DE1247498B

DE1247498B - Bestrahlungsanordnung zum Erzeugen eines aus hochbeschleunigten geladenen Partikeln bestehenden Strahlenbuendels

Info

Publication number: DE1247498B
Application number: DEV21171A
Authority: DE
Inventors: Russell George Schonberg; Craig Spencer Nunan; Lawrence Edmond Brown
Original assignee: Varian Associates Inc
Current assignee: Varian Medical Systems Inc
Priority date: 1960-08-24
Filing date: 1961-08-14
Publication date: 1967-08-17
Also published as: GB968893A; CH414878A; US3144552A

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

IntCl.:

HOlj

Deutsche Kl.: 21 g - 21/01

Nummer: 1247 498

Aktenzeichen: V 21171 VIII c/21 g

Anmeldetag: 14. August 1961

Auslegetag: 17. August 1967.

Durch die USA.-Patentschrift 2 887 599 ist eine Anordnung zum Erzeugen eines aus hochbeschleunigten geladenen Partikeln bestehenden Strahlenbündels zwecks Bestrahlung einer Substanz bekannt, bei der eine langgestreckte, die Partikeln aussendende Emissionsvorrichtung zur Anwendung gelangt und die Emissionsvomchtung von einer Mehrzahl fokussierender und beschleunigender Elektroden umgeben ist, die sich über die gesamte Länge der Emissionsvorrichtung erstrecken und die emittierten Partikeln zu einem Strahlenbündel von streifenförmigem Querschnitt fokussieren. Das Strahlenbündel streifenförmigen Querschnittes durchsetzt ein in der Gehäusewand der Entladungsröhre vorgesehenes, für die beschleunigten Gaspartikeln durch-. lässiges Fenster.

Es ist ferner bei Entladungsröhren zum Erzeugen hochbeschleunigter geladener Partikeln durch die USA.-Patentschrift 2 144 518 bekannt, nacheinander von den zu beschleunigenden Elektronen durchsetzten Elektroden amplitudenmäßig entsprechend abgestufte Wechselspannungen zuzuführen.

Eine Anordnung zum Erzeugen eines aus hochbeschleunigten geladenen Partikeln bestehenden Strahlenbündels zwecks Bestrahlung einer Substanz, bei der eine langgestreckte, die Partikeln aussendende Emissionsvorrichtung und eine Fokussierelektrodenanordnung mit einer Zwischenelektrode sowie eine Beschleunigungselektrode vorgesehen sind, welche sich über die gesamte Länge der Emissionsvomchtung erstrecken und die emittierten Partikeln zu einem Strahlenbündel von streifenförmigem Querschnitt fokussieren, und bei der die Beschleunigungselektroden und die Zwischenelektroden mit sinusförmig pulsierender periodisch unterbrochener Hochspannung betrieben werden, kennzeichnet sich gemäß der Erfindung dadurch, daß die der Zwischenelektrode zugeführte pulsierende Spannung so gewählt ist,-daß die Zwischenelektrode nur während des mittleren, etwa eine Viertelperiode umfassenden Teiles der beschleunigenden Halbwelle der zwischen der Emissionsvomchtung und der Beschleunigungselektrode wirkenden Spannung eine beschleunigende Spannung in bezug auf die Emissionsvomchtung führt.

Die Erfahrungen mit hochbeschleunigten Elektronen haben gezeigt, daß die Absorption in dem für den Austritt der Elektronen vorgesehenen Fenster bis zu Elektronengeschwindigkeiten von etwa · IOOkeV außerordentlich hoch ist, und daß Elektronen unterhalb dieser Geschwindigkeit praktisch alle in dem Fenster abgefangen werden. Wenn jedoch Bestrahlungsanordnung zum Erzeugen eines aus hochbeschleunigten geladenen Partikeln
bestehenden Strahlenbündels'

Anmelder:

Varian Associates, Palo Alto, Calif. (V. St. A.)
Vertreter:

Dr. phil. G. B. Hagen, Patentanwalt,
München-Solln, Franz-Häls-Str. 21

Als Erfinder benannt:

Russell George Schonberg, Palo Alto, Calif.;
Craig Spencer Nunan, Los Altos Hills, Cälif.;
Lawrence Edmond Brown,
PaIo Alto, Calif. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:

V. St. v. Amerika vom 24. August 1960 (51599)

die Elektronenenergie am Fenster über den vorgenannten Wert zunimmt, wird der Energieverlust von Elektronen im Fenster geringer und strebt bei hohen Elektronengeschwindigkeiten über 200 keV einem Minimalwert zu. Durch die vorstehend charakterisierte Beschränkung der Phase der an der Zwischenelektrode zur Wirksamkeit gebrachten pulsierenden Spannung relativ zu der Phase der Wirksamkeit der an der Beschleunigungselektrode liegenden Spannung wird erreicht, daß das Fenster nur von relativ schnell beschleunigten geladenen Partikeln getroffen wird und dadurch die Partikelabsorption im Fenster und somit die thermische Belastung des Fenster verringert wird.

