FI88226C

FI88226C - FOERFARANDE FOER STYRNING AV EN ELEKTRONSTRAOLE I EN ELEKTRONACCELERATOR SAMT EN ELEKTRONACCELERATOR

Info

Publication number: FI88226C
Application number: FI902595A
Authority: FI
Inventors: Pertti Puumalainen
Original assignee: Tampella Oy Ab
Priority date: 1990-05-24
Filing date: 1990-05-24
Publication date: 1993-04-13
Also published as: FI88226B; FI902595A0; DE4191099T; WO1991018411A1; FI902595A; JPH05506538A; SE9203508L; GB2261987A; SE9203508D0; GB9223836D0

Description

Menetelmä elektronisuihkun ohjaamiseksi elektronikiihdyt- timessä ja elektronikiihdytin 1 38226Method for controlling an electron beam in an electron accelerator and an electron accelerator 1 38226

Keksinnön kohteena on menetelmä elektronisuihkun 5 ohjaamiseksi elektronikiihdyttimessä, jossa elektroniläh-teestä tulevia elektroneja johdetaan hilaikkunan läpi kiihdytystilaan ja kiihdytystilasta jäähdytysrivoilla varustetun varsinaisen ikkunan läpi ulos elektronikiihdytti-mestä, ja jossa elektroneja kiihdytetään hilaikkunan ja 10 varsinaisen ikkunan välille muodostetulla kiihdytysjännitteellä.The invention relates to a method for controlling an electron beam 5 in an electron accelerator, in which electrons from an electron source are passed through a gate window to an acceleration space and from an acceleration space through an actual window with cooling fins out of an electron accelerator.

Edelleen keksinnön kohteena on elektronikiihdytin, jossa on elektronilähde, hilaikkuna ja jäähdytysrivoilla varustettu varsinainen ikkuna, jolloin elektronilähteestä 15 tulevia elektroneja johdetaan hilaikkunan läpi kiihdytys-tilaan ja kiihdytystilasta varsinaisen ikkunan läpi ulos elektronikiihdyttimestä ja elektroneja kiihdytetään hila-ikkunan ja varsinaisen ikkunan välille muodostetulle kiihdytys j ännitteellä.The invention further relates to an electron accelerator having an electron source, a gate window and an actual window with cooling fins, wherein electrons from the electron source 15 are passed through the gate window to the acceleration state and from the acceleration state through the actual window to the gate window.

20 Elektronikiihdyttimiä käytetään tuottamaan ener gialtaan 100-800 keV olevia elektroneja tyypillisesti elektronisuihkuna käytettäväksi eri tarkoituksiin. Tällaisia käyttöalueita ovat mm. pinnoitteiden kovettaminen po-lymerointitekniikalla, savukaasujen puhdistaminen, steri-: 25 lointi jne. Teollisuuden käyttämissä laitteissa tarvitaan yleensä tasainen elektronisuihku liikkuvan aineradan pintaan tai savukanavassa virtaavaan kaasuun, jotta riittävä ja tulokseltaan tarpeeksi tasainen vaikutus saataisiin aikaan. Käytettävät elektronisuihkun tehot ovat tyypilli-30 sesti alueella 10-100 kW. Koska elektronien muodostus tapahtuu tyhjiössä ja elektronit johdetaan kiihdyttimien tyhjiössä olevista sisätiloista ulos ohuiden noin 0,01 mm paksuudeltaan olevien ikkunoiden läpi, jää ikkunoihin varsin huomattava noin 3-15 % oleva teho elektronien tunkeu-35 tuessa niiden läpi. Edelleen ikkunat ovat tyypillisesti 2 88226 muodoltaan kapeita ja lisäksi ne ovat pitkiä useimmiten titaanista muodostettuja. Pitkien ja kapeiden ikkuna-aukkojen tarkoitus on saada aikaan se, että ulos tulevat elektronit muodostavat verhomaisen elektronisuihkun.Electron accelerators are used to produce electrons with an energy of 100-800 keV, typically as an electron beam for use in a variety of purposes. Such areas of use are e.g. curing of coatings by polymerization techniques, flue gas cleaning, sterilization, etc. Industrial equipment generally requires a uniform electron beam on the surface of the moving material path or on the gas flowing in the flue to provide a sufficient and uniformly uniform effect. The electron beam powers used are typically in the range of 10-100 kW. Since the formation of electrons takes place in a vacuum and the electrons are led out of the vacuum interior of the accelerators through thin windows about 0.01 mm thick, a considerable power of about 3-15% remains in the windows as the electrons penetrate through them. Furthermore, the windows are typically 2,822,26 narrow in shape and, in addition, are long, mostly made of titanium. The purpose of the long and narrow window openings is to cause the outgoing electrons to form a veil-like electron beam.

