DE2040158B2 - Verfahren und seine Anwendung zur Erzielung eines geringen Intensitätsverlusts beim Austritt aus einem Elektronenbeschleuniger - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren, bei welchem ein Elektronenstrahl mit geringem Intensitätsverlusl durch ein Paar länglicher, mit Zwischenabstand nebeneinander in der Kammerwand angeordneter Fenster aus der evakuierten Kammer eines Elektronenbeschleunigers austreten kann sowie eine Anwendung dieses Verfahrens bei einem Elektronenbeschleuniger, welcher von vier gegeneinander um 90° versetzt angeordneten Ablenkspulen umgeben ist, durch die der Strahl entweder in Richtung einer ersten Achse oder in Richtung einer zweiten, senkrecht auf dieser stehenden Achse lenkbar ist.

Elektronenstrahlerzeuger oder Elektronenbeschleuniger mit Beschleunigerspannung von mehreren Millionen Volt besitzen im allgemeinen einen sehr laneen Isolierbehälter. Dieser Behälter umschließt eine evakuierte Kammer, in welcher die Elektronen beschleunigt und zu einem Strahl gebündelt werden, wobei eine außerordentlich hohe Potentialdifferenz zwischen der Kathode am einen Kammerende und der Anode am anderen Kammerende besteht. Die Anode enthält ein elektronendurchlässiges Fenster, durch welches der Strahl aus der Kammer heraustritt und auf die entsprechende Substanz auftrifft.

Herkömmliche Materialien für ein elektronendurchlässiges Fenster sind dünne Metallfolien, die den Elektronenstrahl durchlassen und ein einer öffnung in der Behälterwand abdichtend angeordnet sind, so daß das Vakuum innerhalb der Kammer erhalten bleibt. Wenn der Elektronenstrahl das Metallfenster passiert, werden Elektronen gestreut mit der Folge einer Erhitzung des Fensters. Falls ein Teil des Metallfensters über einen zu tolerierenden Wert hinaus erwärmt wird, erfolgen eine Oxydation sowie ein Verdampfen des Metalls, was zu einem Durchlöchern der Metallfolie führt. Auf diese Weise wird das in der Kammer notwendige Vakuum zerstört. Um eine derartige Überhitzung des Fensters zu verhindern, muß die Intensität des Elektronenstrahls genau gesteuert werden, was einen Betrieb des Elektronenbeschleunigers unterhalb seiner möglichen Leistung mit sich bringt.

Es wurden bereits verschiedene Möglichkeiten zum Verhindern der oben beschriebenen Überhitzung vorgeschlagen. So werden beispielsweise Kühlvorrichtungen benutzt, bei denen ein Luftstrom das Fenster umstreicht; die Kühlwirkung dieses Luftstroms reicht jedoch nicht aus, um eine Überhitzung sicher zu verhindern. Zur Vermeidung einer übermäßigen lokalen Erwärmung wurde auch bereits eine Vergrößerung der Fensterfläche vorgeschlagen, so daß der Strahl über eine größere Fläche abgelenkt werden kann.

Obwohl ein größeres Fenster eine größere Strahlungsintensität zuläßt, haben die in früheren Anordnungen verwendeten vergrößerten Fenster eine ganze Anzahl schwerwiegender Nachteile und Begrenzungsfaktoren. Einmal erfordert das dünne Fenstermaterial mechanische Abstützungen und Halterungen von außerordentlich komplexer Natur, sobald die Fenster eine bestimmte Größe übersteigen. Der Elektronenstrahl kann dabei nur zwischen diesen Abstützungen durch das Fenster austreten. Es entstehen aber Strahlungsverluste, sobald der Strahl auf die undurchlässigen Stützträger auftrifft. Dies rührt daher, daß die konventionellen Fenster eine relativ große Länge gegenüber ihrer Breite aufweisen. Die Länge der Fenster ist aber durch die Erfordernisse der Abstützung begrenzt, was durch die Tatsache belegt wird, daß Fensterlängen von mehr als 180 cm unbekannt sind und Einrichtungen mit Fenstern von mehr als 120 cm Länge unhandlich werden.

