DE2302938A1

DE2302938A1 - Mehrstufiger beschleuniger fuer geladene teilchen mit hochvakuumisolation

Info

Publication number: DE2302938A1
Application number: DE19732302938
Authority: DE
Inventors: Peter Dr Holl
Original assignee: Polymer Physik GmbH and Co KG
Current assignee: Polymer Physik GmbH and Co KG
Priority date: 1973-01-22
Filing date: 1973-01-22
Publication date: 1974-07-25
Also published as: US3949265A; DE2302938C3; JPS5739040B2; GB1454112A; JPS49103098A; DE2302938B2

Description

Patentanwalt

Dr. J. Steffens ~~_Λ~_Λ~_Λ

8032 Lochham/Slebn., Mozartstt. H 2302938

Tel. (0811) 872551

22. Januar 1973 Physik-6

Polymer-Physik GmbH & Co. KG, 2844 Lemförde

Mehrstufiger Beschleuniger für geladene Teilchen mit

Hochvakuumi s olati on

Es ist bekannt, daß zur Isolation von Elektronenbeschleunigern bis zu einer Beschleunigungsspannung von 150 kV Hochvakuum verwendet wird. Solche Geräte werden seit vielen Jahren mit Erfolg in der Industrie eingesetzt.

Bei den Elektronenbeschleunigern, die eine Beschleunigungsspannung über 150 kV aufweisen sollen, befindet sich jedoch nach wie vor die Quelle der geladenen Teilchen (Elektronen- oder Ionenquelle), sowie die einzelnen Stufen zur Nachbeschleunigung dieser Teilchen, in einem mit Isoliergas gefüllten Behälter. Die Gasfüllung wird zur Isolation der unter Hochspannung stehenden Teile des Beschleunigers unter Überdruck eingefüllt.

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Solche Elektronenbeschleuniger weisen insbesondere die folgenden Nachteile auf:

a) Bei Arbeiten an der Quelle für die geladenen Teilchen (Kathodenwechsel bei Elektronenquellen, Gasersatz oder Materialersatz bei Ionenquellen) muß das Isoliergas aus dem Tank herausgenommen werden. Die Aufbewahrung, Reinigung und das Wiedereinfüllen des Gases ist zeitraubend und kostspielig. Dies gilt besonders für das teure SFg; es ist ein gutes elektronegatives Gas aber sehr empfindlich gegenüber Feuchtigkeit.

b) Die Anlage muß wegen des Drucktanks laufend von einer amtlichen Prüfungsstelle abgenommen werden.

c) Der Tank ist sehr aufwendig konstruiert.

d) Im Nachbeschleunigungsrohr befindet sich Hochvakuum. Zu seiner Aufrechterhaltung muß es gegen den Über-. druck, welcher im Drucktank herrscht, abgedichtet werden. Gleichzeitig müssen diese Dichtelemente man verwendet hierzu vorwiegend Glas oder Keramik mit Gummiringen als Dichtung, oder verklebte Einheiten - zur Isolation der einzelnen Sektionen untereinander verwendet werden. Hier haben die Bauelemente des Nachbeschleunigungsrohres zwei Funktionen, einmal Spannungsisolation, zum anderen Abdichtung gegen den äußeren Überdruck.

e) Teurer, aufwendiger Aufbau, welcher nicht für einen großtechnischen Einsatz in der Industrie, wo es auf Robustheit und einfachen Service ankommt, ausgelegt ist.

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Die Aufgabe der Erfindung besteht daher darin, mehrstufige Beschleuniger für geladene Teilchen mit Beschleunigungsspannungen über 150 kV zu schaffen, die die vorstehend aufgezeigten Nachteile nicht mehr aufweisen. Insbesondere sollen sie so konstruiert sein, daß ein einfacher und schneller Kathodenwechsel bzw. Wechsel der Ionenquelle möglich ist.

