DE102017119175B4

DE102017119175B4 - Cathode unit for electron accelerators

Info

Publication number: DE102017119175B4
Application number: DE102017119175.5A
Authority: DE
Inventors: Eberhard Föll; Bengt Laurell; Alexander Warrikhoff
Original assignee: Rtw Roentgen Technik Dr Warrikhoff & Co KG GmbH; Rtw Rontgen-Technik Dr Warrikhoff & Co KG GmbH; Crosslinking AB
Current assignee: Rtw Roentgen Technik Dr Warrikhoff & Co KG GmbH; Rtw Rontgen-Technik Dr Warrikhoff & Co KG GmbH; Crosslinking AB
Priority date: 2017-08-22
Filing date: 2017-08-22
Publication date: 2020-07-09
Anticipated expiration: 2037-08-23
Also published as: DE102017119175A1

Abstract

Ein Elektronenbeschleuniger (14), der dazu ausgelegt ist, einen Elektronenstrahl (15, 40, 58) zu erzeugen, wobei der Elektronenbeschleuniger (14) aufweist eine Kathodeneinheit (16, 39, 55) mit- einer beheizbaren Kathodenstruktur (17, 49, 56), die dazu ausgelegt ist, eine Raumladungswolke (23) von freien Elektronen zu erzeugen, und- einem Strahlbegrenzungselement mit einem Maskenloch (19, 28, 41), wobei das Strahlbegrenzungselement in Strahlrichtung des Elektronenbeschleunigers (14) nachgeordnet zur Kathodenstruktur (17, 49, 56) angeordnet ist,eine Anode (24, 59), die in Strahlrichtung beabstandet zu dem Strahlbegrenzungselement angeordnet ist, wobei Elektronen aus der Raumladungswolke (23) zwischen der Kathodeneinheit (16, 39, 55) und der Anode (24, 59) beschleunigbar sind,wobei elektronenemittierende Bereiche der Kathodenstruktur (17, 49, 56) in einem radialen Abstand zur Strahlachse (21, 29, 43, 54) des Elektronenbeschleunigers (14) angeordnet sind, der gleich groß oder größer ist als eine maximale radiale Ausdehnung des Maskenlochs (19, 28, 41) relativ zur Strahlachse (21, 29, 43, 54),wobei innerhalb der Kathodeneinheit (16, 39, 55) ein freier Zentralbereich (20, 30, 50) um die Strahlachse (21, 29, 43, 54) herum vorgesehen ist, der sich entlang der Strahlachse (21, 29, 43, 54) in Strahlrichtung bis zum Maskenloch (19, 28, 41) erstreckt, wobei sich elektronenemittierende Bereiche der Kathodenstruktur (17, 49, 56) nicht in den freien Zentralbereich (20, 30, 50) hinein erstrecken, und wobei sich die Raumladungswolke (23) von freien Elektronen zumindest zum Teil in den freien Zentralbereich (20, 30, 50) hinein erstreckt,dadurch gekennzeichnet, dassder Elektronenbeschleuniger (14) ein Elektronenaustrittsfenster (46, 60) umfasst, das an der Anode (24, 59) oder in Strahlrichtung nachgeordnet zur Anode (24, 59) angeordnet ist.An electron accelerator (14) which is designed to generate an electron beam (15, 40, 58), the electron accelerator (14) having a cathode unit (16, 39, 55) with a heatable cathode structure (17, 49, 56 ), which is designed to generate a space charge cloud (23) of free electrons, and - a beam limiting element with a mask hole (19, 28, 41), the beam limiting element being arranged downstream in the beam direction of the electron accelerator (14) to the cathode structure (17, 49 , 56), an anode (24, 59) which is arranged at a distance from the beam limiting element in the beam direction, electrons from the space charge cloud (23) between the cathode unit (16, 39, 55) and the anode (24, 59) can be accelerated, electron-emitting regions of the cathode structure (17, 49, 56) being arranged at a radial distance from the beam axis (21, 29, 43, 54) of the electron accelerator (14) which is the same size or larger than al s a maximum radial extension of the mask hole (19, 28, 41) relative to the beam axis (21, 29, 43, 54), a free central area (20, 30, 50) around the inside of the cathode unit (16, 39, 55) Beam axis (21, 29, 43, 54) is provided, which extends along the beam axis (21, 29, 43, 54) in the beam direction up to the mask hole (19, 28, 41), with electron-emitting regions of the cathode structure (17 , 49, 56) do not extend into the free central area (20, 30, 50), and wherein the space charge cloud (23) of free electrons extends at least partially into the free central area (20, 30, 50), characterized that the electron accelerator (14) comprises an electron exit window (46, 60) which is arranged on the anode (24, 59) or downstream of the anode (24, 59) in the beam direction.

Description

Die Erfindung betrifft eine Kathodeneinheit für einen Elektronenbeschleuniger sowie einen Elektronenbeschleuniger. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Erzeugung und Beschleunigung von Elektronen in einem Elektronenbeschleuniger.The invention relates to a cathode unit for an electron accelerator and an electron accelerator. Furthermore, the invention relates to a method for generating and accelerating electrons in an electron accelerator.