Die notwendigerweise schmale Ausbildung der Fenster begrenzt weiterhin die Wirksamkeit von verschiedenen mehr-dimensionalen Strahlablenkungsverfahren zum Verhindern einer Überhitzung. Bei derartigen Verfahren erfolgt die Strahlablenkung nicht in einer einzigen Dimension, beispielsweise in Fensterlängsrichtung, sondern der Strahl wird auch senkrecht zur Längsausdehnung des Fensters abgelenkt. Die schmale Fenstergestalt erschwert erheblich die Strahlablenkung in Fensterlängsrichtung ohne Rücksicht auf die Querverschiebungen des Strahls und zieht eine Erwärmung der bereits erwärmten Fenster-

bereiche sowie eine daraus folgende Überhitzungsgefahr nach sich.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, durch welche bei Austritt eines Elektronenstrahls hoher intensität der Intensitätsverlust beim Durchtritt iiurch das Fenster minimal gehalten und damit das Risiko einer Fensterüberhitzung verringert wird.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch die aufeinanderfolgenden Schritte eines Verfahrenszyklus

a) Ablenken des Elektronenstrahls über eine vorher bestimmte Zeitdauer in Längsrichtung eines der Fenster (24 oder 26),

b) schnelles Überführen des Elektronenstrahls von diesem ersten Fenster (24 oder 26) zu dem zweiten Fenster (26 bzw. 24),

c) Ablenken des Elektronenstrahls über eine vorher bestimmte Zeitdauer in Längsrichtung des zweiten Fensters (26 bzw. 24), und

d) schnelles Überführen des Elektronenstrahls vom zweiten Fenster (26 bzw. 24) zurück zum ersten Fenster.

Dieses Verfahren hat den Vorteil der Benutzbarkeit einer relativ großen Fensterfläche, da sich diese aus zwei Einzelfenstern zusammensetzt. Der Strahl kann über die gesamte zusammengesetzte Fläche ohne nennenswerte Verluste an Intensität und dam;t Strahlungsenergie an undurchlässigen Zonen abgelenkt werden.

Zweckmäßig ist die Richtung der Strahlablenkung im ersten Fenster der der Ablenkung im zweiten Fenster entgegengesetzt, so daß mit einer in sich geschlossenen Bahn, auf der sich der Strahl über die Gesamtfläche des Fensters bewegt, die Länge der Fenster voll ausgenutzt werden kann.

Die eingangs erwähnte Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens zeichnet sich vorzugsweise dadurch aus, daß bei den Verfahrensschritten a) und c) der Stromfluß in einem ersten, aus zwei gegenüberliegenden Spulen bestehenden Spulenpaar verändert wird und im zweiten Spulenpaar ein konstanter Strom aufrechterhalten wird, so daß der Elektronenstrahl parallel zur ersten Achse in Längsrichtung der Fenster abgelenkt wird, und daß bei den Verfahrensschritten b) und d) der Stromfluß im zweiten Spulenpaar auf einen anderen konstanten Wert schnell verändert wird, so daß der Strahl in Richtung der zweiten Achse abgelenkt wird.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 die perspektivische Darstellung eines Elektronenbeschleunigers zur Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens,

Fig. 2 eine Ansicht des Elektronenbeschleunigers in Richtung des Pfeils 2 in Fig. 1.

In Fig. 1 ist mit 10 ein für das erfindungsgemäße Verfahren verwendeter Elektronenbeschleuniger in seiner Gesamtheit bezeichnet. Dieser besteht aus einem länglichen Behälter 12, der eine evakuierte Kammer 14 umschließt. Unmittelbar an einer Endwand 16 des Behälters 12 befindet sich ein Heißkathoden-Emitter 18. In einiger Entfernung von der Endwand 16 vergrößert sich der Querschnitt des Behälters 12 zu einem Teil 20, welcher von einer Endwand 22 begrenzt wird. In der Endwand 22 befindet sich ein Paar Längsöffnungen, in welche zwei elektronendurchlässige Fenster 24 und 26 nebeinander eingesetzt sind.

