DE2628076C2 - Elektronenstrahlerzeuger zum Bestrahlen eines außerhalb des Elektronenstrahlerzeugers angeordneten Bereichs mit einem Elektronenstrahl - Google Patents

Description

12 43 625 eine Abslutzkonstruktion für ein Elektronen durchlässiges Fenster als bekannt hervorgeht, die einen rechteckförmigen Rahmen mit einer Anordnung aus mehreren einzelnen Rohren aufweist, die sich Ober die kürzere Abmessung der vom Rahmen bestimmten Öffnung erstrecken, wobei sich im wesentlichen rechteckige Öffnungen ergeben, die vollständig durch die Fensterabstützkonstruktion verlaufen und durch die die Elektronen hindurchtreten. Ein flüssiges Kühlmittel wird durch dcii Rahmen und die Rohre geschickt, um Wärme vom Rahmen und den Rohren selbst sowie die auf diese vom Fenster beim thermischen Kontakt mit ihnen abgeleitete Wärme abzuführen. Die Rohre weisen vorzugsweise einen ovalen Querschnitt auf, wobei der größere Durchmesser des Querschnitts parallel zur Bewegungsrichtung der Elektronen von der Erzeugerkathode zum Fenster ausgerichtet ist, um den Bereich des Elektronenflusses zu minimalisieren, der auf die Rohre auftrifft Auf diese Weise wird sowohl die Erwärmung der Rohre als auch eine Verringerung der Elektronen des Elektronenstrahls minimalisiert.

Ein Ausführungsbeispiei der Erfindung wird nun anhand der Zeichnung näher erläutert.

F i g. 1 ist eine schematisierte Darstellung sines Seitenschnitts eines Elektronenstrahlerzeugers nach dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;

F: g. 2 ist eine teilweise weggebrochene Perspektivdarstellung des Fensters und des fenstertragenden Elements des Elektronenstrahlerzeugers nach F i g. 1.

Die F i g. 1 zeigt einen allgemein mit dem Bezugszeichen 10 bezeichneten Elektronenstrahlerzeuger 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 mit der Achse der Öffnung 12 im Hauptgehäuse 11 konzentrischen Öffnung 14. 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 10 werden auf herkömmliche Art durch eine niedrige Spannung bis zu einer thermischen Emission beheizt. Wie 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 100 oder mehr Kilovolt 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 gezeiften Federanordnung unter Spannung gehalten sein, um die Expansion und Kontraktion während des Arbeitens des Elektronenstrahlerzeugers 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 Vakuum im Innern des Hauptgehäuses 11 erlaubt. Das vom Gehäuse 13 entfernt liegende Ende des rohrförmigen Ansatzes 19 endet in einem außerhalb des Gehäuses 11 liegenden weiteren Gehäuse 24 aus Metali· und ist mit diesem elektrisch verbunden. Innerhalb des Gehäuses 24, dessen Inneres sich auf Atmosphärendruck befinden kann, befindet sich die Heizstromversorgung 31. Die Leiter 33, 34 und 35 stellen die Verbindung zwischen der Heizstromversorgung31 und dem Heizfaden 18 sowie der Platte 17 dar.

Das Innere des Hauptgehäuses 11 und des Gehäuses 13 wird über ein Rohr 30 mittels einer Vakuumpumpe (nicht gezeigt) auf herkömmliche Weise evakuiert und auf einem niedrigen Druck gehalten, um elektrische

ίο Überschläge zwischen dem Gehäuse 13 und dem Gehäuse 11 zu verhindern. Innerhalb der Öffnung 14 des Gehäuses 13 befindet sich ein Schirmgitter 32 aus Metall, das von 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 au^f einer (in F i g. 2 genauer gezeigten) netzartig strukturierten Platte 38 aus Metal' die in elektrischer Verbindung mit dem Hauptgehäuse Ir steht und eine Elektronenfensteranordnung darstellt. Das Fenster 37 kann beispielsweise aus Aluminium, Beryllium, Titan, einer Legierung oder einem dünnen Blatt aus Kunststoff wie Polyimid- oder Polyäthylenterephthalatharz bestehen. Das Fenster 37 ist so angeordnet, daß es die Öffnung 12 vollständig abdeckt und ausreichend weit über dessen Seiten vorsteht, um abnehmbar mittels eines Halterings 42 auf dem Hauptgehäuse il festgelegt werden zu können. Der Haltering 42 und/oder die Platte 38 können auf dem Gehäuse 11 mittels einer geeigneten Verschluß- und Halteeinrichtung — beispielsweise O-Ringen, Schrauben, Bolen, Schellen oder dergl. — abnehmbar und dicht festgelegt werden.

Die Gehäuse 13 und 24, der Ansatz 19 und das Gitter 32 sind elektrisch an den negativen Anschluß einer herkömmlichen Hochspannungsversorgung 43 gelegt, die eine negative Spannung von beispielsweise 70 ...

