmige Vorrichtung zum Erzeugen beschleunigter Elektronen ist in
DE 10 2013 111 650 B3 offenbart, bei welcher alle wesentlichen Komponenten, wie beispielsweise Kathode, Anode und Elektronenaustrittsfenster, ringförmig ausgebildet sind, so dass mittels einer solchen Vorrichtung ein ringförmiger Elektronenstrahl ausgebildet werden kann, bei welchem sich die beschleunigten Elektronen zum Ringinneren hin bewegen. Mittels lediglich einer solchen Ringquelle können beispielsweise Schüttgüter (
DE 10 2013 113 688 B3 ) und gasförmige Medien (
DE 10 2019 134 558 B3 ) vollumfänglich von außen mit beschleunigten Elektronen beaufschlagt werden. Ebenso durch die Ringöffnung der Vorrichtung hindurchbewegte strangförmige Substrate oder medizinische Verpackungen, wobei die Steuerbarkeit des Dosisübertrags entlang des Umfanges (
DE 10 2017 104 509 A1 ) sowie Einrichtungen zur Stabilisierung und Online-Regelung der Prozesse (
DE 10 2022 114 434 A1 ) von besonderer Bedeutung sind. Nachteilig jedoch ist, dass derartige Ringquellen wegen der außenliegenden Kaltkathoden, Isolatoren und Vakuumbehälter in ihrer Bauweise großvolumig sind und eine Elektronenbehandlung von Substraten lediglich im relativ geringen Volumen des Ringinneren sowie auf außenliegende Produktoberflächen vollzogen werden kann.
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In
DE 10 2018 111 782 A1 sind Vorrichtungen mit Kaltkathoden beschrieben, mit denen ebenfalls ein Ring beschleunigter Elektronen generiert werden kann, wobei hier aber nun die Bewegung der Elektronen radial nach außen ausgerichtet ist. Mit dieser gegenüber
DE 10 2013 111 650 B3 hinsichtlich der Elektronenausbreitungsrichtung invertierten Anordnung wird ein günstigeres Verhältnis von Baugröße der Elektronenquelle und Volumen der Behandlungszone erreicht.
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Nachteilig bleibt, dass die in
DE 10 2018 111 782 A1 beschriebenen Kaltkathoden Elektronen nur infolge Stimulierung durch energiereiche Ionen emittieren, welche durch eine integrierte Plasmaquelle bereitgestellt werden müssen, was immer einen erhöhten Aufwand und vergrößerten Bauraum erfordert, insbesondere bei den zur Aufrechterhaltung des Isolationsvermögens des Vakuums gegenüber Gasdurchbrüchen bei der technologisch geforderten Beschleunigungsspannung notwendigen, für eine Plasmaquelle sehr niedrigen Drücken.
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Außerdem ist auch diese Ringquelle von der Schwäche aller mit nur einer Elektronenquelle ausgestatteten Behandlungsanordnungen betroffen, nämlich der tendenziell ungleichmäßig deponierten Energiedosis in den verschiedenen (dem Elektronenaustrittsfenster zugewandten oder abgewandten) Oberflächenbereichen des Behandlungsguts. Besserung geschaffen werden soll dann durch die oben bereits beschriebenen (zeitaufwändigen) Mehrfachdurchläufe oder Elektronenreflektoren auf der vom Elektronenaustrittsfenster abgewandten Rückseite des Behandlungsguts (deren Dosisbeitrag allerdings um ein Mehrfaches niedriger als der von den primären Strahlelektronen auf der Vorderseite applizierte ist). Beide Methoden können das Problem mangelnder Dosishomogenität nur mildern, aber nicht befriedigend lösen.
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Eine zusätzliche Forderung nach vertikaler Streckung der Öffnungsfläche eines Elektronenaustrittsfensters stellen Behandlungstechnologien mit hohem Dosisbedarf, wie etwa Sterilisationsaufgaben und der Schadstoffabbau in Fluiden. Diese resultiert daraus, dass die im Inneren der Strahlquelle beschleunigten Elektronen bei der Passage des Elektronenaustrittsfensters einen Teil ihrer Energie an die Metallfolie und das Stützgitter übertragen, was zu deren Erwärmung führt. Elektronenaustrittsfenster werden daher gemeinhin gekühlt, aber um ihre thermische Schädigung zu vermeiden, muss die Stromdichte der Elektronen dennoch begrenzt werden. Das korrespondiert bei technologieseitig festgelegter Beschleunigungsspannung zu einer ebenfalls begrenzten Flächendosisleistung der Elektronenstrahlquelle. Eine Erhöhung der auf das Behandlungsgut übertragenen Dosis ist somit nur durch eine größere Einwirkungsdauer der Elektronen, also entweder durch eine Reduzierung der Substratgeschwindigkeit, was aus Produktivitätsgründen unerwünscht ist, oder eine Verlängerung der Öffnungsfläche des Elektronenaustrittsfensters in Transportrichtung der Substrate, beispielsweise der vertikalen Fallrichtung von Schüttgutpartikeln, möglich.
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Letzteres aber ist mit der in
DE 10 2018 111 782 A1 beschriebenen Vorrichtung nicht erfüllbar, denn es steht in Konflikt mit der in den Querschnittszeichnungen implizit unterstellten horizontalen Anordnung von Kühlkanälen oberhalb und unterhalb der Öffnungsfläche des Elektronenaustrittsfensters. Es ist bekannt, dass der Abstand dieser Kaltflächen, zu denen der absorbierte Anteil der Elektronenenergie per Wärmeleitung durch das Stützgitter abgeführt werden muss, nicht zu groß (in praktisch realisierten Anordnungen beschränkt auf nur etwa 7 bis 10 cm) gewählt werden darf, da die Temperaturüberhöhung von Metallfolie und Stützgitter linear zur Wärmestromdichte und quadratisch mit dem Abstand zur Wärmesenke (d.h. dem aktiv gekühlten Rand des Öffnungsbereiches) wächst. Die dadurch limitierte vertikale Ausdehnung der unterbrechungsfreien Öffnungsfläche begrenzt nicht nur die erreichbare Gleichmäßigkeit, sondern auch die in einem Einfachdurchlauf auf dem Behandlungsgut erzielbare Dosis.
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Insbesondere bei der Behandlung von Fluiden, welche Feststoffpartikel aufweisen (wie beispielsweise bei Abgasen) kommt dem Schutz der Metallfolien vor den Feststoffpartikeln selbst eine hohe Bedeutung zu. Größere Partikel können die Folie unmittelbar mechanisch schädigen, die Anlagerung von Staub würde die Transmission der Elektronen beeinträchtigen (und somit die auf das Produkt übertragene Dosis senken) sowie den lokal absorbierten Anteil der Elektronenenergie erhöhen (also einer punktuellen thermischen Schädigung der Metallfolie und dadurch Vakuumlecks Vorschub leisten). Somit ist klar, dass prozessseitige Komponenten für den Schutz des Elektronenaustrittsfensters unabdingbar sind, aber hierzu offenbart
DE 10 2018 111 782 A1 keine technische Lehre.
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Der Erfindung liegt daher das technische Problem zugrunde, eine Vorrichtung zum Erzeugen beschleunigter Elektronen zu schaffen, mittels derer die Nachteile des Standes der Technik überwunden werden können. Insbesondere soll eine Vorrichtung mit kompakter Bauform geschaffen werden, mit welcher sowohl Fluide als auch Innenwandungen von Hohlkörpern mit beschleunigten Elektronen beaufschlagt und dabei hohe Dosiswerte im Behandlungsmedium sowie eine lange kontinuierliche Betriebsdauer erzielt werden können.
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Die Lösung des technischen Problems ergibt sich durch Gegenstände mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen.
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Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Beaufschlagen von Fluiden und Innenwandungen von Hohlkörpern mit beschleunigten Elektronen umfasst ein zylinderförmiges Elektronenaustrittsfenster als Bestandteil eines eine Zylinderachse aufweisenden zylinderförmigen Gehäuses, welches einen evakuierbaren Raum umschließt; mindestens eine drahtförmige, strangförmige, stabförmige, ringförmige, wendelförmige oder zylinderförmige Kathode, welche innerhalb des evakuierbaren Raums angeordnet und vom zylinderförmigen Elektronenaustrittsfenster sowie von einem zylinderförmigen Steuergitter umschlossen ist. Dabei weist das zylinderförmige Steuergitter einen Durchmesser auf, der kleiner ist als der Durchmesser des zylinderförmigen Elektronenaustrittsfensters. Des Weiteren ist eine erste Stromversorgungseinrichtung elektrisch leitend zwischen die drahtförmige, strangförmige, stabförmige, ringförmige, wendelförmige oder zylinderförmige Kathode und das zylinderförmige Elektronenaustrittsfenster geschaltet, so dass von der drahtförmigen, strangförmigen, stabförmigen, ringförmigen, wendelförmigen oder zylinderförmigen Kathode Elektronen emittierbar und sich radial von der Zylinderachse des zylinderförmigen Gehäuses entfernend in Richtung des zylinderförmigen Elektronenaustrittsfensters beschleunigbar sind.
