DE1204342B - Vorrichtung zum Ablenken von Elektronen-strahlen hoher Energie und Intensitaet - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. α.:

Nummer:
Aktenzeichen:
Anmeldetag:
Auslegetag:

H 05h

Deutsche Kl.: 21g-21/01

G 25471 VIII c/21 g
9. Oktober 1958
4. November 1965

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Ablenken von Elektronenstrahlen hoher Energie und Intensität in einer an den Elektronengenerator sich anschließenden Vakuumkammer, bestehend aus zwei in Reihe geschalteten parallel zueinander und zur Achse der Kammer angeordneten elektrischen Leitern, die an eine Wechselspannungsquelle angeschlossen sind.

Es ist bereits eine Vorrichtung zum Bestrahlen von Materie mit einem Elektronenstrahl bekannt, to von der der Strahl, der stark beschleunigt ist und eine große Ladungsdichte aufweist, durch ein Lenard-Fenster geworfen und über ein Materialstück schnell magnetisch abgelenkt wird. Im einzelnen besitzt die den Elektronenstrahl beschleunigende Röhre einen schmalen, trichterförmigen Auslauf aus Aluminium; dicht neben dieser Aluminiumwand sind zwei Elektromagnete angeordnet, von denen der Elektronenstrahl mit der gewünschten Abtastfrequenz abgelenkt wird. Zwecks Erzielung zweier Abtast- ao bewegungen des Elektronenstrahls, die zueinander rechtwinklig oder schräg verlaufen, können auch mehrere Gruppen von Elektromagneten in den gewünschten Winkelabständen rund um den Aluminiumtrichter angeordnet sein, die mit unterschiedliehen Stromstärken und Frequenzen betrieben werden. Auf diese Weise lassen sich Spuren in Form eines Rechtecks oder einer Ellipse erzeugen. Somit kann man auch erreichen, daß der Elektronenstrahl nicht ständig auf einer vorgegebenen Linie durch das Fenster hindurchtritt und dieses linien- oder punktförmig erhitzt, was zu örtlichen Schäden, z. B. zu einem Durchbrennen, führen kann.

Der Nachteil dieser bekannten Vorrichtung zum Ablenken starker Elektronenstrahlen besteht darin, daß die außerhalb des Vakuums angeordneten, ablenkenden Elektromagnete ziemlich starke magnetische Felder erzeugen müssen, durch die in der Aluminiumwand Wirbelströme entstehen, die diese in unnötiger Weise aufheizen. Außerdem benötigen die außerhalb der Beschleunigerröhre angeordneten, starken Elektromagnete einen umfangreichen Raum, der mitunter nicht zur Verfügung steht, oder den man gern anderweitig ausnutzen möchte.

Ferner ist eine Kathodenstrahlröhre bekannt, deren Elektronenstrahl durch elektrostatische Querfelder sehr hoher Frequenz abgelenkt werden soll. Im Hals dieser Kathodenstrahlröhre sind auf beiden Seiten mindestens zwei zur Ruhelage des Strahls etwa parallele Leiter oder Drähte angeordnet, die an ihrem einen Ende mit einer Wechselspannungsquelle hoher Frequenz in Verbindung stehen, während ihr entVorrichtung zum Ablenken von Elektronenstrahlen hoher Energie und Intensität

Anmelder:

General Electric Company, Schenectady, N. Y.

(V. St. A.)

Vertreter:

Dr.-Ing. W. Reichel, Patentanwalt,

Frankfurt/M. 1, Parkstr. 13

Als Erfinder benannt:

Willem Fredrik Westendorp, Schenectady, N. Y.

(V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 29. Oktober 1957
(693 201)

gegengesetztes Ende, das dem Leuchtschirm benachbart ist, von einem Ohmschen Abschlußwiderstand gebildet ist, durch den die Leiter reflexionsfrei gemacht werden.

Ein Ziel der Erfindung ist eine Ablenkvorrichtung von Elektronenstrahlen hoher Energie und Ladungsdichte zum möglichst gleichförmigen Bestrahlen einer Materialoberfläche, bei der mehrere zusammenwirkende magnetische Ablenksysteme raumsparend zueinander angeordnet sind, ohne daß sie zu Wirbelstromverlusten Anlaß geben.