Die Erfindung wird an Hand der nachstehenden Beschreibung und der Figuren näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine, perspektivische Darstellung einer Anordnung zum Erzeugen eines Elektronenstrahlbündels, .

Fig.2 eine Seitenansicht der in Fig.l dargestellten Anordnung im Schnitt entlang der Schnittebene 2-2 der F i g. 1,

Fig.2A einen Grundriß der zur Anwendung gelangenden Fensteranordnung,

709 637/527

Fig.3 einen Längsschnitt der in Fig. 1 dargestellten Anordnung entlang der Schnittebene 3-3 der Fig. 1,

F i g. 4 eine schematische Darstellung der Anordnung nach F i g. 1,

Fig. 5 eine Bestrahlungsvorrichtung für federförmiges Gut,

Fig. 6 ein Schaltbild des zur Anwendung gelangenden Generators,

Fig.7 eine-graphische Darstellung der in keV wiedergegebenen Elektronenenergie während der positiven Halbwelle der Spannung, wobei in dem Diagramm die Energie der auf das Fenster treffenden Elektronen und die Energie außerhalb des Fensters und der Energieverlust in dem Fenster angegeben ist,

F i g. 8 eine graphische Darstellung der prozentualen Dosis in Abhängigkeit der Materialdicke, wobei eine Mehrzahl mit verschiedenen Stromkurvenformen bei -Bestrahlung des Materials von beiden Seiten wiedergegeben ist,

Fig.9 eine schematische Darstellung möglicher Spannungs-und Stromkurven.

Die im nachfolgenden zur Erörterung gelangenden Anordnungen dienen dem Zweck, einen streifenförmigen Kathodenstrahl von rechteckigem Querschnitt auf das zu bestrahlende Objekt zu richten. Es können jedoch in gleicher Weise auch Strählen, die aus anderen Partikeln bestehen, beispielsweise aus Protonen, Neutronen und Deuteronen, verwendet werden.

In den Fig. 1 bis 3 -wird eine dünne Schicht des zu bestrahlenden Materials mittels einer Rollenvorrichtung 10 zwischen zwei evakuierten Bestrahlungsköpfen 12 hindurchgeführt, so daß eine Bestrahlung des Materialsll von beiden Seiten erfolgen kann. Die Bestrahlungsköpfe .12 sind drehbar an der einen Seite des Gehäuses 13, angeordnet, in welchem eine Hochspannungstransfprmatoranordnung vorgesehen ist, zu dem Zweck, die erforderliche Energie für die zur Bestrahlung vorgesehenen Elektronen zu liefern.

Jeder Bestrahlungskopf 12 besteht aus einem langen Rohr 14, welches als Beschleunigungselektrode dient und einen AustrittsschlitzlS hat, der sich in der Längsrichtung erstreckt und durch einen Flansch 16 gebildet wird. Der Flansch 16 verläuft im Abstand von der Kante der Schlitzöffnung 15 und bildet um den Umfang, der Öffnung 15 herum eine Nut 17. In der Nut 17 ist quer zur Längsrichtung der Öffnung 15 eine Mehrzahl tragender Rippen 18, beispielsweise aus Aluminium, vorgesehen; die Rippen 18 verlaufen unter einem· geringen Winkel in bezug auf eine senkrecht zu den Längskanten der Öffnung 15 verlaufende Kante, wie dies in F i g. 2 A zu erkennen ist. Die Rippen 18 sind an ihren Enden umgebogen, so daß sich eine hinreichende Stabilität derselben in Querrichtung ergibt; ein Fensterrahmen 19 ist um die Öffnung 15 herum an dem Flansch 16 vorgesehen und trägt ein für die Partikeln durchlässiges Fenster 21, das beispielsweise aus Aluminium bestehen kann, zwischen dem Fensterrahmen 19 und dem Flansch 16, so daß die Öffnung 15 überdeckt ist. Sowohl der Fensterrahmen 19 als auch der Flansch 16 haben aufeinanderpassende Nuten, welche vollständig die Randnut 17 umgeben, und ein elastischer Dichtungsring 23 aus Blei ist in diesen Nuten 22 vorgesehen, so daß das Fenster 21 vakuumdicht zwischen den Dichtungsringen 23 eingeschlossen ist, damit der Innenraum der Bestrahlungsköpfe 12 .4

auf einem entsprechend niedrigen Druck gehalten werden kann.

