DE2706629C3

DE2706629C3 - Einrichtung zur Überwachung der Position und der räumlichen Verteilung eines Elektronenstrahlbündels hoher Energie

Info

Publication number: DE2706629C3
Application number: DE2706629A
Authority: DE
Inventors: Edward A. Heighway; Kenneth J. Hohban; Stanley O. Schriber
Original assignee: Atomic Energy of Canada Ltd AECL
Current assignee: Atomic Energy of Canada Ltd AECL
Priority date: 1976-03-02
Filing date: 1977-02-16
Publication date: 1980-07-31
Also published as: US4059763A; DE2706629A1; DE2706629B2; FR2343260A1; AU2251277A; CA1032665A; JPS52115498A; GB1538732A

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Überwachung der Position und der räumlichen Verteilung eines Elektronenstrahlbündels hoher Energie der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Gattung,

Es ist eine Strahlungsdetektor-Anordnung für eine Sekundärstrahlung bekannt, mit der die Position und das Profil eines Elektronenstrahls hoher Intensität und ϊ Energie festgestellt werden kann (Nuclear Instruments and Methods, Band 55, 1967, Nr. 2, Seiten 339-343). Dabei sind zwei im rechten Winkel zueinander angeordnete, als Emitterkörper dienende Drihte vorgesehen, die sich gleichzeitig durch das Elektronenstrahlbündel bewegen; die Stromdichte der emittierten Sekundärelektroden ist proportional zu dem Teil des Drahtes, der mit dem Strahl zusammentrifft; sobald der Strahl in Bezug auf die Drähte zentriert worden ist, wird es möglich, aus dem Stromsignal direkt das Strahlprofil in einem mittleren Querschnitt zu erhalten.

Eine Einrichtung zur Überwachung der Position und der räumlichen Verteilung eines Elektronenstrahlbündels hoher Energie der angegebenen Gattung ist aus der US-PS 37 89 298 bekannt. Dabei wird die Sekundärstrahlung, die beim Auftreffen der Elektronen des Elektronenstrahlbündels auf die Oberfläche eines Emitterkörpers erzeugt wird, benutzt, um die Position und die räumliche Verteilung des Elektronenstrahlbündels zu überwachen. Diese Sekundärstrahlung ist jedoch isotrop, d. h., die als Strahlungsdetektor dienende Kollektorelektrode umgibt den Emitterkörper auf dem Umfang eines Kreises. Dies bedeutet wiederum, daß mit der bekannten Einrichtung nur jeweils ein Elektronenstrahlbündel überwacht werden kann, da die Sekundär-

w strahlung keine Infoiination über die Richtung des Elektronenstrahlbündels enthält.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung der angegebenen Gattung so auszubilden, daß gleichzeitig zwei, in entgegengesetzter

Jj Richtung zueinander verlaufende Elektronenstrahlbündel überwacht werden können.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

-to Zweckmäßige Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile beruhen insbesondere auf der Ausnutzung der starken Richtungsabhängigkeit der erzeugten Bremsstrahlung, da die Bremsstrahlung in der Richtung besonders intensiv ist, in der sich das die Bremsstrahlung erzeugende Elektronenstrahlbündel fortpflanzt. Durch die gleichzeitige Überwachung der Sremsstrahlung auf jeder Seite der Folie können also die relativen Intensitäten der

^r>o Strahlen in beiden Richtungen gemessen und dadurch entsprechende Informationen über die beiden Strahlen gewonnen werden.

Arbeitet man beispielsweise mit Elektronen von 20 MeV und verwendet Tantal-Folien mit einer

^r>5 Abmessung d von etwa 0,1 cm in Strahlrichtung und einer Breite von etwa 0,002 cm, so ist die Strahlungsintensität in der Richtung, die entgegengesetzt zur Fortpflanzungsrichtung des Elektronenstrahlbündels ist, etwa 2OdB geringer als in der Vorwärtsrichtung.

h<> Entsprechende Werte ergeben sieh auch für den anderen Strahl, so daß bei Verwendung von entsprechend positionierten Strahlungsdetektoren getrennte Informationen über die beiden Strahlen gewonnen werden können.

^f|i Die Erfindung wird nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel anhand der Zeichnung erläutert; in dieser zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Elektro-

nenbündelmonHors,

Fig.2 einen Schnitt durch die in der Fig, I dargestellte Einrichtung und

Fig,3 eine Folie, die den Emitterkörper der Einrichtung bildet.