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Nach dem Durchtritt der beschleunigten Elektronen durch das zylinderförmige Elektronenaustrittsfenster kann außerhalb des zylinderförmigen Elektronenaustrittsfensters und ringförmig um das zylinderförmige Elektronenaustrittsfenster herum ein Medium mittels der beschleunigten Elektronen beaufschlagt werden. Eine erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst ferner einen ersten Hohlzylinder, der das zylinderförmige Elektronenaustrittsfenster umschließt, wobei der erste Hohlzylinder und das zylinderförmige Elektronenaustrittsfenster voneinander beabstandet sind. Es wird somit zwischen dem ersten Hohlzylinder und dem zylinderförmigen Elektronenaustrittsfenster ein erster ringförmiger Freiraum ausgebildet, durch welchen ein mit beschleunigten Elektronen zu beaufschlagendes Fluid strömt, fließt oder rinnt. Ein solches Fluid kann flüssige, dampfförmige und/oder gasförmige Bestandteile aufweisen.
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Alternativ kann auch die Innenwandung eines mit beschleunigten Elektronen zu beaufschlagenden Rohres oder Schlauches, zumindest stück- und näherungsweise auch die eines beliebig geformten Hohlkörpers mit dem ersten Hohlzylinder assoziiert werden. Der für eine großflächig-gleichmäßige Dosisapplikation erforderliche Flächendurchsatz kann durch eine Relativbewegung erreicht werden, wobei sich entweder das Rohr (bzw. der Schlauch oder beliebig geformte Hohlkörper) oder die Strahlquelle oder beide bewegen.
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Sowohl ein zylinderförmiges Elektronenaustrittsfenster als auch ein zylinderförmiges Steuergitter umfassen üblicherweise Stützelemente, welche dem zylinderförmigen Elektronenaustrittsfenster und dem zylinderförmigen Steuergitter eine erforderliche mechanische Stabilität verleihen. Ein Nachteil derartiger Stützelemente ist jedoch, dass diese die Flugbewegung von beschleunigten Elektronen, welche auf Stützelemente auftreffen, negativ beeinflussen bzw. im ungünstigsten Fall die Energie dieser Elektronen vollständig aufnehmen. Diese zuvor von der Hochspannungsversorgung aufgebrachte Energie wird so dem Behandlungsprozess entzogen, was den energetischen Wirkungsgrad beeinträchtigt und zu einer thermischen Belastung der Elektronenquelle führt. Bei einer erfindungsgemäßen Vorrichtung sind daher als weiteres wesentliches Merkmal erste Stützelemente des zylinderförmigen Steuergitters und zweite Stützelemente des konzentrisch angeordneten, zylinderförmigen Elektronenaustrittsfensters zentralsymmetrisch zueinander fluchtend entlang der jeweiligen Mantelflächen verlaufend und azimutal innerhalb gleicher Winkelsegmente mit einem Winkel ω angeordnet. Bei einer bevorzugten Ausführungsform verlaufen die ersten Stützelemente des zylinderförmigen Steuergitters und die zweiten Stützelemente des zylinderförmigen Elektronenaustrittsfensters parallel zur Zylinderachse und sind erfindungsgemäß innerhalb gleicher erster Winkelsegmente mit einem Winkel ω angeordnet.
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Derartige erste Winkelsegmente mit dem Winkel ω werden nachfolgend auch als Abschattungswinkelsegmente oder auch Abschattungswinkelbereiche bezeichnet. Eine erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst mehrere dieser Abschattungswinkelsegmente, welche bei einer bevorzugten Ausführungsform mit einem gleichen Winkelmaß voneinander beabstandet sind. Bei einer erfindungsgemäßen Vorrichtung sind somit zwischen den Abschattungswinkelsegmenten zweite Winkelsegmente ausgebildet, bei denen die beschleunigten Elektronen nicht durch parallel zur Zylinderachse verlaufende Stützelemente des zylinderförmigen Elektronenaustrittsfensters und des zylinderförmigen Steuergitters behindert werden, was in diesen Winkelsegmenten gegenüber dem Stand der Technik zu einer höheren Elektronendosis führt, mit welcher ein Fluid oder eine Innenwandung eines Hohlkörpers beaufschlagt werden kann.
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Bei einer erfindungsgemäßen Vorrichtung werden von der zentral angeordneten und sich entlang der Zylinderachse des zylinderförmigen Gehäuses erstreckende drahtförmige, strangförmige, stabförmige, ringförmige, wendelförmige oder zylinderförmige Kathode Elektronen emittiert. Dabei kann die Kathode beispielsweise als Glühkathode oder auch als Plasmakathode ausgebildet sein. Als Plasmakathode ist diese vorzugsweise stabförmig oder zylinderförmig ausgebildet. Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist die drahtförmige, strangförmige, stabförmige, ringförmige, wendelförmige oder zylinderförmige Kathode von einem elektrischen Strom durchflossen, wird dadurch erhitzt und ist somit als thermischer Emitter also als Glühkathode ausgebildet. Hierfür ist die drahtförmige, strangförmige, stabförmige, ringförmige, wendelförmige oder zylinderförmige Kathode elektrisch leitend mit dem Minuspol einer ersten Stromversorgungseinrichtung verbunden. Der Pluspol der ersten Stromversorgung ist elektrisch leitend mit dem zylinderförmigen Elektronenaustrittsfenster verbunden, sodass dieses ein gegenüber Steuergitter und Kathode elektrisch positives Potential aufweist.
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Bei einer einfachen Ausführungsform weist das Elektronenaustrittsfenster das elektrische Massepotential auf. Komplexere technologische Aufgaben, welche nachfolgend noch beschrieben werden, können aber davon profitieren, das Elektronenaustrittsfenster gegen Masse elektrisch isoliert aufzubauen und sein elektrisches Potential mittels einer zwischengeschalteten (DC-, AC- oder gepulsten) Spannungsquelle definiert einzustellen bzw. zu variieren.
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Aufgrund des am zylinderförmigen Elektronenaustrittsfenster anliegenden, gegenüber der Kathode positiven Potentials werden die von der drahtförmigen, strangförmigen, stabförmigen, ringförmigen, wendelförmigen oder zylinderförmigen Kathode emittierten Elektronen in Richtung zylinderförmiges Elektronenaustrittsfenster radial nach außen beschleunigt. Nach dem Durchdringen des zylinderförmigen Steuergitters und dem Austritt aus dem zylinderförmigen Elektronenaustrittsfenster durchqueren die beschleunigten Elektronen den ersten ringförmigen Freiraum und treffen auf die Innenwandung des ersten Holzylinders auf.
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Soll ein Fluid innerhalb des ersten ringförmigen Freiraums mit beschleunigten Elektronen beaufschlagt werden, ist es vorteilhaft, wenn zumindest die Innenseite des ersten Hohlzylinders, zumindest in dem Bereich, welcher dem Elektronenaustrittsfenster gegenüberliegt, aus einem Elektronen gut reflektierenden Material besteht. Auf diese Weise können diejenigen Elektronen, welche bis zur Innenseite des ersten Hohlzylinders gelangen, vom ersten Hohlzylinder reflektiert werden und nochmals zum Beaufschlagen des Fluids mit beschleunigten Elektronen beitragen. Dabei kann der zuvor benannte Bereich des ersten Hohlzylinders vollständig aus einem die Elektronen reflektierenden Material bestehen oder der erste Hohlzylinder kann in dem zuvor benannten Bereich auch nur auf der Innenseite mit einem die Elektronen reflektierenden Material beschichtet sein. Als Material zum Reflektieren von Elektronen ist zum Beispiel ein temperaturbeständiges Metall mit hoher Ordnungszahl, wie beispielsweise Wolfram oder eine Wolframlegierung, geeignet. Vorteilhaft ist es, wenn zumindest der Elektronen reflektierende Bereich des ersten Hohlzylinders gekühlt wird, damit er die Luft in der Behandlungszone des ersten ringförmigen Freiraums nicht aufheizt. Eine solche Kühlung kann zum Beispiel als Wasserkühlung ausgebildet sein.