Gelöst wird diese Aufgabe dadurch, daß man nicht nur zur Isolation innerhalb des Beschleunigungsrohres, d.h. im Gebiet um die Elektroden 15 und 15a, Hochvakuum verwendet - dieses Hochvakuum muß vor allem auch zur Aufrechterhaltung der mittleren freien Weglänge der zu beschleunigenden Teilchen vorhanden sein - sondern auch alle anderen hochspannungsführenden Teile gegen Erde durch Hochvakuum isoliert und zur besseren Beherrschung der hohen Spannungen mindestens einen Abschirmzylinder (Abschirmelektrode ) zwischen hochspannungsführenden Teilen und Erde des Beschleunigers anbringt. Bei den zum Stande der Technik gehörenden Beschleunigern war eine Unterteilung des Nachbeschleunigungsrohres in Stufen zwischen hochspannungsführenden Teilen und dem Drucktank, wie dies durch die erfindungsgemäßen Abschirmzylinder erreicht wird ,ebenfalls nicht vorhanden.

Das Nachbeschleunigungsrohr, d.h. die Umgebung der zu beschleunigenden Teilchen, wird in an sich bekannter Weise zur Nachbeschleunigung der Teilchen mit Elektroden unterteilt, um in diesem Gebiet hoher Ionendichte Überschläge zu vermeiden und um gleichzeitig durch die Linsenwirkung der Elektroden des Nachbeschleunigungsrohres den Teilchenstrahl besser fokussieren zu können.

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Gegenstand der Erfindung sind somit mehrstufige Beschleuniger für geladene Teilchen mit Beschleunigungsspannungen über 150 kV, bestehend im wesentlichen aus einem Hochspannungsisolator, einer Quelle zur Erzeugung der geladenen Teilchen, einem Wehneltzylinder, einer Anode und einem Nachbeschleunigungsrohr, das in stufenförmiger Anordnung die Nachbeschleunigungselektroden enthält, die dadurch gekennzeichnet sind, daß zur Isolation der die Hochspannung führenden Teile ein Hochvakuum dient und zwischen dem Vakuumkessel, der gegebenenfalls auch gleichzeitig als Abschirmzylinder fungieren kann, und den die Hochspannung führenden Teilen mindestens ein Abschirmzylinder so angeordnet ist, daß er die die Hochspannung führenden Teile umgibt. Insbesondere betrifft die Erfindung solche Beschleuniger mit Beschleunigungsspannungen zwischen 300 und 450 kV. Die obere Grenze der Beschleunigungsspannung der erfindungsgemäßen Beschleuniger liegt zur Zeit bei 600 kV, bedingt durch die Isolationsfestigkeit der sich auf dem Markt befindlichen Hochspannungszuführungskabeln. In der Praxis hat es sich gezeigt, daß man bereits mit einem Vakuum von 1 . 10 Torr, 150 kV Potentialunterschied von Abschirmzylinder zu Abschirmzylinder außerhalb des Beschleunigungsbereiches und 50 kV Potentialunterschied zwischen den im Nachbeschleunigungsrohr befindlichen Elektroden überraschend gute Ergebnisse erzielt. Vorzugsweise arbeitet der erfindungsgemäße Beschleuniger jedoch bei einem Vakuum zwischen 1 · 10" und 1 . 10"' Torr. Selbstverständlich kann für besondere Anwendungen auch Ultrahochvakuum verwendet werden.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Fig. 1, die einen Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen Beschleuniger zeigt,

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näher erläutert.