Der Elektronenbündelmonitor ist in den Fi g, 1 und 2 veranschaulicht, wobei die Fig.2 ein Schnitt entlang der Linie A-A in der Fig. 1 ist. Ein evakuiertes Rohr 1 mit Flanschen 2 an jedem Ende dient zum Anschluß des Monitors an ein Elektronenbündelsystem, so daß der Elektronenbündelweg3 durch das Rohr 1 entlang seiner Längsausdehnung in der z-Richtung verläuft. Die Flansche 2 weisen Öffnungen 4 auf, durch weiche Befestigungselemente hindurchgeführt sind, um eine vakuumdichte Verbindung mit dem System zu gewährleisten. Ein Bündel 3a von Elektronen kann entlang dem Weg 3 in einer Richtung geführt werden, die durch den Pfeil 3a angedeutet ist, und/oder ein zweites Bündel 36 kann in einer Richtung entgegengesetzt zu dem Bündel 3a geführt werden, wie es durch den Pfeii 36 angedeutet ist Die Bündel 3a und 36 können entlang derselben Achse oder entlang verschiedener Achsen geführt werden und sie können auch verschiedene Querschnitte und verschiedene Abmessungen haben. So kann der Querschnitt des Bündels 3a und der Querschnitt des Bündels 3b entweder jeweils so ausgebildet sein, daß keine Überlappung, eine teilweise Überlappung oder eine vollständige Überlappung vorhanden ist.

Um das Bündel 3a in der x-Richtung zu überwachen oder zu steuern, ist ein dünnes Folienelement 5x auf μ einem Rahmen Sx angeordnet, der in einer Vakuumkammer 7.V angeordnet ist. Der Rahmen 6a- weist einen linearen Vakuumdurchführungsarm Sx auf, durch welchen der Rahmen 6x und die Folie 5x in linearer Weise mit Hilfe einer mechanischen Antriebseinrich- js tung 9x durch das Bündel 3a hin- und herbewegt werden können. Der Rahmen 6x sollte ausreichend groß sein, daß er mit dem Bündel nicht in Wechselwirkung tritt, wenn die Folie 5x durch das Bündel 3a hindurchbewegt wird. Die Folie 5x ist aus einem herkömmlichen Material hergestellt, welches eine Bremsstrahlung erzeugt, wenn es mit Elektronen bombardiert wird, und welches eine Atomordnungszahl aufweist, welche derart gewählt ist, daß eine mit ihrem Maximum nach vorne verschobene Strahlung enisteht. Die in der Fig 3 dargestellte -»i Oberfläche der Folie 5*, welche dem Elektronenbündel zugewandt ist, welches sich in der z-Richtung bewegt, hat eine Länge l\ und eine Dicke w\. Die Länge A ist derart gewählt, daß sie viel größer ist als die Breite des Bündels 3a, so daß nur ein Streifen über die gesamte so Breite des Bündels 3a mit der Folie 5* in Wechselwirkung tritt und das Bündel den Rahmen 6x selbst dann nicht trifft, wenn das Bündel 3a nicht innerhalb des Rohres 1 zentriert is';. Die Dicke w\ der Folie 5x ist außerordentlich gering, und sie liegt in der Größenord- ^r>"> nung von 1% der Breite des Bündels, um nur ein Minimum an Bündelwechselwirkung hervorzurufen, wenn die Folie 5x durch das Bündel 3a hindurchbewegt wird, während zugleich ein ausreichender Querschnitt dem Bündel 3ä für eine angemessene Bündelwechsel- hö wirkung zur Verfugung steht. Die Tiefe c/der Folie 5x in der z-Richtung ist derart gewählt, daß eine optimale Intensität der Bremsstrahlung entsteht, insbesondere in der Vorwärtsrichtung, d. h. in Richtung auf die Strahlungsdetektoren 10a. μ

Eine Anzahl von miteimnder verbundenen Bremsstrahlungsdetektoren 10a sind um den Umfang des Rohres I herum in der Vorwärtsrichtung von der Folie 5xaus angeordnet, um eine Strahlung zu messen, welche durch die Folie 5*·erzeugt wird, wenn sie mit Elektronen des Bündels 3a bombardiert wird. Die Detektoren IOa können beliebiger geeigneter Art sein, es werden jedoch vorzugsweise Halbleiterdioden verwendet, welche Ausgangsströme erzeugen, die der auftreffenden Strahlung proportional sind, da derartige Dioden keine Vorspannung benötigen und da weiterhin nur eine Einrichtung mit einer hohen Impedanz wie ein Oszilloskop oder ein entsprechendes Strommeßgerät erforderlich ist, um die Ausgangssignale zur Anzeige zu bringen. Die Anzahl der erforderlichen Dioden als Detektoren 10a hängt von der gewünschten Empfindlichkeit ab.

