DE2628076A1 - Elektronenabgabeanordnung - Google Patents
ElektronenabgabeanordnungInfo
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Description
Auguete-Viktoria-StraBe 65 n DIIOr>UI^C* DADTMCQ Pienzenauerstraße 2
Pat.-Anw. Dr. Ing. Ruschke LJI-. KUÖOI1IS.t öt fAK I «NCR Pat.-Anw. Dipl.-Ing.
EstiSBr6* PATENTANWÄLTE H"8 E· Rus% „3 24
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Telegramm-Adresse: ,
Telegramm-Adresse:
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Avco Everett Research Laboratory Inc., Everett, Massachusetts, U.St.A.
ElektrünenabaabeanordnunD
Die vorliegende Erfindung betrifft Elektranenabgabeanardnunqen zum Bestrahlen
eines externen Bereichs mit einem Elektronenstrahl.
Ionisierende Energie in Form νση hochenergetischen Elektronen findet Anwendung
in einer Vielzahl von Vorrichtungen und Verfahren - einschließlich der Strahlungschemie,
der Sterilisation, der Haltbarmachung und der Aufrechterhaltung
einer elektrischen Entladung in einem Gas. Die Entwicklung strahlungshärtbarer Beschichtungsmittel uie Farben und Lacke hat Fortschritte der Beschichtungsiechnik
ermöglicht, die neben qualitativen Verbesserungen auch den Vorteil
einer erheblichen Verkärzung der Aushärtzeiten und erheblich geringere Raumanforderungen
für die Härtungsanlagen bringen. Das Ausmaß zu dem die mit Elektronen eingeleitete Polymerisation das herkömmliche Einbrenn- und andere Härtungsverfahren
ersetzt, hängt jedoch von der Verfügbarkeit von Elektronenmissions-
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-Z-
anlagen ab, die in der Lage sind, die zur Erzeugung von der die Polymerisierung
beuiirkenden Elektronen erforderliche Leistung wirksam auszunutzen und
die resultierende Elektronenenergie wirksam so zu verteilen, daß sich eine Produktiünsrate ergibt, die mit dem beabsichtigten Verfahrensablauf kompatibel
ist.
Der Einsatz von ionisierender Energie in Form hochenergetischer Elektronen
kann auch auf dem Gebieb der Magnetohydrodynamik erfolgen, um elektrisch leitende
ionisierte Gase zu erzeugen. Weiterhin uird sie bei Lasern angewandt,
um das für die Laseruiirkung erforderliche Medium herzustellen.
Wie aus dem Stand der Technik bekannt, läßt sich eine Quelle hochenergetischer
Elektronen herstellen, indem man Elektronen in einem evakuierten Rohr auf
hohe Energie beschleunigt und dann die Elektronen durch ein geeignetes Elektronenfenster
aus dem Rohr austreten läßt. Die hochenergetiscben Elektronen können beim Austritt aus dem Rohr zu einem Fächer geformt werden. In einer
solchen Anordnung werden die Elektronen in einem evakuierten Rohr zu einem
kleinen Strahl beschleunigt und dieser dann schnell hin und her ausgelenkt,
bevor er durch das Elektronenfenster hindurch aus dem Fenster austritt. In
einer anderen Vorrichtung nach dem Stand der Technik wird der Elektronenstrahl
in dem Rohr mittels eines Systems zylindrischer Elektronenoptiken zu
einem Fächer geformt. LJo eine präzise Fokussierung nicht erforderlich ist,
hat man die Elektronen abgebende Kathode oder Kathoden in ein geeignetes Gehäuse
aufgenommen, das den Elektronenfächer einfaßt und auf das Elektronenfenster richtet.
In einer weiteren Einrichtung nach dem Stand der Technik ist ein ein Fenster
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tragendes Gitter mit Kühlkörper vorgesehen, um die aufrechterhaltbare Ausgangsleistung
des Fenster zu erhöhen. Ein solches Traggitter weist eine Anzahl querverlaufender und gleichmäßig beanstandeter Querelemente auf, wobei
der maximale Abstand zwischen irgendeinem Punkt des Fenster und des nächstliegenden
Teils des Gitters so gering wie möglich bleibt. Die Räume zwischen den Querelementen verlaufen vollständig und gleichmäßig über das Traggitter.