Um den Innenraum der Bestrahlungsköpfe 12 auf dem gewünschten sehr niedrigen Druck zu halten, ist eine elektrische Vakuumpumpe 24 vorgesehen. In Anbetracht des niedrigen Druckes in dem Bestrahlungskopf 12 wird das dünne Fenster 21 gespannt gehalten und durch die Halterungsrippen 18 vor der Öffnung 15 abgestützt Da die Tragrippen 18 direkt

ίο das Fenster 21 berühren, leiten sie die Wärme ab, welche von den Partikeln hoher Energie erzeugt wird.

Eine Elektronen erzeugende Emissionsvorrichtung ist in jedem der Rohre 14 vorgesehen und besteht aus einem Faden 25; der das Rohr l4"in der Längsrichtung durchsetzt. Der Faden 25 ist in kurzen Abständen durch lcurze Drahtstützen 26 abgestützt, die an einem isolierenden Träger 27 angeordnet sind; der Träger 27 durchsetzt in der Längsrichtung die Fokussierelektrode 28. Die Fokussierelektrode 28 hat eine solche Form, daß die von dem Faden 25 ausgesendeten Elektronen zu einem kegelförmigen Bündel 30 formiert werden, welches das Fenster 21 durchsetzt und auf das Materialll trifft, welches zwischen den beiden aufeinander zu gerichteten Bestrahlungsköpfen 12 hindurchgeführt wird. Eine dazwischenliegende Elektrode (Zwischenelektrode) 29 wird von der Fokussierelektrode 28 mittels einer Mehrzahl isolierender Pflöcke 31 getragen, so daß die Elektrode 29 die Fokussierelektrode 28 mit Ausnähme derjenigen Stelle, an der der Elektronenstrahl auf das Fenster gerichtet "wird, vollständig umgibt. Ein Gitter, das beispielsweise aus einer entsprechenden Anzahl Drähte 32 bestehen kann, kann über die Öffnung der Zwischenelektrode 29 quer zur Längsrichtung vorgesehen sein, zu dem Zweck, die Mödulationswirkung in bezug auf den hindurchtretenden Kathodenstrahl 30 zu erhöhen.

Das eine Ende der Zwischenelektrode 29 verjüngt sich zu einem Zylinder 33 und wird in einer Öffnung am Ende des Isolators 34 gelagert, wobei der Isolator am freien Endes des Rohres 14 mittels eines ringförmigen Flansches 35 befestigt ist. Das andere Ende der Zwischenelektrode 29 wird von einer metallischen Abschlußkappe 37 getragen, welche an einem isolierenden Zylinder 38 angeordnet ist; das andere Ende des Zylinders ist an einem Flansch des Rohres 14 befestigt, in der Nähe der Stelle, an der das Rohr 14 an der Wand des Gehäuses 13 befestigt ist.
Das Rohr 14 ist drehbar in einer Öffnung des Gehäuses 13 angeordnet unter Anwendung einer Manschette 39, die am Mantel des Rohres 14 befestigt ist und ein Kugellager 41 trägt, dessen Kugeln und dessen Kugelkranz in der Öffnung der Wandung des Gehäuses 13 gelagert sind. Ein Dichtungsring 42 bildet eine Dichtung zwischen der Wand 13 und der Manschette 39, so daß kein Öl aus dem Gehäuse an der Dichtung 39 austreten kann; auf diese Weise können die Bestrahlungsköpfe gedreht werden um ihre Längsachse, ohne daß Öl aus dem Gehäuse austreten kann.