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Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die Zylinderachse des zylinderförmigen Gehäuses senkrecht zur Erdoberfläche ausgerichtet, so dass zum Beispiel ein Flüssigkeitsfilm, welcher mit beschleunigten Elektronen beaufschlagt werden soll, an der Innenwandung des ersten Hohlzylinders herunterrinnen kann. Da es insbesondere bei einer mobilen Anlange nicht immer möglich ist, eine Anlage derart auszurichten, dass die Zylinderachse vollständig senkrecht verläuft, kann die Ausrichtung der Zylinderachse des zylinderförmigen Gehäuses auch mit einem Winkel von etwa 10° oder weniger von einer Senkrechten zur Erdoberfläche abweichen.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher beschrieben. Die Figuren zeigen:
- Fig. 1
- eine schematische Darstellung eines horizontalen Schnittes einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
- Fig. 2
- eine schematische Darstellung eines vertikalen Schnittes der erfindungsgemäßen Vorrichtung aus Fig. 1;
- Fig. 3
- eine schematische Darstellung eines horizontalen Schnittes einer ersten alternativen erfindungsgemäßen Vorrichtung;
- Fig. 4
- eine schematische Darstellung eines vertikalen Schnittes der ersten alternativen erfindungsgemäßen Vorrichtung aus Fig. 3;
- Fig. 5
- eine schematische Darstellung eines horizontalen Schnittes einer zweiten alternativen erfindungsgemäßen Vorrichtung;
- Fig. 6
- eine schematische Darstellung eines vertikalen Schnittes der zweiten alternativen erfindungsgemäßen Vorrichtung aus Fig. 5;
- Fig. 7
- eine schematische Darstellung eines horizontalen Schnittes einer dritten alternativen erfindungsgemäßen Vorrichtung;
- Fig. 8
- eine schematische Darstellung eines vertikalen Schnittes der dritten alternativen erfindungsgemäßen Vorrichtung aus Fig. 7;
- Fig. 9
- ein Bauteil 900 einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
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In den Fig. 1 und 2 ist ein und dieselbe erfindungsgemäße Vorrichtung 100 schematisch dargestellt, wobei Fig. 1 einen horizontalen Schnitt und Fig. 2 einen vertikalen Schnitt zeigt. Die Vorrichtung 100 umfasst ein zylinderförmiges Gehäuse 101, welches einen evakuierbaren Raum umschließt. Mittels mindestens einer in den Figuren aus Übersichtsgründen nicht dargestellten aber aus dem Stand der Technik bekannten Vakuumpumpe kann ein Vakuum innerhalb des evakuierbaren Raumes aufrechterhalten werden. Ein Wandungsbereich des Gehäuses 101 ist als zylinderförmiges Elektronenaustrittsfenster 102 ausgebildet. Das zylinderförmige Gehäuse 101 weist einen kreisrunden Querschnitt sowie eine senkrecht zur Erdoberfläche ausgerichtete Zylinderachse 103 auf und umschließt eine zentral angeordnete Kathode 104a.
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Es sei angemerkt, dass die Zylinderachse 103 bei diesem Ausführungsbeispiel und nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispielen lediglich beispielhaft senkrecht zur Erdoberfläche ausgerichtet ist. Bei einer erfindungsgemäßen Vorrichtung kann die Zylinderachse 103 alternativ auch jeden anderen Winkel zur Erdoberfläche aufweisen. Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist jedoch die Zylinderachse (103) des zylinderförmigen Elektronenaustrittsfensters (102) senkrecht zur Erdoberfläche oder mit einem Winkel von etwa 10° oder weniger abweichend von der Senkrechten ausgerichtet.
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Die Kathode 104a ist stabförmig ausgebildet, erstreckt sich entlang der Zylinderachse 103 und besteht aus einem Draht, welcher von einem elektrischen Strom durchflossen wird. Bei einer Ausführungsvariante umfasst die Glühkathode einen Keramikstab, um welchen ein Draht wendelförmig gewickelt ist. Das Material der Kathode 104a kann zum Beispiel mindestens eines der chemischen Elemente Wolfram bzw. Tantal aufweisen. Aufgrund des Stromdurchflusses wird die Kathode 104a erhitzt, was wiederum zu einer thermischen Emission von Elektronen führt. Die Kathode 104a ist somit als Glühkathode ausgebildet. Die von der Kathode 104a emittierten Elektronen werden in Richtung des zylinderförmigen Elektronenaustrittsfensters 102 radial nach außen beschleunigt, weil das zylinderförmige Elektronenaustrittsfenster 102 ein elektrisches Anodenpotential aufweist. Hierfür ist das zylinderförmige Elektronenaustrittsfenster 102 elektrisch leitend mit dem Pluspol einer ersten Stromversorgungseinrichtung verbunden und die Kathode 104 mit dem Minuspol der ersten Stromversorgungseinrichtung. Aus Gründen der Übersichtlichkeit ist die erste Stromversorgungseinrichtung in den Figuren nicht dargestellt. Die Vorrichtung 100 ist somit als zylinderförmiger Elektronenstrahlerzeuger ausgebildet, welcher einen Ring beschleunigter Elektronen generiert, deren Bewegungen radial nach außen ausgerichtet sind.
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Das Ausbilden der Kathode einer erfindungsgemäßen Vorrichtung als dünner Draht, wie bei Kathode 104a, bringt jedoch auch zusätzliche Anforderungen mit sich. Die hohe, für eine thermische Emission von Elektronen erforderliche, Betriebstemperatur des Drahtes führt zu einer Umkristallisierung des Drahtmaterials sowie zu Längenänderungen des Drahtes. Besteht dieser aus Metall, resultiert aus einer Temperaturerhöhung gemeinhin eine Verlängerung des Drahtes. Die Verlängerung eines vertikal fest eingespannten Drahtes führt jedoch zu dessen Stauchung und Verbiegung, so dass dieser nicht mehr exakt entlang der Zylinderachse 103 verläuft, was die Homogenität der umfänglichen Elektronenemission und letztlich die Dosisverteilung auf dem Behandlungsgut negativ beeinflussen kann. Die mit der Umkristallisierung ebenfalls verbundene Versprödung eines Metalldrahtes kann sogar zum Bruch infolge dieser Stauchung führen, insbesondere bei thermischer Wechselbeanspruchung. Alternativ zu einem Metalldraht kann man deshalb auch Kohlenstoff-Fasern als Glühkathode benutzen, so dass die Glühkathode strangförmig ausgebildet ist. Derartige Kohlenstoff-Fasern ziehen sich jedoch bei Temperaturerhöhung zusammen. Bei fester Einspannung bilden sich dann hohe Zugspannungen aus, die zum Riss einer solchen Glühkathode führen würden.
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Daher ist es bei einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zweckmäßig, eine drahtförmige, strangförmige, stabförmige, ringförmige, wendelförmige oder zylinderförmige Glühkathode, zum Beispiel nur am oberen Ende fest einzuspannen, während sie unten zwar radial geführt, aber axial beweglich montiert wird. Das obere Ende entspricht bei senkrechtem Betrieb der Vorrichtung dem von der Wirkungsrichtung des Erdschwerkraftvektors weiter entfernten Ende. Dabei ist es vorteilhaft, die Kontaktierung der Glühkathode am unteren Ende mit einem Klemmstück auszuführen, das vermittels seiner Gewichtskraft stets eine moderate, zur Straffung des Kathodendrahtes hinreichende, aber dessen Fließen oder dessen Riss vermeidende Zugspannung aufrechterhält. Alternativ kann die Glühkathode aber auch nur am unteren Ende fest eingespannt oder unterstützt sein und am oberen Ende mit einem axial beweglichen Klemmstück kontaktiert sein. Das untere Ende entspricht bei senkrechtem Betrieb der Vorrichtung dem der Wirkungsrichtung des Erdschwerkraftvektors näher liegendem Ende.
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Wird eine Glühkathode durch Stromfluss direkt geheizt, stellt sich prinzipbedingt ein elektrischer Potentialgradient in Längsrichtung ein. Dieser führt zu einer Änderung der elektrischen Feldstärke und somit der Elektronenemission in Längsrichtung der Glühkathode. Um eine gleichmäßigere Verteilung der Elektronenemission entlang der Längsausdehnung der Glühkathode zu erhalten, muss der Potentialgradient minimiert werden. Um dies zu erreichen, kann eine Glühkathode auch indirekt (zum Beispiel mittels Wärmeleitung, Wärmestrahlung oder Elektronenstoß) geheizt werden.
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Dazu wird bei einer zweckmäßigen Ausführungsform im Inneren einer zylinderförmigen Glühkathode, zentrisch entlang der Zylinderachse der zylinderförmigen Glühkathode und elektrisch isoliert von der Zylinderwandung, ein stab-, strang- oder drahtförmiges Heizelement angeordnet und dieses mittels Stromdurchfluss geheizt. Das Heizelement muss bei hoher Temperatur betrieben werden, um die Glühkathode auf Emissionstemperatur aufheizen zu können, und besteht daher aus einem Material mit hoher Schmelztemperatur (größer 1500 K). Hierfür infrage kommen Refraktärmetalle (wie zum Beispiel Wolfram, Tantal oder Molybdän) oder auch Kohlenstofffasern.