Folglich ist die gesamte Fensterfläche zwischen den Querelementen vollständig und unmittelbar der die Elektronen emittierenden Einrichtung zugewandt.
Die US-Patentschrift 3.749.976 der Anmelderin lehrt für Elektronenstrahlanordnungen
der hier betrachteten Art, einen feldfreien Bereich, vorzusehen,
den ein Folienfenster abschließt, das von einem durchgehend mit Schlitzen
versehenen dünnen Tragelement getragen wird. Indem man ein erstes Gitter
auf hohes neqatives Potential und ein zweites Gitter auf Massepatential legt
und das ebenfalls auf Massepotential befindliche abgestützte Fenster in einem erheblichen Abstand zum zweiten Bitter anordnet, erhält man zwischen dem
zweiten Gitter und dem Fenster einen feldfreien Bereich großer Länge, um Schäden am Fenster infolge von Überschlägen und Lichtbögen zu vermeiden.
Es hat sich herausgestellt, daß bei dieser Anordnung eine übermäßige Anzahl
ausreichend hochenergetischer Elektronen auf das Fenster aufschlägt und zu
Überschlägen am Fenster und damit Schäden an demselben führt. Offensichtlich
bewirkten trotz des Uorliegens eines feldfreien Raums die Elektronen beim
Auftreffen auf die Folie die Emission von ionisierten Teilchen, bei denen
es sich teilweise um V/erunreinigungen handelte. Dieser Uorgang ist· besonders
•wahrscheinlich, wenn ein neues Fenster eingesetzt worden ist und der Elektro+-
nenbeschuß ein Entgasen bewirkt. Die Teilchen mit positiver Ladung werden
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dabei vom Fenster hinweg beschleunigt, kolidieren mit den Elektronen und
führen zu einer örtlichen Ionisierung. Diese Ionisierung unmittelbar am Fenster bewirkt die Überschläge.
Die vorliegende Erfindung lehrt eine Verbesserung gegenüber der US-Patentschrift
3.7A-9.967 und überwindet die oben erläuterten Schwierigkeiten.
f\lach der vorliegenden Erfindung ist eine Elektronenabgabevorrichtung zum Bestrahlen
eines Außenbereichs mit einem Elektronenstrahl vorgesehen, die ein evakuierbares Gehäuse mit der Elektronen emittierenden Einrichtung sowie
deine Öffnung aufweist, die mit einem für Elektronen durchlässigen Fenster
abgedeckt ist, das erlaubt, daß aus dem Gehäuse ein breiter Elektronenstrahl austritt, der von der Elektronen emittierenden Einrichtung innerhalb des Gehäuses
erzeugt und van einem elektrischen Beschleunigungsfeld zwischen der
Emissionseinrichtung und dem Fenster zum Fenster hin beschleunigt wird, wobei
das Fenster abdichtbar auf der Außenfläche einer flachen, elektrisch und
thermisch leitfähigen geschlitzten Metallplatte gelagert ist, die ihrerseits abdichtbar in der Gehäuseöffnung sitzt, wobei die Schlitze eine solche Länge
haben und in einer Anzahl vorhanden sind, daß sie den Querschnitt des austretenden
Elektronenstrahls bestimmen, und untereinander so beabstandet sind, daß sie dünne Querelemente bilden, die jeweils mit einem offenliegenden Ende
in Berührung mit dem Fenster stehen und diese tragen, wobei weiterhin jeder Schlitz in Richtung vom Fenster zum Gehäuseinneren nur teilweise in die
Platte hineinverläuft, damit in jedem Schlitz ein Boden bleibt, dessen Dicke gleich der verbleibenden Entfernung zum Gehäuseinnern ist, und wobei der Boden
jeden Schlitzes eine V/ielzahl eng beabstandeter Löcher enthält, die entlang
der Schlitze verteilt sind und so bemessen und beabstandet sind, daß das
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elektrische Beschleunigungsfeld das Fenster nicht durch die Schlitze erreichen
kann.