Eine Verlängerungsplatte 43 ist abnehmbar an dem Flansch 16 eines jeden Bestrahlungskopfes 12 angeordnet, und zwar so vor dem Fensteril des gegenüberliegenden Bestrahlungskopfes, daß der Raum um die Bestrahlungsanordnung herum in bezug auf Streustrahlung abgeschirmt ist, welche um das Material 11 herum oder durch dasselbe hindurch gelangen kann, und insbesondere auch gegenüber

Strahlung, die ausgestrahlt wird, wenn kein Material sich vor dem Fenster 21 befindet. Diese Platten 43 können auch entfernt werden, um die von dem gegenüberhegenden Bestrahlungskopf' 12 ausgehende Strahlung zu untersuchen. Beide Bestrahlungsköpfe 12 sind mit Wasserkühlröhren 44 versehen. Die Wärme, die an dem Fenster 21 erzeugt wird, wird mittels der tragenden Rippen 18 dem Rohr 14 und dem Flansch 16 und von dort zu den wassergekühlten Rohren 44 geleitet.

Die horizontal verlaufenden Achsen der Bestrahlungsköpfe 12 sind sowohl in horizontaler Richtung als auch in vertikaler Richtung im "Abstand voneinander angeordnet, und zwar so, daß der effektive Abstand der beiden einander zugewendeten Bestrahlungsköpfe geändert werden kann, um Material verschiedener Stärke verarbeiten zu können.

Der Abstand der beiden Achsen in der Vertikalrichtung bestimmt den Abstand der Bestrahlungsköpfe 12 voneinander, wenn die Fensterrahmen 19 und die Fortsätze 43 horizontal hegen. Der Vertikalabstand der einander zugewendeten Bestrahlungsköpfe 12 wird so gewählt, daß er der Materialstärke entspricht, für die im allgemeinen die Maschine bestimmt ist. Es wird der Abstand so klein wie möglich gewählt, damit die Erzeugung von Ozon durch den Kathodenstrahl in dem Luftspalt möglichst gering ist. Nachdem der Vertikalabstand zwischen den einander zugewendeten Bestrahlungsköpfen 12 zunächst richtig gewählt ist, bestimmt der Horizontalabstand der beiden Horizontalachsen die maximale Trennung der beiden Köpfe, die sich durch Drehen der Köpfe erreichen läßt, wobei der maximale Abstand sich dann ergibt, wenn die senkrecht auf die Fenster auftreffenden Radien beider Bestrahlungsköpfe in Verlängerung zueinander hegen, wie in F i g. 4 gezeigt ist.

Das Material 11 wird durch die Bestrahlungsköpfe etwas schräg so hindurchgeführt, daß der streifenförmige Kathodenstrahl 30 einen kleinen, etwa 5° betragenden Winkel mit einer geraden Linie bildet, die sich senkrecht von der einen Kante des Materials 11 zur anderen erstreckt. Dadurch werden kleine Ungleichmäßigkeiten der Bestrahlung auf der Fläche des Materials 11 vermieden, welche sich dadurch ergeben könnten, daß die den Faden 25 abstützenden und umgebenden Drähte 26 eine gleichmäßige Emission über die ganze Länge des Fadens 25 verhindern. In gleicher Weise sind die unterstützenden Tragrippen 18 unter einem Winkel in bezug auf die Längsrichtung der Öffnung 15 angeordnet, so daß Störungen der Gleichmäßigkeit der Bestrahlung über die Oberfläche des Materials 11 infolge Energieabsorption durch die Stützen 18 vermieden werden. Dadurch, daß der relative Winkel der Zuführrichtung des Materials etwas geändert wird, kann der Einfluß der Schattenbiidung der Rippen 18 entsprechend eingestellt werden.

In Fig. 5 ist eine andere Ausführungsform gezeigt, bei der seilförmiges Material 98, z. B. isolierte Drähte, in der Längsrichtung durch den streifenförmigen Kathodenstrahl gezogen werden, wobei 21 das Austrittsfenster des Bestrahlungskopfes darstellt. Das Seil oder der Draht 98 dreht sich um seine Längsachse, während er an der Öffnung des Bestrahlungskopfes hin und her geführt wird.

In Fig. 6 ist eine elektrische Schaltungsanordnung für eine Bestrahlungsanordnung wiedergegeben. Die

beiden Leitungen 60, 61 führen zu einer Wechselstromquelle von beispielsweise 440 Volt und 60 Hertz und sind über den Schalter 62 an einen regelbaren Hochspannungstransformator 63 und einen regelbaren Niederspännungstransformator 64 geführt, wobei diese Transformatoren einerseits die Hochspannung zwischen der aus dem Faden 25 und der Fokussierelektrode 28 bestehenden Elektrodenanordnung gegenüber der auf Erde gehaltenen Beschleunigungselektrode 14 liefern und andererseits eine niedrige Spannung für die aus Faden 25 und Zwischenelektrode 29 bestehende Elektrodenanordnung. Der Sekundärkreis des regelbaren Niederspannungstransformators 64 umfaßt die Primärwicklung eines sättigungsf ähigen, als Reaktanz wirkenden Transformators 66, der noch nachstehend erörtert wird und in Serie mit der Primärwicklung eines Niederspannungstransformators 67 hegt, welcher die geeignete Spannung und den Strom der aus dem Faden und der Fokussier-