5 Nykyään käytössä olevissa elektronisuihkulaitteissa käytetään tyypillisesti ikkunan takana laitteen sisäpuolella kuparista jäähdytysritilää tai -rivoitusta, jota jäähdytetään sisäisesti vesijäähdytyksen avulla. Tällä tavalla ohut ikkuna, johon kehittyy suuri lämpöteho, on 10 mahdollista pitää tarpeeksi matalassa lämpötilassa. Kun elektroneja kiihdytetään yleisesti käytetyllä tekniikalla aukosta aukkoon ja aukon pohjalla on jäähdytysrivat ikkunan edessä, osuu elektroneja myös aina jäähdytysripoihin vähintään ripojen ja ikkunan pinta-alojen suhteessa ja 15 heikot kenttäviivat vielä tehostavat tätä vaikutusta, vaikka varsinaiset kiihdytysjännitteen kenttäviivat ovatkin aukon reunoilla. Jäähdytysritilöihin osuvien elektronien osuus laitteen tehosta on noin 25-35 %, mikä on koko-naistehosta varsin suuri osuus. Koska useat elektronisuih-20 kutussovellutukset kuluttavat huomattavasti energiaa, on tällainen lähes kolmasosan energiahukka hyvin merkittävä sovellutuksen kannalta ja vaatii tarpeettoman suuria ja tehokkaita jäähdytyslaitteistoja sekä lisää käyttökustannuksia merkittävästi.5 Electron beam devices in use today typically use a copper cooling grille or ribbing inside the device behind the window, which is cooled internally by water cooling. In this way, it is possible to keep a thin window with a high thermal power at a sufficiently low temperature. When electrons are accelerated by the commonly used technique from aperture to aperture and the bottom of the aperture has cooling fins in front of the window, electrons also always hit the cooling fins at least relative to the fins and window areas, and weak field lines further enhance this effect. The proportion of electrons hitting the cooling grids is about 25-35% of the device's power, which is a fairly large share of the total power. Because many electron beam-20 applications consume significant amounts of energy, such nearly one-third energy loss is very significant to the application and requires unnecessarily large and efficient refrigeration equipment as well as significantly increased operating costs.

25 GB-patentissa 1 179 277 on esitetty tyypillinen tunnetun tekniikan mukainen ratkaisu, jossa varsinaista ikkunaa vasten on jäähdytysripoja, joihin elektronit törmäävät edellä esitetyllä tavalla. US-patentissa 4 591 756 puolestaan on esitetty, kuinka jäähdytysripojen muotoilul-30 la saadaan elektronien törmäystä vähennetyksi. Julkaisun ratkaisussa kuitenkin edelleen elektroneja osuu jäähdytys-ripoihin aiheuttaen mainittuja haittoja.25 GB Patent 1,179,277 discloses a typical prior art solution in which there are cooling fins against the actual window, to which electrons collide as described above. U.S. Patent 4,591,756, on the other hand, discloses how the design of cooling fins can reduce electron collision. However, in the solution of the publication, electrons still hit the cooling fins, causing the mentioned disadvantages.

DE-hakemusjulkaisussa 30 20 809 on esitetty ratkaisu, jossa elektronit pyritään ohjaamaan jäähdytysripojen 35 väliin erilaisilla linssirakenteilla ja siten pyritään 3 88226 estämään elektronien osumista jäähdytysripoihin. Ratkaisu on varsin monimutkainen ja hankala toteuttaa varsinkin, kun useita toisistaan riippuvia osia, kuten katodi, ensimmäinen ja toinen reikälevy jne on pystyttävä mitoittamaan 5 ja sijoittamaan tarkalleen oikein. Käytännössä ratkaisun toteuttaminen on erittäin hankalaa ja kallista. Lisäksi linssirakenteet fokusoivat elektronisäteilyä ja sen seurauksena ikkunoiden keskiosa helposti ylikuumenee.DE-A-30 20 809 discloses a solution in which electrons are directed between the cooling fins 35 by means of different lens structures and thus 3 88226 is sought to prevent electrons from hitting the cooling fins. The solution is quite complex and cumbersome to implement, especially when several interdependent parts, such as the cathode, the first and the second perforated plate, etc., must be able to be dimensioned 5 and positioned exactly correctly. In practice, implementing the solution is very cumbersome and expensive. In addition, the lens structures focus on the electronic radiation and, as a result, the central part of the windows easily overheats.