Im Betrieb der Einrichtung bewegt die Antriebseinrichtung 9jf die Folie 5x in Querrichtung durch das Bündel 3a. Wenn die Folie 5x in das Bündel 3a eintritt, svird eine Bremsstrahlung erzeugt. Die Strahlungsintensität ist dem abgefangenen Bündel 3a oder dem entsprechenden Strom proportional, unH jhre Winkelverteilung ist stark in Vorwärtsrichtung verschoben. Die Detektoren 10a ermitteln die vorwärts gerichtete Strahlung und liefern ein Ausgangssignal an die Schaltung 11. Eine Messung der Bremsstrahlungsintensität als Funktion der Position der Folie 5x entlang der ΛΓ-Achse liefert ein genaues Bündelprofil in der x- Richtung.

Die Detektoren 10a können alle parallel mit einer Meßschaltung 11 verbunden sein, vorzugsweise sind die Detektoren 10a jedoch elektrisch in vier gleiche Quadranten A, B, Cund D geteilt, wie es in der Fig. 2 dargestellt ist. Der Quadrant, der näher an dem Bündel liegt, empfängt eine höhere Bremsstrahlung, und auf diese Weise kann die Position des Bündels in bezug auf die Mitte des Rohres 1 bestimmt werden. Zusätzlich liefert die Summation des Gesamtausgangssignals von den vier Detektorgruppen 10a ein Maß für den Bündelgesamtstrom. Eine Kalibrierung dieses Ausgangssignals als Funktion eines Stroms durch unabhängige Strommessungen unter Verwendung eines Faraday-K?figs ermöglicht quantitative Messungen der Bündelströme.

Um gleichzeitig ein Elektronenbündel 3b überwachen zu können, welches in der entgegengesetzten Richtung zu dem Bündel 3a geführt ist, ist ein zweiter Satz von Detektoren 106, welche ähnlich aufgebaut sind wie die Detektoren 10a, auf Abstand um den Umfang des Rohres 1 herum in der Vorwärtsrichtung von der Folie 5x für das Bündel 3b vorgesehen, um diejenige Strahlung zu ermitteln, welche durch die Folie 5x mittels Elektronen im Bündel 3b erzeugt wird. Im Hinblick auf das oben beschriebene Bündel 3a ist die Winkelverteilung der Strahlung, welche durch das Bündel 3b erzeugt wird, stark nach vorn gerichtet. Da die vorwärts gerichtete Strahlung so wesentlich stärker ist als die in entgegengesetzter Richtung gerichtete Strahlung, empfängt der Detektor 10a nur einen bestimmten geringen Bruchteil derjenigen Strahlung, welche durch das Bündel 3b erzeugt v.^:rd und von den Detektoren 106 aufgenommen wird, und in ähnlicher Weise empfangen die Detektoren 106 nur den gleichen kleinen Bruchteil derjenigen Strahlung, welche durch ein Gürrdel 3a erzeugt wird und von den Detektoren 10a aufgenommen wird. Da der Bruchteil gering ist, können die zwei Bündel gleichzeitig überwacht werden. Um eine höhere Genauigkeit zu erreichen, können die Ausgangssignale von den Detektoren 10a und 106 dadurch eingestellt werden, daß der bestimmte Bruchteil des Ausgangssignals der Detektoren 10a von dem Ausgangssignal der

Detektoren iOb subtrahiert wird und In dem weiterhin ein der gleiche Bruchteil von dem Ausgangssignal der Detektoren iOb von dem Ausgangssignal der Detekto ren 10.7 subtrahiert wird.