ao elektrode bestehenden Elektrodenanordnung eines jeden Bestrahlungskopfes 12 liefert. Ein Voltmeter 68 ist an die Primärwicklung des Niedersparrnungstransfofmators 66 angekoppelt und mißt die Spannung der aus Faden und Folcussierelektrode bestehenden Elektrodenanordnung, so daß man darauf die. von dem Faden aufgenommene Leistung ersehen kann. Die aus Faden und Fokussierelektrode bestehenden Elektrodenanordnungen der beiden Bestrahlungsköpfe 12 sind parallel an die Sekundärwicklung des Niederspannungstransformators 67 angeschaltet. Parallel zu der aus Faden und Fokussierelektrode bestehenden Elektrodenanordnung ist ein Frequenzverdopplerkreis 69 geschaltet, dessen Ausgangsklemme in Serie mit der Primärwicklung eines Transformators 71 liegt, der der Zwischenelektrode 29 eine hohe Spannung zuführt. Eine Kapazität 72 liegt in Serie mit der Primärwicklung des Hochspannungstransformators 71, und ein veränderbarer Widerstand 73 ist parallel zur Primärwicklung des Transformators 71 geschaltet, so daß die Phase der der Zwischenelektrode 29 zugeführten Spannung in geeigneter Weise mit der Spannung synchronisiert werden kann, welche zwischen der aus dem Faden und der Fokussierelektrode bestehenden Elektrodenanordnung und dem Erdungspunkt erzeugt wird.

Der regelbare Transformator 63 ist an die Primärwicklung des Hochspannungstransformators 74 angeschaltet und liefert die Hochspannung für die aus Faden und Fokussierelektrode bestehende Elektrodenanordnung gegenüber dem Erdungspunkt. Die eine Klemme der Sekundärwicklung des Hochspannungstransformators 74 ist an die beiden aus den Fäden und den Fokussierelektroden bestehenden Elektrodenanordnungen angeschlossen, und die andere Seite der Sekundärwicklung ist über die Steuerungsmittel 75 mit dem Erdungspunkt verbunden. Die Steuerungsmittel 75 bestehen aus einer Parallelschaltung einer Zenerdiode 76, welche als Spannungsbegrenzer wirkt, und einer Kapazität 77, welche Ein- schwingvorgänge in der Leitung unterdrückt, einem Widerstand 78 und einem Meßinstrument 79 zum ^ Messen des mittleren Stromes des Kathodenstrahls, einem Überstromrelais 81, welches bei Auftreten zu hoher Spannung die Hochspannung abschaltet, und aus den festen bzw. einstellbaren Widerständen 82

• bzw. 83, die in Serie zueinander geschaltet sind und einen Stromkreis 84 zum Regeln des Fadenstromes bilden.

Der genannte Regelstromkreis ist an den Zusammenschlußpunkt der beiden Widerstände 82' und 83 angeschlossen und umfaßt eine verstärkende und die Polarität umkehrende Stufe 85, welche den mittleren Strom anzeigt, den die Bestrahlungsanordnung entnimmt und der über die Sekundärwicklung des als sättigungsfähige "Drossel wirkenden Transformators 66 nach' Erde abgeleitet wird. Der Strom, welcher durch den Stromkreis 84 zum Begrenzen des Fadenstromes fließt, ändert sich so, daß der Fadenstrom konstant gehalten wird, indem die Reaktanz des sättigungsfähigen Transformators 66 geändert wird.

Parallel mit den Primärwicklungen der Transformatoren 63 und 64 ist die Primärwicklung des Transformators 86 gekoppelt, welcher die geeignete Spannung und den Strom für das die Vakuumpumpe speisende Gerät 87 liefert, wobei Vakuumpumpen 24 den beiden Bestrahlungsköpfen 12 zugeordnet sind.