Zu diesem Zweck ist die Vorrichtung zum Ablenken, wie sie eingangs beschrieben ist, gemäß der Erfindung als elektromagnetische Ablenkvorrichtung ausgebildet und wird als solche betrieben. Die Vorrichtung soll also ausschließlich als elektromagnetische Ablenkvorrichtung wirken, und der Einfluß der elektrostatischen Ablenkung soll vernachlässigbar klein sein.

Vorzugsweise sind die Leiter hohl und führen ein Kühlmittel.

Derartige Ablenkvorrichtungen, die mit Beschleunigungsspannungen bis zu mehreren Millionen Volt arbeiten können, finden bei der Bestrahlung organischer und anorganischer Stoffe zwecks Sterilisierung von Nahrungsmitteln oder experimentellen Untersuchungen einen weiten Anwendungsbereich. Der zu bestrahlende Stoff kann dabei in Form einzelner Pro-

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ben auf einem Fließband unter dem Lenard-Fenster trisch verbunden und geht durch die Wand hindurch,

der Vorrichtung entlanggeführt werden. damit man eine Röhre zum Durchpumpen einer

Zum besseren Verständnis des Erfindungsgegen- Kühlflüssigkeit daran anbringen kann. Das Fenster

Standes seien die Figuren näher erläutert. 23 ist auf Grund der Druckdifferenz auf seinen bei-

F i g. 1 zeigt schematisch die gesamte Ablenkvor- 5 den Seiten durchgebogen,

richtung; Beide Leiter37 sind in Fig. 3 dargestellt. Sie sind

F i g. 2 ist ein Teilschnitt durch einen Abschnitt der im wesentlichen parallel zur Achse des Halses der Vakuumkammer der Vorrichtung gemäß Fig. 1 in Vakuumkammer 13 und sind gleich weit von ihr entvergrößertem Maßstab; fernt. In den Punkten 40 sind ihre Enden mechanisch

F i g. 3 ist eine vergrößerte seitliche, teilweise im io und elektrisch miteinander verbunden, während ihre

Schnitt dargestellte Teilansicht der Vakuumkammer anderen Enden durch die Isolatoren 39 mit dem

des Systems der Fig. 1; Äußeren der Vakuumkammer verbunden sind. Da

F i g. 4 ist eine Vorderansicht einer anderen Aus- die Leiter 37 elektrisch mit der Vakuumkammer 13

führung des Querablenksystems der Erfindung; verbunden sind und die Vakuumkammer den Strom

F i g. 5 ist eine Draufsicht auf die Ausführung der 15 leitet, sind sie in Reihe geschaltet.

F i g. 4 entlang der Linie 5/5, in Richtung der Pfeile F i g. 4 zeigt eine Ausführung der Vorrichtung, bei

gesehen; der nur ein Isolator 39 und nur eine mechanische

F i g. 6 zeigt die Spur des Elektronenstrahls auf und elektrische Verbindung mit der Vakuumkammer

dem Strahleintrittsfenster; 13 nötig ist. Der Hauptunterschied zwischen dieser

F i g. 7 zeigt die Spur des Elektronenstrahls auf 20 und der vorigen Ausführung ist die mechanische und

dem zu behandelnden Material. elektrische Verbindung zweier Enden der Leiter 37

F i g. 1 zeigt einen Elektronenstrahlerzeuger mit durch einen hohlen Ring 41, der gleichzeitig einen einem Gehäuse 11, welches das strahlerzeugende Durchfluß der Kühlflüssigkeit von einem Leiter zum System, den Transformator für die Beschleunigungs- anderen ermöglicht. Beide Leiter können durch Isospannung und das herkömmliche Fokussierungs- und 25 latoren nach außen geführt werden, jedoch wird man Ablenksystem für den Strahl enthält. Derartige Vor- vorzugsweise einen davon mechanisch und elektrisch richtungen können in gewöhnlicher Weise ausgeführt in dem Punkt 42 mit der Vakuumkammer verbinden, sein und sind daher nicht dargestellt. Unter dem um damit ein Erdpotential für das elektrische Signal Gehäuse 11 befindet sich eine trichterförmige Va- zu erhalten.

kuumkammer 13, die aus einem länglichen Hals und 30 Wie man in F i g. 5 sieht, umgibt der Ring 41 die

einem verbreiterten Teil besteht, in welchem sich der Achse der Vakuumkammer, entlang deren sich der