Um die Bündel 3a und 3b weiter zu definieren, ist eine zweite Folie 5y, die ähnlich aufgebaut ist wie die Folie 5a-, linear hin und her durch die Bündel 3a und 3b bewegbar, und zwar in der y-Richtung, so daß ihre Länge in der .v-Richtung und ihre Dicke in der r-Richtiing verlauft. Ebenso wie die Folie 5\ kann die Folie 5> auf einem Rahmen βι angebracht sein, der innerhalb einer Vakuumkammer 7r angeordnet ist und tier einen linearen Vakiiumdurchführnngsarm 8\ aufweist, welcher mit einer mechanischen Antriebseinrichtung verbunden ist. Die mechanische Antriebseinrichtung ist elektrisch mit der Mcßschaitung 11 verbunden.

Die mechanischen Antriebseinrichtungen 9.x und die entsprechenden für die y-Richtung werden derart gesteuert, daß sie die Folien 5.v und 5y nacheinander durch die Bündel 3.7 und 3b hindurchbewegen. Während

'< dieses Vorganges liefern die Detektoren 10a aufeinanderfolgende Sätze von Signalen aufgrund der Strahlung, welche durch die Folien 5a und 5y an die Schaltung 11 geliefert werden, um die Bündel 3a zu definieren, und die Detektoren 10Z> liefern aufeinanderfolgende Sätze von

in Signalen, aufgrund der Strahlung, welche durch die Folien 5\ und 5i an die Schaltung Il geliefert werden, um das Bündel 36 zu definieren. Diese Signale können aufgeschrieben oder einer Kathodenstrahlröhre zugeführt werden, um eine visuelle Anzeige des Stroms, des

Γι Profils und der Positionen der Bündel 3a und 3b zu liefern.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Einrichtung zur Überwachung der Position und der räumlichen Verteilung eines Elektronenstrahlbündels hoher Energie mit einem quer durch das Elektronenstrahlbündel bewegbaren Emitterkörper, dessen Längsabmessung größer und dessen Breite senkrecht zur Richtung des Elektronenstrahlbündels kleiner als die Querabmessung des Elektronenstrahlbündels sind und der beim Auftreffen der Elektronen des Elektronenstrahlbündels auf seine Oberfläche eine Sekundärstrahlung erzeugt, mit einer auf die Sekundärstrahlung ansprechenden, im Abstand von dem Emitterkörper in Umfangsrichtung um das Elektronenstrahlbündel herum sich erstreckenden Strahlungsdetektor-Anordnung und mit einer mit der Strahlungsdetektor-Anordnung verbundenen Einrichtung zur Darstellung der Intensität der Sekundärstrahlung als Funktion der jeweiligen Position des Eroitterkörpers im Elektronenstrahlbündel, dadurch gekennzeichnet, daß als Emitterkörper eine beim Auftreffen der Elektronen des Elektronenstrahlbündels Bremsstrahlung erzeugende Folie (5x, 5y) vorgesehen ist, daß die Strahlungsdetektor-Anordnung einen ersten Strahlungsdetektor (1Oa^ für die durch ein erstes Elektronenstrahlbündel (3a) erzeugte Bremsstrahlung, der in Bewegungsrichtung dieses Elektronenstrahlbündels (3a) hinter der Folie (5x, Sy) angeordnet ist, sowie einen zweiten Strahlungsdetektor (\0b) für die durch ei» zweites, entgegengesetzt zu dem ersten Elektronenstrahlbfindel 'Za) verlaufendes Elektronenstrahlbündei (3b} erzeugte Bremsstrahlung, der in Bewegungsrichtung des zweiten Elektronenstrahlbündels (3b) hinter der Folie (5a·, Sy) angeordnet ist, aufweist.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwei getrennt in einem Winkel von 90° zueinander bewegbare Folien (5x, 5y) vorgesehen sind.

3. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Folie oder die Folien (5x, 5y)jeweils in einem bewegbaren Rahmen (6x, 6y) befinden.

4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungsdetektoren (10a, iOb) mehrere, symmetrisch im Abstand angeordnete, elektrisch miteinander verbundene Detektorelemenie aufweisen.

5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Detsklorclemente Halbleiter-Dioden sind.

6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Dctcktorelemente elektrisch zu vier gleichen Quadrantengruppen /usammengeschallel sind.

7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite (w) jeder Folie (5*, Sy) senkrecht zur ßündelrichlung näherungsweise 1% der Breite des Elektronenstrahlbündels ist.