Tämän keksinnön tarkoituksena on saada aikaan mene-10 telinä ja laitteisto, joilla vältetään edellä esitettyjä haittoja ja joilla voidaan vähentää elektronikiihdyttimen ikkunan tarvitsemaa jäähdytystehoa. Keksinnön mukaiselle menetelmälle on ominaista, että hilaikkunan ja varsinaisen ikkunan välille muodostetaan peilisymmetrinen sähkövaraus 15 hilaikkunan ja varsinaisen ikkunan välisen etäisyyden puolivälissä olevan kuvitellun symmetriatason suhteen jolloin tasainen jakautuma hilaikkunalle peilautuu tasaiseksi jakautumaksi varsinaiselle ikkunalle.The object of the present invention is to provide a method and an apparatus which avoids the above-mentioned disadvantages and which can reduce the cooling power required by the window of the electron accelerator. The method according to the invention is characterized in that a mirror-symmetrical electric charge 15 is formed between the lattice window and the actual window with respect to an imaginary plane of symmetry midway between the lattice window and the actual window, whereby a uniform distribution to the lattice window is reflected.

Menetelmän olennainen ajatus on, että kiihdytys-20 tilaan johtavaan ikkunaan eli hilaikkunaan on muodostettu varsinaisen ikkunan jäähdytysripoja vastaavat peilikuva-maiset vastineet, jolloin jäähdytysripojen ja niiden peilikuvien välille syntyy peilisymmetria, joka ohjaa elektronit suoraan hilaikkunasta varsinaiselle ikkunalle vas-• ; 25 taavaan paikkaan eikä elektroneja pääse osumaan jäähdytysripoihin varsinaista ikkunaa lähestyessään.The essential idea of the method is that mirror-like equivalents corresponding to the cooling fins of the actual window are formed in the window leading to the acceleration-20 state, i.e. the mirror fins, whereby a mirror symmetry is created between the cooling fins and their mirror images, directing electrons directly from the gate window to the actual window; 25 and no electrons can hit the cooling fins when approaching the actual window.

. Keksinnön mukaiselle laitteelle on ominaista, että hilaikkunan varsinaiseen ikkunaan päin suuntautuneelle . . pinnalle on asennettu sähkökentänohjäimiä, jotka ovat muo- 30 doltaan varsinaisen ikkunan jäähdytysripojen kanssa peili-symmetriset hilaikkunan ja varsinaisen ikkunan puolivälis-sä sijaitsevan kuvitellun symmetriatason suhteen.. The device according to the invention is characterized in that the lattice window faces the actual window. . mounted on the surface are electric field guides which are mirror-symmetrical in shape with the cooling fins of the actual window with respect to an imaginary plane of symmetry located in the middle of the lattice window and the actual window.

Laitteen olennainen ajatus on, että hilaikkunan puolelle on muodostettu varsinaisen ikkunan jäähdytysri-35 poja peilikuvana vastaavat sähkökentän ohjaimet, jolloin 4 83226 jäähdytysripojen ja ohjainten välille muodostuu peilisym-metria, mikä ohjaa elektronit kulkemaan suoraan hilaikku-nalta varsinaiselle ikkunalle.The essential idea of the device is that on the side of the lattice window, the electric field guides corresponding to the sonic window of the actual window are formed as a mirror image, whereby a mirror symmetry is formed between the cooling fins and the guides, which directs the electrons to pass directly from the lattice window to the actual window.

Keksintöä selostetaan lähemmin oheisissa piirus-5 tuksissa, joissa kuvio 1 esittää keksinnön mukaista elektronikiih-dytintä hilaikkunan pituussuunnassa poikkileikattuna ja kuvio 2 esittää keksinnön mukaista elektronikiih-dytintä hilaikkunarivin pituussuunnassa aukileikattuna.The invention is described in more detail in the accompanying drawings, in which Figure 1 shows an electron accelerator according to the invention in the longitudinal direction of the lattice window and Figure 2 shows the electron accelerator according to the invention in the longitudinal direction of the row of lattice windows.