In einem ersten Abschirmzylinder 11 befindet sich der von Erdpotential bis zu 450 kV durchgehende Hochspan-¹ nungsisolator 1. An ihm liegen innerhalb des Abschirmzylinders 11 150 kV Spannung. Innerhalb dieses Hochspannungsisolators 1 sind die Potentialteilerwiderstände 5 zur Linearisierung des Potentials, die Hochspannungszuführung 2, die Zuführung der Kathodenheizung 3, die Zuführung für die Wehneltspannung 4 angebracht. Der Potentialteilerstrom kann an einem Meßgerät 6 ausserhalb des Hochspannungsisolators gemessen werden. Ausserdem befindet sich an dem Hochspannungsisolator 1 eine Vorrichtung 21, um den Hochspannungsisolator 1 nach dem Belüften des Vakuumkessels 18 zum Kathodenwechsel herausnehmen zu können. Am unteren Ende des Hochspannungsisolators 1 befindet sich das Strahlerzeugungssystem, bestehend aus Kathode 7 und Wehneltzylinder 8. Die aus einem Wolframdraht gebogene Haarnadel-Kathode 7 kann zusammen mit dem Wehneltzylinder 8 durch Bajonettverschluß leicht ausgewechselt werden, ohne die Justierung des Systems zu verändern. Ausserdem befindet sich am unteren * Ende des Hochspannungsisolators 1 ein Korona-Ring 9 zur Stabilisierung der Spannung. Gegenüber des Wehneltzylinders 8 befindet sich am Boden des ersten Abschirmzylinders 11 die Anode 10. Für das Auspumpen des ersten Abschirmzylinders 11 auf Hochvakuum werden an seinem oberen Teil Öffnungen 13 angebracht. Diese Öffnungen 13 befinden sich an Stellen, die für Hochspannungsüberschläge unkritisch sind.

Der erste Abschirmzylinder 11 wird von einem zweiten Abschirmzylinder 14 umgeben, welcher zum ersten Abschirm-

zylinder 11 eine Spannungsdifferenz von weiteren 150 kV aufweist. Auch er wird von oben her, wie der erste Abschirmzylinder 11, von dem Hochspannungsisolator 1 durchbrochen. An seinem unteren Teil befinden sich zwischen dem Boden des ersten Abschirmzylinders 1T und dem Boden des zweiten Abschirmzylinders 14 die Elektroden 15 des Nachbeschleunigungsrohres. Man verwendet hier drei Elektroden 15, um einen Spannungsgradienten von max. 50 kV von Elektrode zu Elektrode zu erzeugen. Die einzelnen Elektroden stehen auf Isolierstützen 16, welsche die mechanische Verbindung zum ersten Abschirmzylinder 11 herstellen. Gleichzeitig befinden sich zwischen den Elektroden 15 des Nachbeschleunigungsrohres Potentialteilerwiderstände 17 zur Fixierung des Potentials. Die Potentialteilerwiderstände 17 stellen einen Parallel-Widerstand zu dem Potentialteilerwiderstand 5 im Hochspannungsisolator 1 dar. Auch im zweiten Abschirmzylinder 14 befinden sich die Öffnungen 13a zu seiner Evakuierung.

Der zweite Abschirmzylinder 14 wird von dem Vakuumkessel 18 umgeben, welcher zu dem zweiten Abschirmzylinder 14 eine weitere Spannungsdifferenz von 150 kV aufweist. Am Deckel des Vakuumkessels 18 ist die Aufnahme für den Hochspannungsisolator 1 angebracht. Zwischen dem Boden des Vakuumkessels 18 und des zweiten Abschirmzylinders 14 befinden sich wieder drei Elektroden 15a des Nachbeschleunigungsrohres, gehalten von den Isolierstützen 16a, und die Potentialteilerwiderstände 17a.

Die Hochvakuumpumpe (in der Fig. 1 nicht dargestellt) kann aft jeder für die Hochspannung günstigen Stelle an den Vakuumkessel 18 angeflanscht werden, z.B. an der mit 19 bezeichneten Stelle.

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Am Boden des Vakuumkessels 18 kann an der Stelle 20 die Ablenkeinheit (Scanner) oder ein Target für die geladenen Teilchen angebracht werden.

Die Wärmeableitung der Kathodenheizung 3 sowie der Potentialteilerwiderstände 5 im Hochspannungsisolator 1 erfolgt durch das im Hochspannungsisolator 1 zirkulierende Isolieröl.

Der erfindungsgemäße Beschleuniger wird vorzugsweise als Zylinderkondensator konstruiert, obwohl auch andere Formen möglich sind. Sie sind beispielsweise für folgende Anwendungszwecke geeignet:

a) Als industrieller Elektronenbeschleuniger (400 kV, 75 mA) zur Hygienisierung von 10 m Klärschlamm/Std.