Die Fenster 24 und 26 können in herkömmlicher Weise aus einem elektronenstrahlduirchlässigen Material, z. B. einer dünnen Metallfolie, bestehen. Die. Fenster 24, 26 sind im wesentlichen rechteckig und nebeneinander angeordnet, wobei ihre Längsachsen im wesentlichen parallel zueinander verlaufen. Die Fenster 24,26 sind in die Behälterendwand 22 derart eingebaut, daß sie die Kammer 14 luftdicht abschließen und ein darin vorhandenes Vakuum aufrechterhalten. Die Fenster 24, 26 gehören zur Anode des Beschleunigers. Zwischen dieser Anode und der Kathode 18 besteht ein großer Potentialunterschied, so daß die von der Kathode angegebenen Elektronen einen auf die Fenster 24 und 26 gerichteten Elektronenstrahl bilden. Die Steuerung der Richtung dieses Elektronenstrahls erfolgt durch die vier elektronischen Ablenkspulen 28,30, 32 und 34, die paarweise um 90° gegeneinander versetzt außerhalb des Behälters 12 angeordnet sind. Die Spulen 28,30 sind derart angeordnet, daß sie einen von der Kathode 18 ausgesandten Kathodenstrahl in Richtung der in Fig. 2 parallel zu den Längsachsen der Fenster 24, 26 eingezeichneten Y-Achse ablenken. Die Spulen 32, 34 dagegen lenken den Elektronenstrahl in einer senkrecht zu den Längsachsen der Fenster 24, 26 verlaufenden .Y-Achse ab.

Bei der Durchführung des Verfahrens sind die Spulen 28,30,32,34 stromdurchflossen, und das dadurch erzeugte magnetische Feld kann derart verändert werden, daß sich die Richtung des Elektronenstrahls in der Kammer 14 ändert. Das dadurch erzielbare Ablenkungsschema führt dazu, daß die Intensität des Elektronenstrahls maximiert werden kann, ohne das die Gefahr von Überhitzungen der Fenster 24 und 26 besteht.

Die Art und Weise, in welcher der Elektronenstrahl gesteuert wird, kann der Fig. 2 entnommen werden. Es sei vorausgesetzt, daß der Elektronenstrahl zu Beginn derart von den Spulen abelenkt ist, daß er beispielsweise im Punkt 36 auf das Fenster 26 trifft. Dieser Punkt 36 ist willkürlich gewählt, da die Ablenkung des Elektronenstrahls, wie unten näher ausgeführt wird, kontinuierlich in einer geschlossenen Bahn erfolgt, so daß jeder Punkt dieser geschlossenen Bahn als Start- oder Endpunkt angesehen werden kann.

Der Stromfluß durch die Spulen 32, 34 wird zunächst auf einem konstanten Wert gehalten, so daß keine Querbewegung des Strahls parallel zur A"-Achse auftritt. Gleichzeitig wird der Strom in den Spulen 28 und 30 verändert, so daß der Strahl über eine vorbestimmte Zeitdauer längs der strichpunktierten Linie in Richtung der eingezeichneten Pfeile abgelenkt wird. Sobald der Strahl das Ende des Fensters 26 erreicht hat, wird der Stromfluß in den Spulen 32 und 34 augenblicklich um einen konstanten Wert verändert. Diese augenblickliche Änderung führt zu einer schnellen Bewegung des Strahls längs der geraden Linie 40 parallel zur A'-Achse. Diese schnelle Bewegung des Strahls vom Fenster 26 zum Fenster 24 verhindert größere Verluste an Strahlungsenergie welche beim Auftreffen des Strahls auf den zwischen den Fenstern 24 und 26 liegenden Teil der Hndwand 22 auftreten.