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Bei einer ersten Variante dieser Ausführungsform wird zwischen dem zentralen Heizelement und der zylinderförmigen Glühkathode ein hochtemperaturbeständiges, elektrisch wenig leitfähiges Material (wie zum Beispiel Bornitrid oder Zirkonoxid) eingebracht und die Wärme des zentralen Heizelementes durch Wärmeleitung auf die zylinderförmige Glühkathode übertragen.
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Bei einer zweiten Variante der oben genannten Ausführungsform werden Heizelement und Glühkathode berührungslos montiert und die Wärme des zentralen Heizelementes durch Wärmestrahlung auf die zylinderförmige Glühkathode übertragen. Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung dieser Variante ergibt sich, wenn man das zentrale Heizelement und die zylinderförmige Glühkathode jeweils an einem Ende elektrisch leitfähig miteinander verbindet und den Strom durch das Heizelement über die Zylinderwand der zylinderförmigen Glühkathode zurückführt. Dadurch ergibt sich eine Kompensation des mit dem Heizstrom verbundenen, die Elektronenausbreitung unerwünscht beeinflussenden magnetischen Feldes (das heißt, seine Auslöschung in der äußeren Umgebung der Glühkathode). Die Zylinderwand der Glühkathode wird dabei hinreichend dick gestaltet, so dass sie einen kleinen elektrischen Widerstand aufweist und somit der sich in Längsrichtung einstellende Potentialgradient wie gewünscht niedrig bleibt. Dadurch wird ein homogeneres Absaugfeld um die Emissionsfläche der zylinderförmigen Glühkathode und damit eine gleichmäßigere Elektronenemissionsverteilung entlang der Längsachse der Glühkathode erreicht.
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Bei einer dritten Variante der oben genannten Ausführungsform werden Heizelement und Glühkathode ebenfalls berührungslos montiert und elektrisch vollständig voneinander isoliert. Dann kann man die Glühkathode mit dem Pluspol und das Heizelement mit dem Minuspol einer zusätzlichen Stromversorgung verbinden. Erwärmt man das Heizelement auf Emissionstemperatur, werden die von ihm emittierten Elektronen zur Innenwand der Glühkathode gezogen und erwärmen diese durch Elektronenstoß.
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Bei allen drei beschriebenen Varianten ist es zweckmäßig, die zylinderförmige Glühkathode aus einem Material mit einem hohen Schmelzpunkt (größer 1.500 K) und einer moderaten bis niedrigen Austrittsarbeit (kleiner 5 eV) auszubilden. Hierfür geeignet sind zum Beispiel Refraktärmetalle (Wolfram, Tantal, Molybdän, Niob), des Weiteren Titan, Zirkon oder Edelstahl, die zum Zwecke einer Absenkung der Elektronenaustrittsarbeit allesamt auch mit Verbindungen (wie zum Beispiel Oxiden) beschichtet sein können, sowie Keramiken mit hoher Schmelztemperatur (wie beispielsweise Seltenerdboride, mit Lanthanhexaborid als deren bekanntestem Vertreter).
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Auch die indirekte Erwärmung einer zylinderförmigen Glühkathode führt zu deren Längenänderung. Bei einer solchen Geometrie ist es zweckmäßig, die Glühkathode am unteren Ende einzuspannen oder zu unterstützen und den spannungsfreien Längenausgleich durch eine axial bewegliche, radial geführte obere Einspannung und Kontaktierung zu ermöglichen.
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Ferner ist es für alle Ausführungsformen einer Glühkathode zweckmäßig, eine radiale Justierbarkeit der oberen und der unteren Spann- und Kontaktierungsstellen vorzusehen, um eine optimale Ausrichtung der Glühkathode entlang der senkrecht ausgerichteten Zylinderachse 103 und somit eine gleichmäßige Feldstärke sowie eine daraus resultierende gleichmäßige Elektronenemission entlang des gesamten Kathodenumfanges zu bewirken.
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Bei einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, wie Vorrichtung 100, ist die Kathode 104a weiterhin noch von einem zylinderförmigen Steuergitter 104b umschlossen, welches einen Durchmesser aufweist, der kleiner ist als der Durchmesser des zylinderförmigen Elektronenaustrittsfensters 102. Dabei ist die Gitterstruktur des zylinderförmigen Steuergitters 104b vollumfänglich ausgebildet. Das zylinderförmige Steuergitter 104b besteht aus einem elektrisch leitfähigen Material, ist elektronentransparent und weist ein elektrisches Spannungspotential auf, welches geringfügig positiver ausgebildet ist als das elektrische Spannungspotential der Kathode 104a. Bei einer Ausführungsform weist das zylinderförmige Steuergitter 104b eine Spannungsdifferenz gegenüber der Kathode 104a von etwa +20 V bis etwa +2.000 V auf. Das Spannungspotential für das zylinderförmige Steuergitter kann mittels einer separaten zweiten Stromversorgungseinrichtung oder alternativ mittels eines separat regelbaren zweiten Kanals der ersten Stromversorgungseinrichtung bereitgestellt werden. Das zylinderförmige Steuergitter 104b als elektronentransparenter Gazezylinder verringert die elektrische Feldstärke im Inneren des Gazezylinders, ermöglicht den dortigen Einbau optionaler Halterungen für den Kathodendraht entlang der Längsausdehnung und sichert eine gleichmäßige, in gewissen Grenzen auch gegen Lageabweichungen des Kathodendrahtes tolerante, allseitige Elektronenabsaugung unabhängig von der im Außenraum wirkenden Beschleunigungsspannung. Ferner bietet die Einstellbarkeit der Spannungsdifferenz zwischen Steuergitter und Kathode, neben der Variation des durch den Kathodendraht fließenden Heizstroms, eine zweite, zudem sehr dynamische Möglichkeit zur Steuerung des emittierten Elektronenstroms. Ein ähnliches zylinderförmiges Steuergitter im Zusammenspiel mit einem Kathodendraht ist auch schon von Bandstrahlern aus dem Stand der Technik bekannt. Bei Sockelelementen für das Einspannen des Kathodendrahtes und des zylinderförmigen Steuergitters 104b bei einer erfindungsgemäßen Vorrichtung kann deshalb auch auf konstruktive Lösungen zurückgegriffen werden, die von Bandstrahlern aus dem Stand der Technik, wie beispielsweise aus
DE 196 38 925 C2 bekannt sind.
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Um dem zylinderförmigen Steuergitter 104b und dem zylinderförmigen Elektronenaustrittsfenster 102 eine mechanische Stabilität zu verleihen, weisen beide Bauelemente Stützstrukturen auf. Derartige Stützstrukturen können parallel zur Zylinderachse 103 verlaufende Stützelemente umfassen und auch Stützelemente, welche ringförmig um die Zylinderachse herum verlaufen. Ein Nachteil derartiger auch aus dem Stand der Technik bekannter Stützstrukturen ist, dass auf eine Stützstruktur auftreffende beschleunigte Elektronen zumindest teilweise ihre Energie in die Stützstruktur ableiten, welche dann nicht mehr zum Beaufschlagen eines Fluids zur Verfügung steht. Erfindungsgemäß sind daher parallel zur Zylinderachse 103 des zylinderförmigen Gehäuses 101 verlaufende erste Stützelemente 105 des zylinderförmigen Steuergitters 104b und parallel zur Zylinderachse 103 verlaufende zweite Stützelemente 106 des Elektronenaustrittsfensters 102 innerhalb gleicher erster Winkelsegmente mit einem Winkel ω angeordnet. Dabei sind benachbarte ersten Winkelsegmente mit einem gleichen Winkelmaß voneinander beabstandet. Weist eine erfindungsgemäße Vorrichtung auch Einrichtungen zum Kühlen des Steuergitters 104b und/oder zum Kühlen des Elektronenaustrittsfensters 102 auf, dann sind parallel zur Zylinderachse 103 verlaufende Kühlelemente bevorzugt innerhalb der ersten Winkelsegmente angeordnet. Das gleiche trifft auch auf Signal- oder Steuerleitungen zu, welche sich durch oder innerhalb des zylinderförmigen Gehäuses parallel zur Zylinderachse 103 erstrecken.
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Eine erfindungsgemäße Vorrichtung, wie Vorrichtung 100, weist somit zwar erste Winkelsegmente (die sogenannten Abschattungswinkelbereiche) auf, innerhalb derer kein Medium mit beschleunigten Elektronen beaufschlagt werden kann, dafür weist ein solche Vorrichtung aber auch zweite Winkelsegmente zwischen den ersten Winkelsegmenten auf, innerhalb derer keine parallel zur Zylinderachse 103 verlaufende Stützelemente des Steuergitters 104b und des Elektronenaustrittsfensters 102 die Flugbahn von beschleunigten Elektronen negativ beeinflussen und innerhalb derer deshalb ein Medium mit einer hohen Dichte an beschleunigten Elektronen beaufschlagt werden kann.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung 100 umfasst ferner einen ersten Hohlzylinder 107, welcher das zylinderförmige Elektronenaustrittsfenster 102 umschließt, wobei der erste Hohlzylinder 107 und das Elektronenaustrittsfenster 102 voneinander beabstandet sind. Die Zylinderachse des Hohlzylinders 107 und die Zylinderachse des zylinderförmigen Elektronenaustrittsfensters sind identisch und entsprechen der Zylinderachse 103 des zylinderförmigen Gehäuses 101, so dass zwischen dem Hohlzylinder 107 und dem zylinderförmigen Elektronenaustrittsfenster 102 ein erster ringförmiger Freiraum 108 ausgebildet ist.