Ein Stromkreis zum Abschalten der Spannung, welche den streifenförmigen Kathodenstrahl liefert, ist zur Sicherung gegen Störungen vorgesehen, die in dem Betrieb der Bestrahlungsanordnung auftreten können. Eine Leitung 91 führt von der Sekundärwicklung des Transformators 86 zu dem Erdungspunkt und enthält in Reihe geschaltet mehrere Schalter; wenn einer oder mehrere dieser Schalter geöffnet werden, so öffnet ein Relais 88 einen Schalter 89, der die Leistungszufuhr zu den beiden Transformatoren 63 und 64 unterbricht, jedoch nicht die Leistungszufuhr zu dem Transformator 86. In der Leitung 91 sind die nachfolgenden den Stromkreis unterbrechenden Kontakte vorgesehen: der Kontakt 92, der auf einen zu hohen Kathodenstrom anspricht, und der Kontakt 93, der die Wasserkühlung überwacht, und der Kontakt 94, der auf Überhitzung anspricht, und der Türkontakt 95, welcher geöffnet wird, wenn von dem Personal eine Zutrittstür zu der Bestrahlungsanordnung geöffnet wird, und ein Kontakt 96, der auf einen Druckanstieg in den Bestrahlungsköpfen 12 anspricht und von dem Spannungen liefernden Gerät 87 betrieben wird, und ein Überstromschalterkontakt 81', der durch das eingangs erwähnte Überstromrelais 81 gesteuert wird.

In den F i g. 7 bis 9 sind die Spannungen für den Betrieb des streifenförmigen Kathodenstrahles erörtert. F i g. 7 zeigt auf der Ordinate die Elektronenenergie in keV während der positiven Halbwelle der pulsierenden zwischen Fadenu25 und Beschleunigungselektrode 14 herrschenden Spannung* die im vorliegenden Fall mit einem Maximalwert von 300 keV angenommen wird. Auf der Abszisse ist der Phasenwinkel der sinusförmigen Beschleunigungsspannung abgetragen. Die Kurve A zeigt die Energie der Elektronen, die auf das Fenster 21 während dieser Halbwelle auftreten. Die Kurve B zeigt die Energie der Elektronen, die während dieser ersten Halbwelle aus dem Fenster austreten, und die Kurve C zeigt die Elektronenenergie, die in dem Fenster während der Halbwelle verlorengeht. Es ist zu beachten, daß, bis die Elektronenenergie an dem Fenster einen "bestimmten mit D bezeichneten, etwa 100 keV betragenden Wert annimmt, sämtliche Elektronen durch das Fenster abgefangen werden und daß, wenn die Elektronenenergie am Fenster über den mit D bezeichneten Wert zunimmt, der Energieverlust im Fenster abnimmt und einen Minimalwert in dem mittleren Teil der Halbwelle armimmt. Es ist offen-

sichtlich, daß, wenn der Stromfluß in dem streifenförmigen Kathodenstrahl während des vollen Halbzyklus der pulsierenden Spannung fließt, der Wirkungsgrad bezogen auf den verwendeten Strahlstrom gering ist, weil verhältnismäßig viel Energie im Fenster verloren wird. Wenn jedoch ein Stromfluß nur über den vierten Teil der Periode in der Mitte derselben während des positiven Halbzyklus der Spannungswelle zugelassen wird, erzielt man einen höheren Wirkungsgrad.

In F i g. 8 ist die prozentuale Dosis (Ordinate) in Abhängigkeit von der Dicke (Abzisse) des bestrahlten Materials dargestellt, wobei die Kurve E die Dosis in Abhängigkeit der Materialdicke darstellt, wenn eine konstante Stromintensität während des gesamten Halbzyklus der Spannungswelle stattfindet; F zeigt eine Kurve der Dosis in Abhängigkeit der Materialstärke, wenn eine konstante Stromintensität von einer unter Temperatursättigung arbeitenden Glühkathode während einer Viertelperiode in der Mitte der ersten Halbperiode der Spannungswelle ausgenutzt wird, und die Kurve G zeigt die Abhängigkeit der Dosis von der Materialstärke, wenn der Strom von einem durch Raumladung begrenzten Glühfaden während einer Viertelperio.de in der Mitte der ersten Halbperiode der Spannungswelle ausgenutzt wird. Die Kurven E', F' und G sind Kurven, für die Bestrahlung des Materials an der entgegengesetzten Seite, und die Kurven E + E', F+ F' und C?+ G' sind Kurven für die Gesamtbestrahlung, wenn das Material von beiden Seiten bestrahlt wird. Es ist offensichtlich, daß die KurvenF und G besser sind als die Kurve E.
Bei der erörterten Bestrahlungsanordnung wird der Zwischenelektrode 29 durch den in F i g. 6 dargestellten Stromkreis eine Spannung, die der zweiten Harmonischen entspricht, zugeführt, so daß der streifenförmige Kathodenstrahl durch die Anordnung nur während einer Viertelperiode erzeugt wird, und die Phase der zweiten harmonischen Spannung der Zwischenelektrode wird so gewählt, daß die Viertelperiode, innerhalb welcher der Kathodenstrahl erzeugt wird, in der Mitte der positiven Halbwelle der Spannung liegt, welche zwischen Faden, Fokussierelektrode und Anode erzeugt wird. Dies ist in F i g. 9 veranschaulicht, in der M die pulsierende Spannung darstellt, welche zwischen dem Faden und der Fokussierelektrode einerseits und der Beschleunigungselek-