Unter Aufrachterhaltung dieses geänderten konstanten Stromflusses in den Spulen 32 und 34 durch welchen der Elektronenstrahl derart abgelenkt wird, daß er auf das Fenster 24 auftrifft, wird der Strom

in den Spulen 28, 30 wiederum verändert, so daß der Strahl in einer vorbestimmten Zeitdauer über die Länge des Fensters 24 entlang der strichpunktierten Linie 42 und in Richtung der dort eingezeichneten Teile abgelenkt wird. Dabei ist die Richtung, in welcher der Strahl auf dem Fenster 24 entlangwandert, um 180° gegenüber der Richtung der Ablenkung auf dem Fenster 26 gedreht. Sobald der Elektronenstrahl das Ende des Fensters 24 erreicht hat, erfolgt augenblicklich eine Stromänderung in den Spulen 32 und 34 auf den ursprünglichen Wert, wodurch eine schnelle Querbewegung des Strahls entlang der Linie 44 erfolgt, so daß der Strahl vom Fenster 24 zum Fenster 26 überspringt und der Ausgangspunkt 36 des Ablenkzyklus wieder erreicht wird. Ebenso wie bei der oberen Querbewegung parallel zur A"-Achse erfolgt auch diese Bewegung vom Fenster 24 zum Fenster 26 so schnell, daß größere Verluste an Strahlungsenergie an dem zwischen dem Fenster 24 und 2i liegenden Teil der Endwand 22 nicht auftreten.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird ir ' vorteilhafter Weise die Vergrößerung der Leistung eines Elektronenbeschleunigers erreicht und die Möglichkeit geschaffen, einen hoch intensiven Elektronenstrahl zu erzeugen, ohne daß die Gefahr einei lokalen Überhitzung der durchlässigen Fenster bein steht, durch welche der Strahl aus dem Beschleunige! austritt. Dieses Verfahren ist besonders für die Ablenkung eines Elektronenstrahls in einem Beschleunigei geeignet, dessen Endwand aus mehreren elektronendurchlässigen Fenstern besteht, da keine durch da« i") Auftreten des Elektronenstrahls auf den undurchlässigen Wandzwischenteil bedingte Energieverlust« auftreten.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Verfahren, bei welchem ein Elektronenstrahl mit geringem Intensitätsverlust durch ein Paar länglicher, mit Zwischenabstand nebeneinander in der Kammerendwand angeordneter Fenster aus einer evakuierten Kammer eines Elektronenbeschleunigers austreten kann, gekennzeichnet durch die aufeinanderfolgenden Schritte eines Verfahrenszyklus

a) Ablenken des Elektronenstrahls über eine vorher bestimmte Zeitdauer in Längsrichtung eines der Fenster (24 oder 26),

b) schnelles Überführen des Elektronenstrahls von diesem ersten Fenster (24 oder 26) zu dem zweiten Fenster (2ύ bzw. 24),

c) Ablenken des Elektronenstrahls über eine vorher bestimmte Zeitdauer in Längsrichtung des zweiten Fensters (26 bzw. 24) und

d) schnelles Überführen des Elektronenstrahls vom zweiten Fenster (26 bzw. 24) zurück zum ersten Fenster.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Richtung der Strahlablenkung im zweiten Fenster der der Ablenkung im ersten Fenster entgegengesetzt ist.

3. Anwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 oder 2 bei einem Elektronenbeschleuniger, welcher von vier gegeneinander um 90° versetzt angeordneten Ablenkspulen umgeben ist, durch die der Strahl entweder in Richtung einer ersten Achse oder in Richtung einer zweiten, senkrecht auf dieser stehenden Achse ablenkbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß bei den Verfahrensschritten a) und c) der Stromfluß in einem ersten, aus zwei gegenüberliegenden Spulen bestehenden Spulenpaar (28, 30) verändert wird und im zweiten Spulenpaar (32, 34) ein konstanter Strom aufrechterhalten wird, so daß der Elektronenstrahl parallel zur ersten Achse (Y) in Längsrichtung der Fenster (24, 26) abgelenkt wird, und daß bei den Verfahrensschritten b) und d) der Stromfluß im zweiten Spulenpaar (32, 34) auf einen anderen konstanten Wert schnell verändert wird, so daß der Strahl in Richtung der zweiten Achse (A') abgelenkt wird.