100 kV liefern kann. Der positive Anschluß der Hochspannungsversorgung 43 sowie das Hauptgehäuse 11 sir.d geerdet, um zwischen dem Gitter 32 und der Platte 38 eine starke Potentialdifferenz von beispielsweise 70 ... 100 kV aufzubauen.

Es soll nun auf die F i g. 2 eingegangen werden, die die Einzelheiten des Aufbaus des Fensters zeigt. Wie die genannte US-Patentschrift 37 49 967 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 eines feldfreien Bereichs, wie es die genannte Patentschrift lehrt, keirc voll zufriedenstellenden Ergebnisse erbracht. Ein Fensteraufbau, wie er beispielsweise in der F i g. 2 gezeigt ist, überwindet die Mängel des Aufbai's 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 oeispielsweise Aluminium, die für eine Beschleunigungsspannung von etwa 70... 100 kV in der Beschleunigungsrichtung nur etwa 25 mm dick zu sein braucht. Die Platte 38 ist mit eng zueinander beabstandeten parallelen Schlitzen 50 (Abstand beispielsweise etwa 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 50 bildenden Plattenmaterial eine Reihe eng beabstandeter Löcher 51 boh-

ren oder sonstwie ausbilden kann. Für eine 25,4 mm dicke Platte können die Schlitze beispielsweise mit einer Tiefe von etwa 22,22 mm 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 ihnen bleibt. Die Dicke des dünnen Querstegs 54 zwischen nebeneinanderliegenden Schlitzen wird vorzugsweise auf den geringstmöglichen 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 50 eingelassen sind. Die Breite der Schlitze wird vorzugsweise auf den größten Wert gewählt, bei dem sich noch die erforderliche Abstützung und Kühlung des Fensters erreichen lassen. Die gebohrte Seite bzw. Seite mil den Löchern 5i 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 Querstege 54, die in Berührung mit dem Fenster stehen und es abstützen, gerundet verlaufen und glatte gerundete Tragflächen darstellen. Es hat sich weiterhin als sehr vorteilhaft zum Vermeiden von Lichtbogen herausgestellt, auch die dem Innern des Gehäuses Il 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 50, trotz der verhältnismäßig dünnen Platte 38, bei der normalerweise das Beschleunigungsfeld das Fenster erreichen oder mindestens seine Wirkung bis zum Fenster erstrecken könnte.

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worden ist und der Elektronenstrahl erzeugt wird, entgast die beschossene Fensterfläche. Das entgaste Material wird von den das Fenster anfliegenden hochenergetischen Elektronen ionisiert und neigt zur Bildung eines leitenden Stromflußwegs. Wenn die beim 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, wie es für das beschriebene Ausführungsbeispiel nach der vorliegenden Erfindung der Fall ist, bleibt die Leitfähigkeit im feldfreien Bereich niedrig. Tritt also ein Überschlag oder Lichtoogen 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 einem Elektronenstrahlerzeuger der hier betrachteten Art mit einer Ausgangsleistung von etwa 10 kW und einem Elektronenstrahlstrom von etwa 0,06 ... 0,08 mA pro Quadratzentimeter kann für die Platte eine Temperaturerhöhung von etwa 40° C erwartet werden.

Anders als bei dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel kann beispielsweise die Platte 38 mit großen Löchern auf der Fenslerseite und einer Vielzahl von kleinen Löchern innerhalb des großen Loches auf der 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 durchzureichen. Weiterhin können die Löcher 51 auch anders als kreisförmig — beispielsweise quadratisch — ausgebildet sein. Auf jeden Fall müssen die Löcher unabhängig von der Art und Weise der Ausbildung und der Konfiguration klein genug sein, um das Beschleunigungsfeld vom Fenster abzuhalten. Um weiterhin das Auftreten von Lichtbogen so gering wie möglich zu halten, sind die Außenkanten der Schlitze und Löcher vorzugsweise abzurunden, wobei keinerlei Späne oder Fremdkörper in den Schlitzen oder Löchern verbleiben dürfen.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Elektronenstrahlerzeuger zum Bestrahlen eines außerhalb des Elektronenstrahlerzeuger angeordneten Bereichs mit einem Elektronenstrahl mit einem evakuierbaren Gehäuse, das eine Elektronen emittierende Einrichtung sowie eine von einem für Elektronen durchlässigen Fenster abgedeckte Öffnung aufweist, durch das ein breiter Strahl von Elektronen austreten kann, bei dem der Strahl mittels eines elektrischen Beschleunigungsfeldes zwischen der Elektronen emittierenden Einrichtung und dem Fenster auf 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 Gehäuseöffnung sitzt, die Schlitze so lang und in einer solchen Anzahl vorhanden sind, da3 sie den Querschnitt des austretenden Elektronenstrahls bestimmen, und durch dünne Querstege voneinander getrennt sind, deren den zu bestrahlenden Bereich zugewandtes Ende jeweils mit dem Fenster in Berührung steht und dieses trägt, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Schlitz (50) nur teilweise in Richtung vom Fenster (37) zum Gehäuseinnern in die Platte (38) hineinveriäuft, so daß in jedem Schlitz (50) ein Boden (52) mit einer Dicke gleich der verbleibenden Entfernung ziim Gehäuseinnern verbleibt, und daß der Boden (52) jeden Schlitzes (50) eine Vielzah' eng zueinander beabstandeter Löcher

(51) aufweist, die über die Schlitzlänge verteilt und so bemessen und zueinander beabstandet sind, daß das elektrische Beschleunigungsfeld das Fenster (37) nicht durch die Schlitze (50) hindurch erreichen kann.