Elektronenstrahl unter der Einwirkung des Haupt- Elektronenstrahl bewegt. Magnetische Felder, die von

ablenksystems hin- und herbewegen kann. in dem Ring fließenden Strömen erzeugt werden,

Das Querablenksystem, das den Strahl senkrecht haben keine Wirkung auf den Strahl, da sich die

zur Ablenkungsrichtung des Hauptablenksystems ab- 35 axialen magnetischen Felder der beiden Hälften des

lenkt, umfaßt einen Hochfrequenzschwingkreis 15, Ringes gegenseitig aufheben. Wenn das Verbindungs-

der einen Ausgangsstrom mit einer Frequenz erzeugt, stück nur einen Halbkreis bildet, heben sich die

die etwa tausendmal so groß ist wie die Hauptablenk- magnetischen Felder nicht auf. Das hat jedoch wegen

frequenz. Dieser Strom ist über einen Anpassungs- der Kürze des Verbindungsstückes und wegen der

transformator 17 mit Leitern verbunden, die in dem 40 Parallelität von Feld und Strahl nur eine geringe

Hals der Vakuumkammer 13 angebracht sind und Wirkung auf den Strahl.

unten beschrieben werden. Diese Leiter sind Vorzugs- Die beiden Ausführungen haben praktisch die

weise hohl, so daß man mit Hilfe von Röhren 18 und gleiche Wirkungsweise. Während einer Halbperiode

einer Wasserquelle und Pumpe 19 Kühlwasser durch des vom Schwingkreis 15 kommenden Wechselstroms

sie hindurchpumpen kann. 45 werden die beiden Leiter 37 in entgegengesetzter

Der verbreiterte Teil der Vakuumkammer 13 ist Richtung vom Strom durchflossen. In der nächsten durch mehrere Rippen 21 verstärkt, damit die Wände Halbperiode kehrt sich der Strom um. Der von dem dem Luftdruck standhalten. An dem unteren Ende Strom hervorgerufene Kraftfluß umgibt die Leiter des verbreiterten Teiles befindet sich ein dünnes Fen- und erzeugt ein Feld, welches der Längsausdehnung ster 23 aus einem Metall wie Titan, welches die Elek- 50 des Fenster 23 parallel ist und dessen Richtung sich tronen durchläßt, während es gleichzeitig einen jeweils mit dem Strom umkehrt. Dieses Feld bewegt vakuumdichten Verschluß bildet. Dieses Fenster den Strahl im rechten Winkel in Richtung der wird durch Preßluft gekühlt, die, aus einem Behälter Schmalseiten des Fensters 23 und erzeugt bei nied-25 kommend, durch eine Mündung 27 strömt und rigen Frequenzen eine Figur ähnlich der Spur 43 in vorzugsweise an dem ganzen Fenster entlanggeführt 55 Fig. 6. Die Frequenz des Schwingkreises 15 ist vorwird, zugsweise keine Oberschwingung der Ablenkfrequenz

Ein Fließband 29 läuft unter der Vakuumkammer des Hauptablenksystems, damit die Querablenk-

13 quer an dem trichterförmigen Teil vorbei, so daß perioden aufeinanderfolgender Spuren nicht in Phase

das darauf befindliche Material 31 quer zu seiner sind und sich die Spuren überkreuzen. Auf diese

Bewegungsrichtung von dem Strahl überstrichen 60 Weise verteilt sich die durch den Strahl erzeugte

wird. Auf diese Weise wird die gesamte Fläche des Wärme über das ganze Fenster und bleibt nicht wie

Materials bestrahlt. in früheren Systemen auf einer Linie konzentriert.

F i g. 2 zeigt eine vergrößerte Schnittansicht der Eine relativ niedrige Querablenkfrequenz von etwa Vakuumkammer 13. Einer der Leiter 37 ist an seinem dem lOfachen der Hauptablenkfrequenz eignet sich einen Ende mit Hilfe eines Isolators 39 befestigt und 65 zwar, um eine Überhitzung des Fensters zu verragt etwa parallel zur Achse des Halses in die Kam- meiden, genügt jedoch nicht für eine gleichmäßige merl3. Das andere Ende ist im Punkt 40 mit der Bestrahlung des Materials. In Fig. 7 zeigen die Wand des Halses durch Löten mechanisch und elek- Spuren 45 eine mögliche Verteilung, wenn die Quer-