• trode andererseits Hegt; N ist die zweite Harmonische der Spannungswelle M und wird zwischen dem Faden und der Fokussierelektrode einerseits und der Zwischenelektrode andererseits zur Wirkung gebracht; O ist eine Rechteckstromkurve, welche ein mit Strombegrenzung arbeitender Glühfaden liefern würde, wenn die Zwischenelektrode mit ihrer steuernden Spannung nicht vorhanden wäre; P ist eine rechteckförmige Stromwelle, die von einer mit'Sättigungsstrom arbeitende Glühkathode geliefert würde, wenn die Spannung der Zwischenelektrode vorhanden ist; Q ist eine sinusförmige Stromkurve, welche den Stromfluß einer durch Raumladung begrenzten Kathode wiedergibt, der sich unter dem Einfluß der Spannung der Zwischenelektrode ergibt. Dadurch, daß der Zwischenelektrode die zweite harmonische .Spannungswelle zugeführt wird, ergibt sich ein höherer Wirkungsgrad der Bestrahlungsanordnung bei einer verhältnismäßig niedrigen Energie der Bestrahlung des Materials.

Claims

Unter typischen Betriebsbedingungen beträgt die Spannung, welche von dem Hochspannungstransformator 74 zwischen der aus dem Faden 25 und der Fokussierelektrode 28 bestehenden Elektrodenanordnung und der Beschleunigungselektrode 14 erzeugt Avird, ungefähr 300 keV, wobei die Spannung, die zwischen dem Faden und der Fokussierelektrode erzeugt wird, ungefähr 200 V beträgt und die Spannung zwischen dem Faden und der Zwischenelektrode ungefähr 6000 V beträgt, während der gesamte Emissionsstrom in jedem Bestrahlungskopf 10 MA beträgt. Die Gesamtleistung der beiden Bestrahlungsköpfe beträgt daher 20 MA · 250 keV = 5000 Watt. Ein streifenförmiger Elektronenstrahl dieser Spannungsverhältnisse kann einen Film bestrahlen, der eine Stärke von etwa 72 mg pro cm2 bei einer Geschwindigkeit von 1,5 m pro Sekunde hat oder Fäden oder Drähte von ungefähr 36 mg pro cm2 Stärke, die mit einer Längsgeschwindigkeit von 5 m pro Sekunde laufen. Um zu verhüten, daß sich Spannungsgradienten zwischen der Zwischenelektrode und der Anodenanordnung ungünstig auswirken, können zusätzliche schalenförmige Zwischenelektroden hintereinander angeordnet sein, deren Spannung nach außen schrittweise zunimmt, wodurch man einen langen streifenförmigen Strahl für die Zwecke der gleichmäßigen Bestrahlung dünner Materialien erhalten kann. Eine Anordnung der beschriebenen Art kann für die Zwecke der Erzielung von Polymerisationen, Polymerisationsverkettungen, Querverkettungen und Spaltungen dienen. Die Anordnung kann ferner benutzt werden, um in Zellulose-Acetat oder anderen polymeren Fasern die Verdrillung zu fixieren und eine Erhöhung der mechanischen Zugfestigkeit der Faser zu erzielen und den Schmelzpunkt einer Isolation eines Drahtes zu erhöhen; es können auch Halbleiter mit der Vorrichtung bestrahlt werden und Gitterstrukturen in Faserglas, bestehend aus Kunststoffen, bestrahlt werden, ebenso wie dünne Schichten verschiedener Materialien, wie Weizenmehl, Körner oder Farbe auf Metallflächen bestrahlt werden können. Es können auch Flüssigkeiten und Gase vor den Fenstern der Anordnung zwecks chemischer Behandlung vorbeigeführt werden. Statt daß der streifenförmige Kathodenstrahl durch ein durchlässiges Fenster geleitet wird, kann man ihn auch auf eine Röntgenstrahlantikathode oder eine ähnliche Anordnung zum Erzeugen von Röntgenstrahlen richten. Wenn es sich um die Erzeugung von Röntgenstrahlen handelt, kann das Fenster 21 aus einem Material bestehen, welches Röntgenstrahlen erzeugt, beispielsweise aus Tantal von 0,025 mm Stärke; es kann auch ein Teil des Rohres 14, welches in bezug auf die Längsachse des Glühfadens 25 drehbar ist, aus einem Material bestehen, welches Röntgenstrahlen erzeugt. Im letzteren Fall könnte ein Drehen des Rohres 14 in bezug auf den streifenförmigen Kathodenstrahl eine Umwandlung der Anordnung von einer elektronischen zu einer Röntgenanordnung bewirken. Statt daß die Bestrahlungsanordnung mit einem intermittierenden Strahl betrieben wird, kann die Zwischenelektrode auch entfallen und die Anordnung so betrieben werden, daß ein kontinuierlicher einen Gleichstrom bildender streifenförmiger Strahl erzeugt wird. Es ist ferner darauf zu verweisen, daß eine Mehrzahl Emissionsvorrichtungen in einem käfigmäßigen Zusammenbau verwendet werden kann und daß mehrere verschiedene Bestrahlungskammern gemäß F i g. 1 in Anwendung kommen können; es können auch in einer Kammer mehrere Bestrahlungsvorrichtungen vorgesehen sein. Auf diese Weise läßt sich die pro Zeiteinheit zugeführte Dosis verringern. Patentansprüche:

1. Anordnung zum Erzeugen eines aus hochbeschleunigten geladenen Partikeln bestehenden Strahlenbündels zwecks Bestrahlung einer Substanz, bei der eine langgestreckte, die Partikeln aussendende Emissionsvorrichtung und eine Fokussierelektrodenanordnung mit einer Zwischenelektrode sowie eine Beschleunigungselektrode vorgesehen sind, welche sich über die gesamte Länge der Emissionsvorrichtung erstrecken und die emittierten Partikeln zu einem Strahlenbündel von streifenförmigem Querschnitt fokussieren, und bei der die Beschleunigungselektrode und die Zwischenelektrode mit sinusförmig pulsierender periodisch unterbrochener Hochspannung betrieben werden, dadurch gekennzeichnet, daß die der Zwischenelektrode (29) zugeführte pulsierende Spannung so gewählt ist, daß die Zwischenelektrode (29) nur während des mittleren, etwa eine Viertelperiode umfassenden Teiles der beschleunigenden Halbwelle der zwischen der Emissionsvorrichtung (25) und der Beschleunigungselektrode (14) zur Wirkung gebrachten Spannung eine beschleunigende Spannung in bezug auf die Emissionsvorrichtung führt.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zu bestrahlende Substanz (11) vor dem Strahlenbündel streifenförmigen Querschnittes in einer Richtung bewegt wird, die einen geringen Winkel zu einer geraden Linie bildet, die senkrecht zu der Längsachse des Bündelquerschnittes verläuft.

3. Anordnung nach Anspruchl oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in der durch ein für die Partikeln durchlässiges Fenster (21) bedeckten Öffnung der Beschleunigungselektrode (14) Tragstützen (18) angeordnet sind und die Tragstützen (18) einen geringen Winkel mit einer geraden Linie bilden, die parallel zur Bewegungsrichtung der Substanz (11) verläuft.

4. Anordnung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Fokussierelektrodenanordnung (28,29) aus einer rinnenförmigen Elektrode (28) von im wesentlichen M-förmigem Querschnitt mit nach außen umgerollten Kanten und einer geschlitzten zylindrischen Zwischenelektrode (29) besteht, deren den Schlitz bildende Kanten nach innen eingerollt sind.

5. Anordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4 unter Anwendung eines in einem Ölbad vorgesehenen Hochspannungstransformators, dadurch gekennzeichnet, daß eine Bestrahlungsanordnung (12) aus einem hohlen Zylinder (14) besteht und der hohle Zylinder (14) einen Wandteil (38) aus Isoliermaterial aufweist und dieser Wandteil in das Ölbad (13) des Transformators sich hinein erstreckt, wobei die Betriebsspannung durch das Ende (37) des in das Ölbad tauchenden isolierten Hohlzylinders (38) zugeführt wird.

• - · . 709 637/527