10 Kuviossa 1 ja 2 on esitetty elektronikiihdytin, jossa on tyhjiökammion ulkoseinä 1, elektronien muodos-tuslaite 2, joka voi olla esimerkiksi kuvion esittämä pitkä putkimainen tila, jonka keskellä on pingotettu·hehku-lanka 2a. Elektronien muodostuslaitteessa muodostuneet 15 elektronit 3 ohjataan hehkulangan 2a suuntaiselle hilaik- kunalle 4, jonka läpäistyään ne joutuvat kiihdytystilaan. Hilaikkunan 4 alapuolella on sinänsä tunnettu ja sen vuoksi ei tarkemmin selitetty yleensä kuparista muodostettu tukirakenne 5, jossa on aukko elektronien läpikulkua var-20 ten. Keksinnön mukaisessa ratkaisussa on hilaikkunan 4 alapuolella lisäksi edullisesti tukirakenteeseen 5 kiinnitettyjä sähkökentän ohjaimia 5a, jotka jakavat hilaikkunan alla olevan yhtenäisen aukon useisiin poikittaisiin ikkuna-aukkoihin 4a, jotka voivat mennä hilaikkunan reunasta 25 toiseen joko hehkulangan suuntaisena tai siihen nähden poikittain tai suoraan tai viistosti. Sähkökentänohjäimien 5a välistä elektronit kulkevat edelleen kohti varsinaista ikkunaa 6, jonka yläpuolella on sinänsä tunnettu ja siksi ei tarkemmin selitetty yleensä kuparista valmistettu tuki-30 rakenne 7, jossa on jäähdytysripoja 7a. Jäähdytysrivat 7a ja sähkökentänohjaimet 5a ovat muodoltaan hilaikkunan 4 ja varsinaisen ikkunan 6 välien etäisyyden puolivälissä olevan kuvitellun tason S suhteen keskenään peilikuvia, jolloin niiden välille muodostuu peilisymmetrian avulla säh-35 kökenttä 8. Elektronien tullessa hilaikkunan läpi vierek- 5 88226 käisten sähkökentänohjainten 5a väliin, tulevat elektronit varsinaiselle ikkunalle täsmälleen peilikuvamaisesti samoin, kuin ne tulivat hilaikkunasta eli tulevien ja lähtevien elektronien radat ovat sähkökentänohjainten 5a ja 5 jäähdytysripojen 8 tavoin keskenään peilikuvamaiset. Vaik ka hilaikkunat ja vastaavasti varsinaiset ikkunat ovat käytännön syistä usein vinottain eli jäähdytysrivät joudutaan samoin asettamaan vinosti poikittain ikkunan yli, ei asialla ole mitään merkitystä, kunhan sähkökentänohjaimet 10 5a ovat hilaikkunan 4 ja varsinaisen ikkunan 6 välisen tason S suhteen peilisymmetrisesti jäähdytysripojen 7a kanssa.Figures 1 and 2 show an electron accelerator with an outer wall 1 of a vacuum chamber, an electron generating device 2, which may be, for example, the long tubular space shown in the figure, in the middle of which there is a tensioned filament 2a. The electrons 3 formed in the electron generating device 15 are directed to a gate window 4 in the direction of the filament 2a, after which they enter an acceleration state. Below the gate window 4, a support structure 5, generally formed of copper, with an opening for the passage of electrons, is generally known per se and is therefore not described in more detail. In addition, below the lattice window 4, the solution according to the invention preferably has electric field guides 5a attached to the support structure 5, which divide the continuous opening below the lattice window into a plurality of transverse window openings 4a. Which can pass from one edge of the lattice window 25 to another. The electrons between the electric field guides 5a continue to travel towards the actual window 6, above which the support-structure 7, generally made of copper, with cooling fins 7a, generally made of copper, is known per se and is therefore not described in more detail. The cooling fins 7a and the electric field guides 5a are mirror images of each other with respect to the imaginary plane S in the middle of the distance between the lattice window 4 and the actual window 6, whereby an electric field 8 is formed by mirror symmetry. the electrons on the actual window are exactly mirror-like as they came from the lattice window, i.e. the paths of the incoming and outgoing electrons are mirror-like to each other like the cooling fins 8 of the electric field guides 5a and 5. Although the lattice windows and the actual windows are often oblique for practical reasons, i.e. the cooling fins also have to be placed diagonally across the window, it is irrelevant as long as the electric field guides 10 5a are mirror symmetrically with the cooling fins 7a with respect to the plane S between the lattice window 4 and the actual window 6.