ablenkfrequenz sehr niedrig ist, d. h. 1000 oder 2000 Hz. Während das Band 29 weiterrückt, wird jedes Muster ein klein wenig auf Grund der nichtharmonischen Beziehung zwischen dem Ausgang des Schwingkreises 15 und der Querablenkung des Strahles gegenüber dem vorhergehenden Muster verschoben. Einige Gebiete, z. B. bei 47, erhalten eine höhere Bestrahlung je Flächeneinheit des Materials als andere Gebiete 49. Die erwünschte gleichförmige Bestrahlung erhält man hingegen immer, wenn die Frequenz des Oszillators 15 etwa tausendmal größer ist als die Hauptablenkfrequenz. Dann ist nämlich die Entfernung zwischen aufeinanderfolgenden Perioden der Querablenkung auf dem bestrahlten Material von der Größenordnung der Strahlbreite. Die Spuren auf dem Material lassen sich andeutungsweise durch die Linie 51 darstellen. In Wirklichkeit erhält man jedoch eher eine gleichförmige Gesamtbestrahlung als eine scharfe Spur. Mit einer derartigen Bestrahlungsfigur erhält man eine gleichförmige Bestrahlung, ohne Rücksicht darauf, ob die Oszillatorfrequenz eine Oberfrequenz der Hauptablenkfrequenz ist oder nicht.

Bei derartig hohen Querablenkfrequenzen ist der Widerstand der Leiter 37 nicht erheblich. Bei einem ausgeführten Gerät mit einer Querablenkfrequenz von 100 000 Hz und einer Gesamtlänge der Leiter von etwa 50,8 cm betrug der Widerstand 0,114 Ohm. Um ein Beispiel für die Erwärmung zu geben: Der Strom war so groß, daß der Spannungsabfall an den Leitern, die den Gütefaktor 10 hatten, etwa 6,5 Volt betrug. Also wurden etwa 40 Watt in den Leitern verbraucht. Der größte Teil dieser Wärme wurde durch das Kühlwasser abgeführt.

Aus der Beschreibung ist ersichtlich, daß ein Querablenksystem gefunden wurde, welches die Erwärmung des Fensters über eine große Fläche verteilt und eine gleichförmige Bestrahlung des Materials hervorruft. Die Leiter 37 können aus rostfreiem Stahl hergestellt werden, damit sie das Vakuum nicht verschlechtern, wie man es bei Ablenkwicklungen befürchten müßte. Da weiterhin diese Leiter sich innerhalb der Vakuumkammer befinden, dringt kein Kraftfluß in die Kammerwände ein und man hat praktisch keine Wirbelstromverluste.

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zum Ablenken von Elektronenstrahlen hoher Energie und Intensität in einer an

45 den Elektronengenerator sich anschließenden Vakuumkammer, bestehend aus zwei in Reihe geschalteten, parallel zueinander und zur Achse der Kammer angeordneten elektrischen Leitern, die an eine Wechselspannungsquelle angeschlossen sind, dadurch gekennzeichnet, daß diese Vorrichtung als elektromagnetische Ablenkvorrichtung ausgebildet ist und betrieben wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiter (37) hohl sind und ein Kühlmittel führen.

3. Vorrichtung nach Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz des den Leitern (37) zugeordneten Wechselstroms so gewählt ist, daß sich aufeinanderfolgende Spuren (43) des auftreffenden Elektronenstrahls überlappen.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz des den Leitern (37) zugeführten Wechselstroms derart gewählt ist, daß der Abstand zwischen aufeinanderfolgenden Spuren (51) in der Größenordnung des Elektronenstrahldurchmessers liegt.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz des den Leitern (37) zugeführten Wechselstroms die Ablenkfrequenz eines zweiten senkrecht dazu gerichteten Ablenksystems um etwa den lOOOfachen Betrag übersteigt.

6. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Leiter (37) durch je einen Isolator (39) an einer metallischen Wand in die Vakuumkammer (13) eintreten und mit ihrem anderen Enden (40) mechanisch und elektrisch mit der metallischen Wand verbunden sind.

7. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der eine Leiter (37) durch einen Isolator (39) und der andere Leiter (37) in mechanischer und elektrischer Verbindung (42) mit der metallischen Wand in die Vakuumkammer (13) eintritt und die anderen Enden beider Leiter (37) durch einen leitenden Ringkörper (41) miteinander verbunden sind.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschrift Nr. 720 754.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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