Die Schlitze können im ujesentlichen alle gleich breit und tief und untereinander
gleich beanstandet sein, während die Löcher im Beden jedes Schlitzes
einen Durchmesser von im wesentlichen der Schlditzbreite haben können. Weiterhin
kann der Buden jedes Schlitzes eine Dicke von angenähert einem Achtel
der Plattendicke haben, und den dünnen Querelementen, die von den Schlitzen
gebildet werden, können Leitungseinrichtungen zugeordnet sein, durch die ein strömungsfähiges Kühlmittel zum Wärmeaustausch mit den Querelementen
strömt.
Um die Erfindung nun im einzelnen zu erläutern, sei auf die beigefügten
Zeichnungen verwiesen.
Fig. 1 ist eine schematisierte Darstellung eines Seitenschnitts eines Elektronenstrahlerzeuqers
nach der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2 ist eine teilweise weggebrochene Perspektivdarstellung des Fensters
und des fenstertragenden Elements des Generators nach Fig. 1;
Die Fig. 1 zeigt einen allgemein mit dem Bezugszeichen 1o bezeichneten Elektronenstrahlgenerator
mit einem rechteckigen Hauptgehäuse 11 aus Metall, das eine rechteckige Öffnung 12 aufweist, die mittels einer Elektronenfensteranordnung
abgeschlossen ist, die im folgenden genauer zu erläutern sein wird.
Innerhalb des Gehäuses befindet sich ein rechteckiges Gehäuse 13 mit einer j
mit der Achse der Öffnung 12 im Hauptgehäuse 11 konzentrischen Öffnung 1^. ;
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Innerhalb des Gehäuses 13 ist durch elektrisch nichtleitende Abstandshalter
15, 16 und eine elektrisch leitende Platte 17 mindestens ein und vorzugsweise mehrere Heizfäden 18 in gleichmäßigem Abstand zueinander abgestützt, die gegen
die Platte 17 isoliert und mit einer Heizstromquelle verbunden sind.
Die Heizfäden 18 uierden auf herkömmliche Art durch eine niedrige Spannung
bis zu einer thamischen Emission beheizt. üJie in Fig. 1 gezeigt, wird das Gehäuse
13 von einem axial liegenden rohrförmigen Ansatz 19 getragen, der abdichtbar
durch die Rückwand 21 des Hauptgehäuses verläuft und durch !Isoliermaterial
22 gegen dieses isoliert ist, das nicht nur das Hochvakuum im Hauptgehäuse 11, sondern auch eine Potentialdifferenz von beispielsweise 1oo oäer
mehr Hilovalt zwischen dem Hauptgehäuse 11 und dem rohrförmigen Ansatz 19 aushalten
kann. Die Heizfäden 18 können aus Wolfram, thoriertem Wolfram oder anderem geeigneten Heizfadenmaterial gefertigt und mittels einer nicht gezeigten
Federanordnung unter Spannung gehalten sein, um die Expansion und Kontraktion während des Arbeitens der Anordnung auszugleichen. Der rohrförmige Ansatz
19 ist auf geeignete Weise - beispielsweise durch die Wand 23 - abgeschlossen,
die einerseits einen elektrischen Anschluß an die Heizfäden und andererseits
ein V/akuum im Innern des Hauptgehäuses 11 erlaubt. Das vom Gehäuse
13 entferntliegende Ende des rohrförmigen Ansatzes 19 endet in einem außerhalb des Gehäuses 11 liegenden weiteren Gehäuse Zk aus Metall und ist mit diesem
elektrisch verbunden. Innerhalb des Gehäuses Zk, dessen Inneres sich auf AtmDsphärendruck
befinden kann, befindet sich die Heizstramversorgung 31. Die Leiter 33, 3k und 35 stellen die l/erbindung zwischen der Heizstromversargung
31 und dem Heizfaden 18 sowie der Platte 17 dar. j
Das Innere des Hauptgehäuses 11 und des Gehäuses 13 wird über ein Rohr 3d mit·*
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tels einer Vakuumpumpe (nicht gezeigt) auf herkömmliche Ueise evakuiert und
auf einem niedrigen Druck gehalten, um elektrische Überschläge zwischen dem Gehäuse 13 und dem Gehäuse 11 zu verhindern. Innerhalb der Öffnung 1^ des Gehäuses
13 befindet sich ein Schirmgitter 32 aus Metall, das van einer Einrichtung
36 getragen wird. Das Schirmgitter 32 ist durchlässig für die von den
Heizfäden 18 emittierten Elektronen.