Keksintöä on edellä selityksessä ja piirustuksissa esitetty vain esimerkinomaisesti eikä sitä millään tavalla 15 ole rajoitettu siihen. Keksintöä voidaan soveltaa kaikenlaisilla elektronien muodostuslaitteilla varustetuissa elektronikiihdyttimissä, jolloin elektronimuodostimena voi olla matalajännitteinen elektronitykki, josta elektronit saadaan leveänä suihkuna hilaikkunalle tai jossa hilaikku-20 nan pintaa pyyhkäistään jatkuvasti edestakaisin kapealla elektronisuihkulla. Jäähdytysrivat ja sähkökentän ohjaimet voivat olla olennaisesti minkä muotoisia tahansa, kunhan ne muodostavat hilaikkunan ja varsinaisen ikkunan välissä olevan ikkunoiden suuntaisen tahon suhteen peilisymmetri-.· 25 sen kuvan toistensa suhteen. Jäähdytysripojen korkeutta c ja sähkökentän ohjainten korkeutta a ja niiden välistä etäisyyttä b sopivasti mitoittamalla saadaan kenttäviivat kulkemaan hilaikkunoiden välissä olennaisesti suoraan, jolloin ne eivät toimi linsseinä eivätkä fokusoi tai hajo-30 ta elektronisuihkua ennen sen iskeytymistä varsinaisen ikkunan pintaan.The invention has been described above in the description and in the drawings only by way of example and is in no way limited thereto. The invention can be applied to electron accelerators equipped with all kinds of electron generating devices, in which case the electron generator can be a low-voltage electron gun from which electrons are obtained as a wide jet on the lattice window or in which the lattice surface is continuously swept back and forth with a narrow electron beam. The cooling fins and the electric field guides can be of substantially any shape, as long as they form a mirror-symmetrical image with respect to each other with respect to the window-oriented side between the lattice window and the actual window. Appropriately dimensioning the height c of the cooling fins and the height a of the electric field guides and the distance b between them causes the field lines to pass substantially directly between the lattice windows, not acting as lenses or focusing or scattering the electron beam before it hits the actual window surface.

Claims

A method of controlling an electron beam in an electron accelerator, in which a method (3) of electrons (2) coming from an electron source (2) is guided through a grid window (4) to an acceleration outrune and from the acceleration space through a with cooling ribs (7a) provides actual window (6) out of the electron accelerator, and in which electrons (3) are accelerated by an acceleration voltage formed between the grid window (4) and the actual window (6), characterized in that between the grating window (4) and the actual window (6) form an electrical charge which is mirror symmetrical in relation to a halfway between the grating window (4) and the actual window (6) located imaginary plane of symmetry (S), distribution on the grid window Reflected as an even distribution on the actual window.

2. A method according to claim 1, characterized in that the mirror symmetric electric charge is formed by turning the surface of the grid window (4) towards the actual window (6), the electric field conductor (5a) of which form in relation to the imaginary plane of symmetry (S). mirror symmetrical with the shape of the cooling ribs (7a) of the actual window (6). 25

3. A method according to claim 2, characterized in that the height (a, c) of the electric field conductors (5a) and the cooling ribs (7a) and the distance between them are installed so that the movement of the electrons between the grating window (4) and the actual window (6) is essentially rectilinear and parallel.

An electron accelerator having an electron source (2), a grating window (4) and an actual window (6) provided with cooling ribs (6), the electrons (3) coming from the electron source (2) passing through the grating window (4). ) Into an acceleration outrune and from the acceleration space through the actual window (6) out of the electron accelerator, and the electrons (3) are accelerated by an acceleration voltage formed between the grating window (4) and the actual window (6). , that the surface of the grid window (4) facing the actual window (6) has been set to electric field conductors (5a), the shape of which is mirror-symmetrical with the shape of the cooling window (7a) of the actual window (6a) in relation to an imaginary sign -metric plane (S) halfway between the grid window (4) and the actual window (6).

5. An electron accelerator according to claim 4, characterized in that the cooling ribs (7a) and electric field conductors (5a) are designed to run obliquely in relation to the actual window (6) and the grating window (4).