2. Elektronenstrahlerzeuger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Löcher (51) im Boden

(52) jeden Schlitzes (50) jeweils einen gleichen Durchmesser wie die Schlitzbreite aufweisen.

3. Elektronenstrahlerzeuger nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß alle Schlitze (50) die gleiche Breite und Tiefe haben und zueinander gleich beabstandet sind.

4. Elektronenstrahlerzeuger nach einem der An-Sprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Boden (52) jeden Schlitzes (50) eine Dicke gleich etwa einem Achtel der Plattendiclke hat.

5. Elektronenstrahlerzeuger nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die 5u dünnen Querstege (54), die die Schlitze (50) begrenzen, einer Leitungsanordnung (55, 56) zugeordnet sind, durch die ein strömungsfähiges Kühlmittel zum Wärmeaustausch mit den Querstegen (54) geschickt werden kann.

6. Elektronenstrahlerzeuger nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitungsanordnung in der Platte an den Schlitzenden einen ersten und einen zweiten Kühlmittelkanal enthält.

7. Elektronenstrahlerzeuger nach einem der An-Sprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die offenliegenden Enden der Querstege (54), die in Berührung mit dem Fenster (37) stehen, sowie die dem Gehäuseinnern zugewandten Kanten der Löcher (51) in den Schlitzboden (52) abgerundet sind.

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Elektronenstrahlerzeuger zum Bestrahlen eines außerhalb des Elektronenstrahlerzeugers angeordneten Bereichs mit einem Elektronenstrahl mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen.

Ionisierende Energie in Form von hochenergetischen Elektronen findet Anwendung in einer Vielzahl von Vorrichtungen und Verfahren — einschließlich der Strahlungschemie, der Sterilisation, der HaLbarmachung und der Aufrechterhaltung einer elektrischen Entladung in einem Gas. Die Entwicklung strahlungshärtbarer Beschichtungsmittel wie Farben und Lacke hat Fortschritte der Beschichtungstechnik ermöglicht, die neben qualitativen Verbesserungen auch den Vorteil oiner erheblichen Verkürzung 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 Elektronenstrahlerzeuger·! ab, die in der Lage sind, die zur Erzeugung von der die Polymerisierung bewirkenden Elektronen erforderliche Leistung wirksam auszunutzen und die resultierende Elektronenenergie wirksam so zu verteilen, daß sich eine Produktionsrate ergibt, die mit dem beabsichtigten Verfahrensablauf kompatibel ist

Der Einsatz von ieaisierender Energie in Form hochenergetischer Elektronen kann auch auf dem Gebiet der Magnetohydrodynamik erfolgen, um elektrisch leitende ionisierte Gase zu erzeugen. Weiterhin wird sie bei Lasern angewandt, um das für die Laserwirkung erforderliche Medium herzustellen.

Aus der US-Patentschrift 37 49 967 der Anmelderin ist ein Elektronenstrahlerzeuger der eingangs genannten Art bekannt. Bei diesem Elektronenstrahlerzeuger ist zwischen dem auf Massepotential liegenden Fenster und der auf hohem negativem Potential liegenden Elektronen emittierenden Einrichtung ein ebenfalls auf Massepotential befindliches, in einem e/beblichen Abstand zum Fenster angeordnetes Gitter vorgesehen. Dadurch erhält man zwischen diesem Gitter und dem Fenster einen feldfreien Bereich großer Länge, um Schäden am Fenster infolge von Überschlagen und Lichtbogen zu vermeiden.

Es hat sich herausgestellt, daß bei diesem Elektronenstrahlerzeuger Überschläge am Fenster und damit Schäden an demselben auftreten. Die Elektronen bewirken beim Auftreffen auf das Fenster die Emission von ionisierten Teilchen, bei denen es sich teilweise um Verunreinigungen handelte. Dieser Vorgang ist besonders wahrscheinlich, wenn ein neues Fenster eingesetzt worden ist und der Elektronenbeschuß ein Entgasen bewirkt. Die Teilchen mit positiver Ladung führen in dem feldfreien Bereich großer Länge zwischen dem Gitter und dem Fenster zu einer örtlichen Ionisierung. Diese Ionisierung unmittelbar am Fenster bewirkt die Überschläge.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Elektronenstrahlerzeuger der eingangs genannten Art, Überschläge und Lichtbogenbildung am Fenster weiter zu verringern.

Diese Aufgabe wird bei einem Elektronenstrahlerzeuger mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Merkmalen durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 genannten Merkmale gelöst. Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Es sei darauf hingewiesen, daß aus der GB-PS