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Das zylinderförmige Elektronenaustrittsfenster 102 weist, wie zuvor schon dargelegt, ein gegenüber Steuergitter und Kathode positives elektrisches Potential auf, sodass die von der stromdurchflossenen Kathode 104a emittierten Elektronen zunächst in Richtung des zylinderförmigen Elektronenaustrittsfensters 102 beschleunigt werden. Nach dem Austritt aus dem zylinderförmigen Elektronenaustrittsfenster 102 durchqueren die beschleunigten Elektronen den ersten ringförmigen Freiraum 108 und beaufschlagen dabei ein flüssiges, gasförmiges oder dampfförmiges Fluid, welches durch den ersten ringförmigen Freiraum 108 hindurchbewegt wird. Ein flüssiges, gasförmiges oder dampfförmiges Fluid wird nachfolgend aus als Behandlungsgut bezeichnet. Ferner wird der Bereich des ersten ringförmigen Freiraums 108, innerhalb welchem ein Behandlungsgut mit beschleunigten Elektronen beaufschlagbar ist, nachfolgend auch als Behandlungszone bezeichnet.
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Zur Verbesserung der Homogenität der in ein Behandlungsgut eingetragenen Dosis an beschleunigten Elektronen wird der radiale Abstand zwischen dem zylinderförmigen Elektronenaustrittsfenster 102 und dem ersten Hohlzylinder 107 kleiner als die Elektronenreichweite im zu durchdringenden Behandlungsgut eingestellt, so dass auf den mit Behandlungsgut ausgefüllten Bereich nur ein Ausschnitt aus der gesamten Tiefendosisverteilung mit dadurch definiert begrenzter Variabilität einwirkt.
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Je nach technologieseitig gefordertem Temperaturregime innerhalb der Behandlungszone kann der erste Hohlzylinder 107 wahlweise mit Wasser gekühlt oder thermisch isoliert aufgebaut werden. In letzterem Falle führt die Energie der von ihm absorbierten Elektronen oder der thermische Kontakt zum Behandlungsgut zu seiner Erwärmung, bis er sich per Wärmeabstrahlung ins Temperaturgleichgewicht mit seiner Umgebung setzt.
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Zusätzlich ist es für eine weitere Optimierung des radialen Dosisausgleichs zweckmäßig, den ersten Hohlzylinder 107 als sogenannten Elektronenreflektor auszubilden, der die nicht vom Behandlungsgut absorbierten Elektronen zumindest teilweise in den Behandlungsraum und auf die (dem Elektronenaustrittsfenster 102 abgewandte) Außenseite des Behandlungsguts zurückstreut. Ein Elektronenreflektor besteht üblicherweise aus einem temperaturbeständigen Metall mit hoher Ordnungszahl, vorzugsweise Wolfram, das einen besonders hohen Rückstreukoeffizienten ausweist, oder aus einem preiswerteren Konstruktionsmaterial, das auf der Innenwandung des ersten Hohlzylinders 107 mit einer Schicht der zuvor benannten ("refraktären") Metalle oder einer Verbindung wie Wolframcarbid versehen ist, deren Dicke so bemessen wird, dass darin eine vollständige Abbremsung der auftreffenden und nicht reflektierten Elektronen erfolgen kann.
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Falls hingegen die Minimierung der parasitären Röntgenstrahlung als weiteres Optimierungsziel bei einer erfindungsgemäßen Vorrichtung verfolgt wird, ist es zweckmäßiger, den ersten Hohlzylinder 107 als sogenannten Elektronenabsorber auszubilden, das heißt, ihn aus einem temperaturbeständigen Materialien niedriger Ordnungszahl aufzubauen, wie zum Beispiel aus Kohlenstoff oder Leichtmetallkarbiden, die (um den Preis eines ebenfalls niedrigen Rückstreukoeffizienten für Elektronen) beim Abbremsen der Elektronen nur wenige und zudem niederenergetische Röntgenphotonen freisetzen.
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Bei einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, wie Vorrichtung 100, müssen die vom ersten Hohlzylinder 107 absorbierten Elektronen, um eine elektrische Aufladung des ersten Hohlzylinders 107 zu vermeiden, definiert abgeführt werden. Dazu genügt es im einfachsten Falle, den ersten Hohlzylinder 107 elektrisch leitfähig zu gestalten und mit dem Massepotential zu verbinden.
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Komplexere technologische Aufgaben, welche nachfolgend noch beschrieben werden, können aber davon profitieren, den ersten Hohlzylinder gegen Masse elektrisch isoliert aufzubauen und sein elektrisches Potential mittels einer zwischengeschalteten (DC-, AC- oder gepulsten) Spannungsquelle definiert einzustellen bzw. zu variieren.
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Bei einer weiteren Ausführungsform wird der erste Hohlzylinder vorteilhaft im Sinne eines Inline-Qualitätsüberwachungssystems zur örtlich und zeitlich aufgelösten Messung der vom Elektronenaustrittsfenster 102 her auftreffenden Elektronenstromdichte verwendet. Hierfür werden gegen die elektrische Masse und untereinander elektrisch isoliert, auf der Innenwandung des ersten Hohlzylinders 107 und über dessen Umfang und Höhe verteilt, eine Anzahl von Sensoren (zum Beispiel als Bleche ausgebildet) angeordnet, die als Elektronenkollektoren fungieren und den lokal absorbierten Elektronenstrom einer Auswerteeinrichtung individuell zugänglich machen. Die Ortsauflösung, aber auch der messtechnische Aufwand steigen mit der Anzahl der Sensoren. Daher sind eine erreichbare Präzision eines solchen Inline-Qualitätsüberwachungssystems und der damit einhergehende Aufwand je nach Anwendungsfall gegeneinander abzuwägen. Werden mit einer solchen Messeinrichtung zunächst Werte ohne Behandlungsgut und anschließend mit Behandlungsgut erfasst, sind durch deren Auswertung Rückschlüsse auf die vertikale und azimutale Gleichmäßigkeit der von der Elektronenquelle abgegebenen Ausgangsstromdichte, deren zeitliche Konstanz und der im späteren Prozess daraus resultierenden Dosishomogenität auf dem Behandlungsgut möglich. Im technologischen Betrieb, also mit Behandlungsgut, ist die Änderung der an der Innenwandung des ersten Hohlzylinders 107 gemessenen Ableitstromverteilung gegenüber der ohne Behandlungsgut bestimmten Ausgangsstromdichte ein Maß für die vom Behandlungsgut absorbierten Energiemenge, auch dies wieder mit örtlicher und zeitlicher Auflösung. Eine Änderung des Absolutwertes durch eine von einem Bediener manuell oder einem Steuerprogramm automatisch geänderte Vorgabe der Strahlparameter lässt sich in der Auswerteeinrichtung berücksichtigen und rückrechnen.
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Die Wandung des ersten Hohlzylinders 107 ist bei einer Ausführungsform vollständig geschlossen. Mit einem solchen ersten Hohlzylinder 107 und den zuvor beschriebenen Merkmalen der Vorrichtung 100 kann eine Fluidbehandlung im einfachsten Fall realisiert werden, indem das Fluid über den gesamten Querschnitt der Behandlungszone am Elektronenaustrittsfenster in Richtung der Ausdehnung der Zylinderachse vorbei strömt (bzw. gesprüht wird), wobei das Fluid auch im direkten Kontakt mit dem zylinderförmigen Elektronenaustrittsfenster 102 steht und dieses zusätzlich kühlen kann. Bei einer alternativen Vorgehensweise und wenn ein mit beschleunigten Elektronen zu behandelndes Fluid als Flüssigkeit ausgebildet ist, kann diese unter den Wirkungen von Adhäsion und Schwerkraft als dünner, gleichmäßiger Flüssigkeitsfilm an der Außenwandung des zylinderförmigen Elektronenaustrittsfensters 102, an der Innenwandung des ersten Hohlzylinders 107 oder an beiden gleichzeitig herabrinnen, wobei durch den dann freibleibenden Querschnitt des ringförmigen Freiraums 108 ein Kühlgas strömen muss. Ein inertes Kühlgas verhindert dabei lediglich die Überhitzung vom Elektronenaustrittsfenster 102 und/oder des Fluids, ein reaktionsfähiges Kühlgas kann gleichzeitig zur chemischen Modifikation des Fluids beitragen.