Das Schirmgitter 32 ist Elektrisch mit dem Gehäuse 13 verbunden.
In der Öffnung 12 des HauptgehäusES 11 befindet sich - gegen das Gehäuse dicht
abgeschlossen - ein Fenster 37 auf einer (in Fig. 2 genauer gezeigten) netzartig
strukturierten Platte 38 aus Metall, die in elektrischer Verbindung
mit dem Hauptgehäuse 11 steht und eine ElektronenfenstEranordnung darstellt.
Das Fenster 37 kann beispielsweise aus Aluminium, Beryllium, Titan, einer Lenierung
oder einen dünnen Blatt aus Kunststoff wie Polyimid- oder Polyäthylenterephthalatharz
bestehen. Das Fenster 37 ist so angeordnet, daß es die Öffnugn 12 vollständig abdeckt und ausreichend weit über dessen Seiten vorsteht,
um abnehmbar mittels eines HaltErings k2 auf dem Hauptgehäuse 11 festgelegt
werden zu können. Der Haltering kZ und/oder die Platte 38 können auf dem GehäusE
11 mittels εϊπεγ gEeigneten Verschluß- und Halteeinrichtung - beispielsweise
Ü-Ringen, Schrauben, Bolen, Schellen oder dergl. - abnehmbar und dicht
festgelegt werden.
Die Gehäuse 13 und Zk, der Ansatz 19 und das Gitter 32 sind elektrisch an den
negativen Anschluß Einer herkömmlichEn HochspannungsvErsorgung k3 gslegt, die
eine negative Spannung von beispielsweise 7o ».. 1oo kV liefern kann. Der positive
Anschluß der HochspannungsvErsorgung k3 sowie das Hauptgehäuse 11 sind
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-B-
geerdet, um zwischen dem Bitter 32 und der Platte 38 eine starke Potentialdifferenz
von beispielsweise 7o ... Iod kV aufzubauen.
Es sdII nun auf die Fig. 2 eingegangen werden, die die Einzelheiten des Aufbaus
des Fensters zeigt. Wie die genannte US-Patentschrift 3.749.9G7 lehrt,
ist ein feldfreier Bereich im evakuierten Gehäuse und unmittelbar am Fenster
vorteilhaft, um zu vermeiden, daß Lichtbögen, die innerhalb des evakuierten
Gehäuses auftreten können, das Fenster erreichen und durchschlagen. Wie jedoch bereits ausgeführt, hat das Anordnen eins feldfreien Bereichs, uiie es
die genannte Patentschrift lehrt, keine voll zufriedenstellenden Ergebnisse erbracht. Ein Fensteraufbau, wie er beispielsweise in der Fig. "2 gezeigt ist,
überwindet die Mängel des Aufbaus nach dem Stand der Technik.
In der Fig. 2 ist die das Fenster tragende Platte 38 eine flache Platte aus
einem Metall mit hoher Wärmeleitfähigkeit wie beispielsweise Aluminium, die für eine Beschleunigungsspannung van etwa 7o ... 1oo kV in der Beschleunigungsrichtung
nur etwa 25 mm (1 in.) dick zu sein braucht. Die Platte 38 ist
mit eng zueinander beabstandeten parallelen Schlitzen 5c (Abstand beispielsweise
etwa o,d62 in. = 1,57 mm) versehen, die sich leicht maschinell tief genug
in die Platte 38 einarbeiten lassen, daß man in dem den Boden 52 jeden Schlitzes 5o bildenden Plattenmaterial eine Reihe eng beabstandeter Löcher
51 bohren oder sonstwie ausbilden kann. Für eine 25,4 mm (1 in.) dicke platte
können die Schlitze beispielsweise mit einer Tiefe von etwa 22,22 mm :
(α,875 in.) eingebracht werden. Die - vorzugsweise eingebohrten - Löcher haben
einen Durchmesser von mindestens im wesentlichen der Breite der Schlitze, und, sind in einem Abstand derart angeordnet, daß ein dünner Steg 53 zwischen ih- :
nen bleibt. Die Dicke des dünnen Querelements 5k zwischen nebeneinanderlie- ;
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- 9 genden Schlitzen wird vorzugsweise auf den geringa'tmöglichen Wert gehalten.