Zu Beginn jeder Schicht kann die Kathode 7 durch einfaches Anheben des Hochspannungsisolators 1 ausgewechselt werden. Nach Anpumpen des Vakuumkessels 18 mit der Vorpumpe schaltet der automatische Pumpstand nach 30 Sekunden auf Hochvakuum um. Nach weiteren 180 Sekunden kann die Hochspannung eingeschaltet und mit Bestrahlen begonnen werden. Während der Bestrahlung des Klärschlamms wird durch Beschüß mit Restgasionen die Kathode 7 innerhalb von 10 Stunden so weit abgebaut, daß sie vor Beginn der nächsten Schicht wieder ausgewechselt werden muß.

b) Als industrielle Erlektronenstrahlquelle zum Härten von Lacken in der Holzindustrie (Beschleunigungsspannung 300 kV, max. Elektronenstrom 50 mA, Ablenkbreite des Scanners 2,40 m).

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Bei einer Beschleunigungsspannung von 300 kV genügen zur Isolation der Hochspannung zwei ineinander geschachtelte Abschirmzylinder, wobei der zweite Abschirmzylinder 14 direkt als Vakuumkessel 18 ausgebildet ist. Die Nachbeschleunigung der Elektronen zwischen erstem Abschirmzylinder 11 und Vakuumkessel 18 geschieht in drei Stufen mit Hilfe der Elektroden 15. Auch hier kann der Kathodenwechsel in kürzester Zeit vorgenommen werden. Mit dieser Anlage können bei 50 %iger Energieumsetzung pro Stunde 450 kg Lack ausgehärtet werden.

c) Als industrielle Ionenquelle wird die Elektronenquelle durch eine Ionenquelle ersetzt, so eignet sich das Gerät zur Beschleunigung von Ionen bis zu einer Energie von 400 kV. Die Ionen treten durch einen Diffusionsspalt nach Verlassen der Beschleunigungsstrecke an Luft aus und wirken z.B. auf chemische Substanzen zur Anregung von Reaktionen ein.

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Claims

Patentansprüche

( 1.) Mehrstufige Beschleuniger für geladene Teilchen mit Beschleunigungsspannungen über 150 kV, bestehend im wesentlichen aus einem Hochspannungsisolator, einer Quelle zur Erzeugung der geladenen Teilchen, einem Wehneltzylinder, einer Anode und einem Nachbeschleunigungsrohr, das in stufenförmiger Anordnung die Nachbeschleunigungselektroden enthält, dadurch gekennzeichnet, daß zur Isolation der die Hochspannung führenden Teile ein Hochvakuum dient und zwischen Vakuumkessel, der gegebenenfalls auch gleichzeitig als Abschirmzylinder fungieren kann, und den die Hochspannung führenden Teilen mindestens ein Abschirmzylinder so angeordnet ist, daß er die die Hochspannung führenden Teile umgibt.
2. Beschleuniger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwei oder mehrere Abschirmzylinder ineinandergeschachtelt die hochspannungsführenden Teile so umgeben, daß an Stellen, wo keine geladenen Teilchen beschleunigt werden, von Abschirmzylinder zu Abschirmzylinder max. 150 kV liegen und an Stellen, wo geladene Teilchen beschleunigt werden, d.h. zwischen den Nachbeschleunigungselektroden, max. 50 kV liegen.
3. Beschleuniger nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Isolation der die Hochspannung führenden Teile ein Hochvakuum von mind. 1 . 10 Torr dient.

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4. Beschleuniger nach Anspruch 1 bis 3> dadurch gekennzeichnet, daß sie für Beschleunigungsspannung zwischen 300 und 450 kV ausgelegt sind.
5. Beschleuniger nach Anspruch 1 "bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß sie als Quelle für die geladenen Teilchen eine Elektronenquelle aufweisen.
6. Beschleuniger nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß sie als Quelle für die geladenen Teilchen eine Ionenquelle aufweisen.
7. Verwendung von Elektronenbeschleunigern gemäß Anspruch 1 bis 6 zur Hygenisierung von Klärschlamm.

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