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Aus Gründen der energetischen Effizienz und Senkung der thermischen Belastung der Elektronenquelle ist es vorteilhaft, außerhalb der stirnseitigen oberen und unteren Begrenzung der Öffnungsbereiche des Elektronenaustrittsfenster 102, insbesondere aber innerhalb der Abschattungswinkelbereiche keine Elektronen auf das Elektronenaustrittsfenster 102 bzw. dessen horizontal verlaufende Begrenzungen sowie vertikale Stütz- und Kühlstrukturen auftreffen zu lassen, da diese absorbiert und so zur parasitären Aufheizung des Elektronenstrahlerzeugers, nicht jedoch zu dessen technologischer Dosisleistung beitragen würden. Dazu kann das zylinderförmige Steuergitter 104b und/oder das Elektronenaustrittsfenster 102 derart gestaltet werden, dass diese nicht vollumfänglich für Elektronen transparent, sondern mit definierten Öffnungsbereichen versehen sind, die mit den Winkelbereichen des Elektronenaustrittsfensters 102 fluchten, die nicht durch Abschattungswinkelbereiche mit dem Winkel ω abgedeckt sind. Elektronen, die von der Glühkathode emittiert wurden und das Steuergitter 104b im verschlossenen Abschattungswinkelbereich treffen, werden dort absorbiert und gelangen nicht zum Elektronenaustrittsfenster 102. Da sie nur eine kleine Potentialdifferenz durchlaufen und somit wenig Energie aufgenommen haben, stellt diese strahlformende Absorption am Steuergitter keinen gravierenden Verlustfaktor dar.
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Bei einer weiteren alternativen Ausführungsform ist der erste Hohlzylinder 107 als Bestandteil eines Hohlkörpers ausgebildet, dessen Innenwandung mit beschleunigten Elektronen beaufschlagt werden soll. Wegen der zuvor beschriebenen Abschirmungswinkelsegmente ist es zweckmäßig, wenn bei solch einem Anwendungsfall der erste Hohlzylinder 107 und/oder das zylinderförmige Gehäuse 101 eine Rotationsbewegung um die Zylinderachse 103 herum ausführen, um die gesamte Innenwandung des Hohlzylinders 107 mit beschleunigten Elektronen zu beaufschlagen.
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In den Fig. 3 und 4 ist eine erste alternative erfindungsgemäße Vorrichtung 300 schematisch dargestellt, wobei Fig. 3 einen horizontalen Schnitt und Fig. 4 einen vertikalen Schnitt zeigt. Die Vorrichtung 300 weist zunächst alle Merkmale, Merkmalsvarianten und technischen Funktionalitäten der Vorrichtung 100 aus den Fig. 1 und 2 auf. Abweichend davon umfasst die Vorrichtung 300 einen ersten Hohlzylinder 307, dessen Wandung nicht vollständig geschlossen ist, sondern dessen Wandung eine Vielzahl von Öffnungen 309 aufweist. Diese Öffnungen 309 können beispielsweise als Poren, Löcher oder Schlitze ausgebildet sein. Zum Zweck des Einbringens eines Arbeitsgase in das zu behandelnde Fluid umfasst die Vorrichtung 300 einen zweiten Hohlzylinder 310, welcher den ersten Hohlzylinder 307 umschließt und einen zweiten ringförmigen Freiraum 311 zwischen dem ersten Hohlzylinder 307 und dem zweiten Hohlzylinder 310 begrenzt. In den zweiten ringförmigen Freiraum 311 kann dann das Arbeitsgas mit Überdruck eingebracht werden, welches durch die Öffnungen 309 des ersten Hohlzylinders 307 in den ersten ringförmigen Freiraum 108 gelangt.
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Ist ein mit beschleunigten Elektronen zu behandelndes Fluid als Flüssigkeit ausgebildet, führt das Einbringen eines Arbeitsgases durch porenförmige Öffnungen 309 des Hohlzylinders 307 zum Ausbilden von Mikroblasen innerhalb der Flüssigkeit und zu deren intensiver Verwirbelung. Dies wiederum bewirkt einen statistischen Dosisausgleich innerhalb des Flüssigkeitsvolumens und führt zu einer sinkenden Dichte innerhalb der Flüssigkeit und somit (bei gegebener, minimal wählbarer Beschleunigungsspannung) zu einer steigenden Reichweite der beschleunigten Elektronen.
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Ein reaktionsfähiges Arbeitsgas (zum Beispiel Sauerstoff) kann dabei unter Einwirkung der beschleunigten Elektronen chemisch umgewandelt werden (zum Beispiel Sauerstoff in Ozon) und zur weiteren Steigerung der Reaktivität bzw. der angestrebten chemischen Wirkung des Bestrahlungsprozesses beitragen.
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In den Fig. 5 und 6 ist eine zweite alternative erfindungsgemäße Vorrichtung 500 schematisch dargestellt, wobei Fig. 5 einen horizontalen Schnitt und Fig. 6 einen vertikalen Schnitt zeigt. Die Vorrichtung 500 weist zunächst alle Merkmale, Merkmalsvarianten und deren technische Funktionalitäten der Vorrichtung 100 aus den Fig. 1 und 2 oder alternativ alle Merkmale, Merkmalsvarianten und technische Funktionalitäten der Vorrichtung 300 aus den Fig. 3 und 4 auf. Zusätzlich dazu umfasst die Vorrichtung 500 einen dritten Hohlzylinder 512, dessen Durchmesser größer ist als der Durchmesser des zylinderförmigen Elektronenaustrittsfensters 102, aber kleiner ist als der Durchmesser des ersten Hohlzylinders 107. Die Zylinderachsen des ersten Hohlzylinders 107, des dritten Hohlzylinders 512 und des Elektronenaustrittsfensters 102 sind identisch. Der dritte Hohlzylinder 512 unterteilt somit den ersten ringförmigen Freiraum 108 in einen inneren ringförmigen Freiraum 513 und einen äußeren ringförmigen Freiraum 514. Dabei wird durch den äußeren ringförmigen Freiraum 514 ein mit beschleunigten Elektronen zu beaufschlagendes Fluid und durch den inneren ringförmigen Freiraum 513 ein Schutzgas geführt. Das Schutzgas, welches gleichzeitig auch noch das zylinderförmige Elektronenaustrittsfenster 102 kühlt, sorgt dafür, dass das Fluid, welches beispielsweise auch Schmutz- oder andere Partikel enthalten kann, keinen mechanischen Kontakt auf das Elektronenaustrittsfenster ausübt, was die Standzeit des zylinderförmigen Elektronenaustrittsfensters 102 verbessert.
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Insbesondere wenn ein mit beschleunigten Elektronen zu behandelndes Fluid gasförmig ausgebildet und eine Durchmischung des zu behandelnden Gases mit dem Schutzgas unkritisch ist, kann der dritte Hohlzylinder 512 gitterförmig, zum Beispiel als Gazegewebe, ausgebildet sein. Sollen hingegen Flüssigkeiten oder Suspension mit beschleunigten Elektronen behandelt und dabei deren Durchmischung mit dem Schutzgas vermieden werden, ist es vorteilhaft, wenn der dritte Hohlzylinder 512 als durchgängig geschlossene, aber dünne Folie ausgebildet ist, welche das zu behandelnde Fluid und das Schutzgas zuverlässig separiert, aber für den Durchtritt beschleunigter Elektronen hinreichend transparent ist. Bei alternativen Ausführungsformen kann eine solche Folie auch perforiert sein.
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Soll die Behandlung des im äußeren ringförmigen Freiraum 514 strömenden Fluids hingegen bewusst von einem (inerten oder reaktiven) Arbeitsgas unterstützt werden, kann man die Wandung des dritten Hohlzylinders 512 mit poren-, loch- oder schlitzförmigen Öffnungen versehen und im inneren ringförmigen Freiraum 513 einen Überdruck gegenüber dem äußeren ringförmigen Freiraum 514 aufrechterhalten. Damit wird ein Zutritt des zu behandelnden Fluids zum Elektronenaustrittsfenster 102 unterbunden, gleichzeitig aber ermöglicht, dass das Schutzgas aus dem inneren ringförmigen Freiraum 513 in das im äußeren ringförmigen Freiraum 514 strömende Fluid eintritt. Handelt es sich dabei um eine Flüssigkeit, geschieht das in Form von Mikroblasen, welche die Dichte der Flüssigkeit reduzieren (also die Elektronenreichweite erhöhen) und sie verwirbelt (also die Gleichmäßigkeit der applizierten Dosis befördert). Verwendet man als Schutzgas ein sauerstoffhaltiges Arbeitsgas, wird bereits im inneren ringförmigen Freiraum 513 Ozon gebildet (mit gesteigerter Ausbeute gegenüber der im Zusammenhang mit Fig. 3 und 4 geschilderten Ausführungsform) und zum Beispiel der durch eine Elektronenbehandlung beabsichtigte Schadstoffabbau in Abwasser intensiviert. Alternativ kann man zur Beimischung des Arbeitsgases auch den ersten Hohlzylinder 107 mit Öffnungen versehen und es von außen in den äußeren ringförmigen Freiraum drücken.