Während die Art und Weise der Ausbildung der Löcher nicht kritisch ist, ist
wesentlich, Löcher mit zwischen nebeneinanderliegenden Löchern befindlichem Steg vorzusehen.
Das Fenster 37 befindet sich auf der Seite der Platte, in die die Schlitze
5c eingelassen sind. Die Breite der Schlitze wird vorzugsweise auf den größten
Wert gewählt, bei dem sich noch die erforderlichen Abstützung und Kühlung
des Fensters erreichen lassen. Die gebohrte Seite bzw. Seite mit den Lächern 51 der Platte muß der Elektronenquelle zugewandt sein.
Es hat sich für eine Verlängerung der nutzbaren Lebensdauer eines Fensters
als sehr vorteilhaft herausgestellt, daß die offenliegenden Enden der Querelsmente
5k, die in Berührung mit dem Fenster stehen und es abstützen, gerundet
verlaufen und glatte qerundete Tragflächen darstellen. Es hat sich weiterhin als sehr vorteilhaft zum Vermeiden von Lichtbögen herausgestellt, auch
die dem Innern des Gehäuses 11 zugewandten Lochkanten glatt abzurunden.
Die Stege 53 zwischen den Löchern 51 in der Platte 38 dienen als Festpotentialpunkte
und begrenzen die Ausbreitung des elektrischen Beschleunigungsfeldes in die Schlitze 5o. trotz der verhältnismäßig dünnen Platte 3B, bei
dBr normalerweise das Beschleunigungsfeld das Fenster erreichen oder mindestens
seine Wirkung bis zum Fenster erstrecken könnte.
Wenn beispielsweise ein neues Fenster eingesetzt worden ist und der Elektro- \
nenstrahl geformt wird, entgast die beschossene Fensterfläche. Das entgaste i
Material wird von den das Fenster anfliegenden hochenergetischen Elektronen j
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- 1o -
ionisiert und neigt zur Bildung eines leitenden Stromflußwegs. Uenn die heim
Ionisieren des entgasten Materials gebildeten Sekundärelektronen beschleunigt werden und die Ionisierung verstärken, nimmt die Leitfähigkeit an diesem
Punkt bis zu einem Überschlag oder Lichtbogen zu. Können die Sekundärelektronen
jedoch keine weiteren Teilchen ionisieren, ujie es für die Anordnung nach
der vorliegenden Erfindung der Fall ist, bleibt die Leitfähigkeit im feldfreien
Bereich niedrig. Tritt also ein Überschlag oder Lichtbogen auf, kann
er keinem leitenden Stromflußweg folgend das Fenster erreichen und dieses durchschlagen.
An den Enden der Schlitze sind die Kühlmittelkanäle 55, 56 vorgesehen, an die
eine Kühldruckmittelquelle (nicht gezeigt) angeschlossen werden kann. Folglich fließt ein erheblicher Teil der durch die auftreffenden Elektronen der
Platte und dem Fenster erteilten Energie durch die Platte zum Kühlmittel und geht mit diesem ab. In einer Laseranordnung der hier betrachteten Art mit
einer Ausgangsleistung von etwa 1a kW und einem Elektronenstrahlstram von etwa
o,aG ... 0,08 mA pro QuadratZentimeter kann für die Platte eine Temperaturerhöhung
von etwa ifOQC erwartet werden.
Andere als die oben gezeigte und beschriebene Ausführungsfürm sind möglich,
und liegen innerhalb des Umfangs der Erfindung. Es kann beispielsweise die
Platte 38 mit großen Löchern auf der Fensterseite und einer Uielzahl von kleider
nen Löchern innerhalb des großen Loches auf der Elektronenquelle zugewandten
Seite versehen sein. Alternativ können tiefe Schlitze auf der Fensterseite ?und querverlaufende Schlitze auf der der Elektronenquelle zugewandten Seite
vorgesehen sein, die nur tief genug sind, um zu den tiefen Schlitzen durchzubrechen.