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Bezweckt die Elektronenbehandlung plasmachemische Reaktionen, wie beispielsweise den Schadstoffabbau in (Verbrennungs- oder Industrie-) Abgasen, die Spaltung von Treibhausgasen (wie zum Beispiel Kohlendioxid oder Methan) oder die Konversion mehrkomponentiger Gasgemische (zum Beispiel für die Synthese chemischer Energiespeicher), so ist eine weitere Ausführungsform der Erfindung vorteilhaft, wobei der erste Hohlzylinder 107 elektrisch isoliert gegenüber dem dritten Hohlzylinder 512 ausgebildet und dieser mit dem Elektronenaustrittsfenster 102 elektrisch verbunden ist. Mittels einer dritten Stromversorgungseinrichtung ist eine elektrische Spannung zwischen dem ersten Hohlzylinder 107 und dem dritten Hohlzylinder 512 generierbar, welches zum Zünden und Aufrechterhalten eines Plasmas innerhalb des äußeren ringförmigen Freiraumes 514 geeignet ist. Besonders vorteilhaft ist eine Wahl der Spannungsdifferenz derart, dass sich im äußeren ringförmigen Freiraum 514 eine nichtselbständige, von den Strahlelektronen gestützte Glimmentladung ausbildet. Diese zeichnet sich dadurch aus, dass sie auch im Grobvakuum oder sogar bei Atmosphärendruck als großflächige, gleichmäßige Volumenentladung stabilisiert (d.h., ihr Umschlagen in eine Filament- oder Bogenentladung verhindert) und die Energie der Plasmaelektronen selektiv auf die Anregung plasmachemisch aktiver intramolekularer Schwingungszustände der Edukte abgeglichen werden können. Dazu ist eine Spannung von 1 kV bis 5 kV pro 1 cm radialem Abstand zwischen dem ersten Hohlzylinder 107 und dem dritten Hohlzylinder 512 erforderlich. Eine besonders hohe Leistungsdichte und Energieeffizienz dieses Plasmas werden erreicht, wenn die Energiezufuhr durch die dritte Stromversorgungseinrichtung gepulst erfolgt.
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Es ist bekannt, dass Plasmen zwar nicht tiefenwirksame, aber zumindest oberflächennahe chemische und auch desinfizierende Wirkungen auf Medien ausüben, welche dem Plasma ausgesetzt sind. Dies verstärkt die Effekte einer Elektronenbehandlung auch, falls der erste Hohlzylinder 107 einen Teil der inneren Wandung eines Hohlkörpers repräsentiert, der dazu über eine hinreichende elektrische Leitfähigkeit verfügen muss.
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Es ist prinzipiell möglich, den dritten Hohlzylinder 512 und mit diesem auch das Elektronenaustrittsfenster 102 auf Massepotential zu legen und die von der dritten Stromversorgungseinrichtung gelieferte Differenzspannung am ersten Hohlzylinder 107 anzulegen. Es erscheint aber vorteilhaft, dies umzukehren, d.h., den ersten Hohlzylinder 107 auf Massepotential und den dritten Hohlzylinder 512 sowie das Elektronenaustrittsfenster 102 auf das Differenzspannungspotential zu legen.
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Letztere Variante ermöglicht es, den ersten Hohlzylinder 107 als durchgängige Wand einer langen Rohrleitung (zum Beispiel in einer Chemieanlage oder als Abgasstrang eines Schiffsmotors) aufzufassen, in welche die Elektronenquelle (bestehend aus Kathode 104a, Steuergitter 104b, Elektronenaustrittsfenster 102) elektrisch isoliert eingebaut und vom dritten Hohlzylinder 512 geschützt wird, der als Gegenelektrode des elektronenstrahlgestützten Hybridplasmas fungiert. Aerodynamisch geformte, stirnseitige Endstücken über und unter der zylinderförmigen, mit dem dritten Hohlzylinder 512 integrierten Elektronenquelle gewährleisten dabei eine weitestgehend wirbelfreie Umströmung der im Zentrum der umgebenden Rohrleitung eingebauten Komponenten durch das zu behandelnde Fluid.
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In den Fig. 7 und 8 ist eine dritte alternative erfindungsgemäße Vorrichtung 700 schematisch dargestellt, wobei Fig. 7 einen horizontalen Schnitt und Fig. 8 einen vertikalen Schnitt der Vorrichtung 700 zeigt. Die Vorrichtung 700 weist zunächst alle Merkmale, Merkmalsvarianten und dazu beschriebene technische Funktionalitäten der Vorrichtung 500 aus den Fig. 5 und 6 auf.
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Zusätzlich umfasst die Vorrichtung 700 auch noch eine Anzahl Gasrohre 715, welche sich innerhalb des inneren ringförmigen Freiraums 513 parallel zur Zylinderachse 103 des zylinderförmigen Gehäuses 101 erstrecken. Die Gasrohre 715 mit ihrer zuvor beschriebenen Ausrichtung stellen als Baugruppe diejenige Komponente dar, welche eine für höhere Dosisleistungen gewünschte freie Skalierbarkeit der axialen Länge (vertikalen Ausdehnung) der zylindrischen Elektronenquelle und ihrer funktionsbestimmenden Komponenten ermöglicht. Dabei sind bei einer bevorzugten Ausführungsform alle Gasrohre 715 mit einem identischen ersten Maß von der Zylinderachse 103 des zylinderförmigen Gehäuses 101 und mit einem identischen zweiten Maß von einem jeweils benachbarten Gasrohr 715 beabstandet. Bei der im Ausführungsbeispiel beschriebenen Ausführungsform sind die Gasrohre 715 mit einem rechteckigen Querschnitt ausgebildet. Alternativ sind jedoch auch andere geometrische Formen für den Querschnitt der Gasrohre 715, wie zum Beispiel ein kreisförmiger Querschnitt, realisierbar. Jedes Gasrohr 715 weist an zwei gegenüberliegenden Wandungsbereichen Bohrungen 716 entlang der Längsausdehnung der Gasrohre 715 auf, durch welche ein Gas in den inneren ringförmigen Freiraum 513 einbringbar ist. Dabei erstrecken sich die Bohrungen 716, die in den Gasrohren 715 mit einem bevorzugten Durchmesser von etwa 1 mm oder kleiner ausgebildet sind, zumindest über einen Gasrohrlängenbereich, welcher dem zylinderförmigen Elektronenaustrittsfenster 102 gegenüberliegt und welcher somit der Höhe des zylinderförmigen Elektronenaustrittsfensters 102 entspricht. Dabei sind die Bohrungen 716 bevorzugt derart in die Gasrohre 715 eingebracht und die Gasrohre 715 derart ausgerichtet, dass die Austrittsrichtung des Gases durch eine Bohrung 716 innerhalb einer horizontalen Ebene der Vorrichtung 700 verläuft und dabei senkrecht zu einer Geraden 717 ausgerichtet ist, die beginnend von der Zylinderachse 103 des zylinderförmigen Gehäuses 101 hin zum Mittelpunkt einer horizontalen Schnittfläche eines zugehörigen Rohres 715 gezogen wird. Die Austrittsrichtung des Gases durch die Bohrungen 716 ist in Fig. 7 mit Pfeilen an den Gasrohren 715 veranschaulicht. Als Gas können zum Beispiel Luft oder ein Inertgas verwendet werden. Der Vollständigkeit halber sei erwähnt, dass die Gasrohre 715 mittels eines Leitungssystems mit einem Reservoir verbunden sind, innerhalb dem sich das Gas befindet. Dabei kann das Reservoir auch die Umgebungsluft einer erfindungsgemäßen Vorrichtung umfassen.
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Anstatt der einzelnen Bohrungen 716 kann alternativ auch an den gegenüberliegenden Wandungsbereichen der Gasrohre 715 jeweils ein vertikaler Schlitz in die Wandungen der Gasrohre 715 eingebracht sein, welcher sich über die Höhe des Elektronenaustrittsfensters 102 erstreckt. Dabei weist der vertikale Schlitz eine Breite von etwa 1 mm oder kleiner auf, in jedem Falle so, dass sein Querschnitt kleiner als der des zuführenden Gasrohres ist und somit eine Vergleichmäßigung des hydrostatischen Druckes im Gasrohr sowie im Ergebnis auch der Gasausströmung aus dem Schlitz erreicht werden. (Diese Betrachtung gilt für den Gesamtquerschnitt der alternativen Bohrungen in Relation zu dem der Gasrohre ebenso.)