Weiterhin können die Löcher 51 auch anders als kreisförmig - bei-'
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spielstdeise quadratisch - ausgebildet sein. Auf jedsn Fall müssen die Löcher
unabhängig von der Art und Ueise dsr Ausbildung und der Kanfiguration klein
genug sein, um das BeschlsunigungsfEld vom Fsnster abzuhalten. Um weiterhin
das Auftreten van Lichtbögen so gering uie möglich zu halten, sind die Aussenkanten
der Schlitze und Löcher vorzugsueisE abzurunden, uobei keinerlei
Späne oder Fremdkörper in den Schlitzen oder Löchern werbleiben dürfen.
Späne oder Fremdkörper in den Schlitzen oder Löchern werbleiben dürfen.
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Claims (1)
- Patentansprü ehe1. ] Elektronen abgebende Anordnung zum Be-strahlen eines Außenbereichs mit einem Elektronenstrahl mit einem' evakuierbaren Gehäuse, das eine Elektronen emittierende Einrichtung sowie eine von einem für Elektronen durchlässigen Fenster abgedeckte Öffnung aufweist, das einem breiten Strahl von Elektronen, den die Elektronen emittierende Einrichtung in ihrem Gehäuse erzeugt, auszutreten gestattet, wobei der Strahl mittels eines elektrischen Beschleunigungsfeldes zwischen der Elektronen emittierenden Einrichtung und dem Fenster aus das Fenster hinzu beschleunigt wird, das Fenster abdichtbar auf der Außenfläche einer flachen, thermisch und elektrisch leitfähigen geschlitzten Metallplatte gelagert ist, die ihrerseits abdichtbar in der Gehäusaöffnung sitzt, und die Schlitze so lang und in einer , solchen Anzahl vorhanden sind, daß sie den Querschnitt des austretenden Elek- ' tronenstrahls bestimmen, und zueinander einen solchen Abstand haben, daß sie j dünne Querelemente bilden, deren offenliegendes Ende jeweils mit dem Fenster j in Berührung steht und dieses trägt, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Schlitz! nur teilweise in Richtung vom Fenster zum Gehäuseinnern in die Platte hinein-609883/0831verläuft, so daß in jedem Schlitz ein Boden mit einer Dicke gleich der verbleibenden Entfernung zum Gehäuseinnern verbleibt, und daß der Baden jeden Schlitzes eine Vielzahl eng zueinander beabstandeter Löcher aufweist, die über die Schlitzlänqe verteilt und so bemessen und zueinander beabstandet sind, daß das elektrische Beschleunigungsfeld das Fenster nicht durch die Schlitze hindurch erreichen kann.2. ElektrDnenabgabeanardnung nach Anspruch1, dadurch gekennzeichnet, daß die Löcher im Boden jeden Schlitzes jeweils einen Durchmesser von im wesentlichen der Schlitzbreite aufweisen.3. Elektronenabgabeanordnung nach Anspruch2, dadurch gekennzeichnet, daß alle Schlitze im wesentlichen die gleiche Breite und Tiefe haben und zueinander gleich beabstandet sind.k. Elektronenabqabeanordnung nach einemder Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Boden jedes Schlitzes eine Dicke gleich etwa einem Achtel der Plattendicke hat.5. Elektronenabgabeanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis k, dadurch gekennzeichnet, daß die dünnen Querelemente, ' die die Schlitze bilden, einer Leitungsanordnung zugeordnet sind, durch die ί ein strömungsfähiges.Kühlmittel zum Wärmeaustausch mit den Querelemente ge-schickt werden kann. '6. Elektronenabgabeanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitungsanordnung in der Platte an den609883/0831262807SSchlitzenden einen ersten und einen zweiten Kühlmittelkanal enthält.7. Elektranenabgabeanardnung nach einemder Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die affenliegenden Enden der Querelemente, die in Berührung mit dem Fenster stehen, sauie die dem Gehäuseinnern zugewandten Lachkanten abgerundet sind.609883/0831Leerseite
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