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Soll ein gasförmiges Fluid mit beschleunigten Elektronen behandelt werden, welches durch den äußeren ringförmigen Freiraum 514 strömt oder ein flüssiges Fluid, welches lediglich als Flüssigkeitsfilm an der Innenwandung des ersten Hohlzylinders 107 herunterrinnt, kann der dritte Hohlzylinder 512 gitterförmig ausgebildet sein. Hierfür kann beispielsweise ein Gazematerial, bestehend aus einem Drahtgeflecht verwendet werden. Das durch die Bohrungen 716 in den inneren ringförmigen Freiraum eingebrachte Gas entweicht, bei einer derartigen Ausführungsform der Vorrichtung 700, durch den gitterförmig ausgebildeten dritten Hohlzylinder 512 hindurch nach außen und wird im äußeren ringförmigen Freiraum 514 mit dem Strom des mit beschleunigten Elektronen zu beaufschlagenden Fluids abgeleitet. Dabei erfüllt das durch die Bohrungen 716 strömende Gas gleich zwei Aufgaben. Zum einen verhindert das durch den dritten Hohlzylinder 512 nach außen dringende Gas, dass Staubpartikel durch den dritten Hohlzylinder 512 nach innen in Richtung Elektronenaustrittsfenster 102 gelangen können, wodurch das Elektronenaustrittsfenster 102 vor einer parasitären Beschichtung mit Staubpartikeln geschützt wird. Das Gas wird deshalb nachfolgend auch als Schutzgas bezeichnet. Zum anderen wird durch das Strömen des Schutzgases innerhalb des inneren ringförmigen Freiraumes 513 gleichzeitig das zylinderförmige Elektronenaustrittsfenster 102 gekühlt. Infolgedessen kann dann auch eine Wasserkühlung eines Stützgitters für das Elektronenaustrittsfenster 102 kleiner dimensioniert werden.
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Vorteilhaft ist es, wenn die Gasrohre 715 einen mechanischen Kontakt mit dem dritten Hohlzylinder 512 aufweisen bzw. wenn die Gasrohre 715 mechanisch mit dem dritten Hohlzylinder 512 verbunden sind. Dadurch wird der dritte Hohlzylinder 512 mechanisch stabilisiert und in Position gehalten. Die Gasrohre 715 und der dritte Hohlzylinder 512 sind dann zum Beispiel als kompakte Baugruppe ausgebildet, welche bei Wartungsarbeiten in einem Stück entfernt werden kann.
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Bei einer weiteren Ausführungsform ist der Durchmesser des dritten Hohlzylinders 512 derart gewählt, dass dessen zylinderförmige Wandung mittig zwischen dem ersten Hohlzylinder 107 und dem zylinderförmigen Elektronenaustrittsfenster 102 angeordnet ist.
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Bei einer weiteren Ausführungsform ist die Ringbreite des inneren ringförmigen Freiraums 513 derart gewählt, dass die Gasrohre 715 den Abstand zwischen dem zylinderförmigen Elektronenaustrittsfenster 102 und dem dritten Hohlzylinder 512 zumindest zu 90 % ausfüllen.
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Nachteilig an der Verwendung der Gasrohre 715 bei einer erfindungsgemäßen Vorrichtung ist jedoch, dass die Gasrohre 715 nicht hinreichend transparent für beschleunigte Elektronen sind. Die Gasrohre 715 sind deshalb erfindungsgemäß ebenfalls in den Abschattungswinkelbereichen mit dem Winkel ω angeordnet.
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Werden bei einer weiteren Ausführungsform Flüssigkeiten, abrasive Suspensionen und/oder eingesprühte Aerosole als Fluid verwendet, welche den äußeren ringförmigen Freiraum durchströmen, ist der dritte Hohlzylinder 512 bevorzugt als dünne Folie ausgebildet, welche für den Durchtritt beschleunigter Elektronen hinreichend transparent ist. Mittels einer solchen Folie wird das zylinderförmige Elektronenaustrittsfenster 102 vor einer mechanischen Einwirkung durch das Fluid geschützt.
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Zuvor wurde bereits beschrieben, dass mittels Gasrohren 715 ein Gas in den inneren ringförmigen Freiraum 513 eingelassen wird. Insbesondere wenn der dritte Hohlzylinder 512 als dünne Folie ausgebildet ist, können die Gasrohre 715 alternativ auch zwei unterschiedliche Funktionen ausüben. Hierbei wird mittels einer ersten Gruppe von Gasrohren 715 ein Gas in den inneren ringförmigen Freiraum 513 eingelassen und mittels einer zweiten Gruppe von Gasrohren 715 das Gas wieder aus dem inneren ringförmigen Freiraum 513 abgesaugt. Dabei ist bevorzugt ein Gasrohr 715 der ersten Gruppe immer mit einem Gasrohr 715 der zweiten Gruppe benachbart angeordnet.
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Es wurde mehrfach dargelegt, dass es innerhalb der Abschattungswinkelbereiche mit dem Winkel ω nicht möglich ist, ein Fluid mit einer hinreichenden Dosis an beschleunigten Elektronen zu beaufschlagen. Daher umfassen alle zuvor beschriebenen Ausführungsformen mechanische Mittel, sogenannte "Totbereichsabschirmungen", mit denen verhindert wird, dass ein mit beschleunigten Elektronen zu beaufschlagendes Fluid in die Abschattungswinkelbereiche gelangt. Diese mechanischen Mittel können Blenden umfassen, welche eingangsseitig, also an der Seite, an welcher ein Fluid in den ersten ringförmigen Freiraum 108 bzw. in den äußeren ringförmigen Freiraum 514 einströmt, die Abschattungswinkelbereiche abdecken. Des Weiteren können diese mechanischen Mittel auch Wandungen umfassen, welche sich parallel zur Zylinderachse 103 durch den ersten ringförmigen Freiraum 108 bzw. den äußeren ringförmigen Freiraum 514 erstrecken und dort die Abschattungswinkelbereiche von den in Umfangsrichtung dazwischen liegenden zweiten Winkelbereichen der Behandlungszone separieren.
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Eine Vergleichmäßigung der Behandlungsdosis im strömenden Fluid unter Verzicht auf Totbereichsabschirmungen im Behandlungsraum wird durch eine weitere Ausführungsform der Erfindung erreicht. Hierbei werden die abschattenden Konstruktionselemente der zuvor geschilderten Vorrichtungen (d.h. die ersten Stützelemente 105 des zylinderförmigen Steuergitters 104b; die zweiten Stützelemente 106 des Elektronenaustrittsfensters 102 und ab Vorrichtung 700 die Gasrohre 715) weiterhin entlang der jeweiligen zugehörigen Mantelflächen und zentralsymmetrisch fluchtend, aber nicht mehr parallel zur gemeinsamen zentralen Zylinderachse, sondern in Form einer Schraubenkurve geführt. Deren Steigungsgang wird so gewählt, dass nach Durchlaufen der (annähernd) vertikalen Öffnungslänge des Elektronenaustrittsfensters eine azimutale Drehung um einen Winkel Ω erreicht ist. Wobei Ω der Winkel ist, dessen Scheitel auf der Zylinderachse liegt und dessen Schenkel durch die Mitte zweier benachbarter abschattender Konstruktionselemente verlaufen. Bezüglich der zuvor genannten Mantelflächen sei angemerkt, dass als Mantelfläche für die ersten Stützelemente 105 das Steuergitter 104b; als Mantelfläche für die zweiten Stützelemente 106 das Elektronenaustrittsfenster 102 und als Mantelfläche für die Gasrohre 715 der dritte Hohlzylinder 512 anzusehen sind. In Fig. 9 ist ein Bauteil 900 einer erfindungsgemäßen Vorrichtung schematisch dargestellt, welches ein Elektronenaustrittsfenster 102 umfasst. Lediglich beispielhaft ist in Fig. 9 ein einziges zweites Stützelement 906 abgebildet, welches die Ausrichtung Elektronen abschattender Konstruktionselemente wie erster Stützelemente und zweiter Stützelemente sowie von Gasrohren 715 bei einer solchen Ausführungsform veranschaulichen soll. Das zweite Stützelement 906, welches mit gepunkteten Linien dargestellt ist, erstreckt sich in einer Schraubenkurve entlang seiner zugehörigen Mantelfläche, des Elektronenaustrittsfensters 102, von oben nach unten, wobei die Steigung der Schraubenkurve sehr steil ist. Es sei angemerkt, dass auch bei einer derartigen Ausführungsform die Elektronen abschattenden Konstruktionselemente, wie erste und zweite Stützelemente sowie ggf. Gasrohre 715, alle innerhalb der ersten Winkelelemente mit dem Winkel ω angeordnet sind, wobei sich jedoch der Winkel ω entlang der Zylinderachse 103 mit der Schraubenkurve der Elektronen abschattenden Konstruktionselemente um die Zylinderachse 103 herum mit dreht.