Das deutsche Gebrauchsmuster DE 16 39 791 U beschreibt eine elektrische Anzeigeröhre mit thermischer Kathode, insbesondere eine Braunsche Röhre, die eine Thoriumkathode aufweist. Dabei weist das Strahlerzeugungssystem, insbesondere die Anode und/oder die Kathode und/oder die Röhre, eine besondere konstruktive Ausbildung zum Abhalten des Kathodenlichts vom Leuchtschirm auf.The German utility model DE 16 39 791 U describes an electrical display tube with a thermal cathode, in particular a Braun tube, which has a thorium cathode. The beam generating system, in particular the anode and / or the cathode and / or the tube, has a special design for keeping the cathode light away from the fluorescent screen.

Das deutsche Patent DE 197 36 212 C1 beschreibt eine Röntgenröhre mit einem evakuierten Gehäuse beschrieben. In dem Gehäuse ist eine über eine Antriebsvorrichtung drehbare Drehanode mit einem Anodenteller, auf die ein mittels eines elektrischen Felds beschleunigter Elektronenstrahl trifft, angeordnet. In dem Gehäuse sind fest mit dem Gehäuse verbunden zwei um gleiche Winkel diametral zur Achse des auf den Anodenteller auftreffenden Elektronenstrahls verkippte identisch aufgebaute Rundstrahlemitter angeordnet, welche jeweils eine Elektronen emittierende Kathode und jeweils eine Fokussierungselektrode aufweisen.The German patent DE 197 36 212 C1 describes an x-ray tube with an evacuated housing. Arranged in the housing is a rotating anode which can be rotated via a drive device and has an anode plate which is hit by an electron beam accelerated by means of an electric field. Two identically constructed omnidirectional emitters which are tilted by the same angle diametrically to the axis of the electron beam impinging on the anode plate and which each have an electron-emitting cathode and a focusing electrode are arranged fixedly in the housing.

Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Elektronenbeschleuniger zur Verfügung zu stellen, der in der Lage ist, einen Elektronenstrahl mit einem über den Strahlquerschnitt hinweg homogenen Elektronenstrom zu erzeugen.It is an object of the invention to provide an electron accelerator which is capable of generating an electron beam with an electron current which is homogeneous across the beam cross section.

Diese Aufgabe der Erfindung wird durch einen Elektronenbeschleuniger nach Anspruch 1, eine Verwendung einer Kathodeneinheit zur Erzeugung von Elektronen in einem Elektronenbeschleuniger nach Anspruch 14 sowie durch ein Verfahren zur Erzeugung und Beschleunigung von Elektronen in einem Elektronenbeschleuniger nach Anspruch 15 gelöst. Daüber hinaus wird die Aufgabe der Erfindung durch einen Elektronenbeschleuniger nach Anspruch 16, eine Verwendung einer Kathodeneinheit zur Erzeugung von Elektronen in einem Elektronenbeschleuniger nach Anspruch 27 sowie durch ein Verfahren zur Erzeugung und Beschleunigung von Elektronen in einem Elektronenbeschleuniger nach Anspruch 28 gelöst.This object of the invention is achieved by an electron accelerator according to claim 1, a use of a cathode unit for generating electrons in an electron accelerator according to claim 14 and by a method for generating and accelerating electrons in an electron accelerator according to claim 15. Furthermore, the object of the invention is achieved by an electron accelerator according to claim 16, a use of a cathode unit for generating electrons in an electron accelerator according to claim 27 and by a method for generating and accelerating electrons in an electron accelerator according to claim 28.

Eine Kathodeneinheit für einen Elektronenbeschleuniger entsprechend den Ausführungsformen der Erfindung umfasst eine beheizbare Kathodenstruktur, die dazu ausgelegt ist, eine Raumladungswolke von freien Elektronen zu erzeugen. Außerdem umfasst die Kathodeneinheit ein Strahlbegrenzungselement mit einem Maskenloch, wobei das Strahlbegrenzungselement in Strahlrichtung des Elektronenbeschleunigers nachgeordnet zur Kathodenstruktur angeordnet ist. Dabei sind elektronenemittierende Bereiche der Kathodenstruktur in einem radialen Abstand zur Strahlachse des Elektronenbeschleunigers angeordnet, der gleich groß oder größer ist als eine maximale radiale Ausdehnung des Maskenlochs relativ zur Strahlachse.A cathode unit for an electron accelerator according to the embodiments of the invention comprises a heatable cathode structure which is designed to generate a space charge cloud of free electrons. In addition, the cathode unit comprises a beam limiting element with a mask hole, the beam limiting element being arranged downstream of the cathode structure in the beam direction of the electron accelerator. In this case, electron-emitting regions of the cathode structure are arranged at a radial distance from the beam axis of the electron accelerator that is the same size or larger than a maximum radial extent of the mask hole relative to the beam axis.

Die elektronenemittierenden Bereiche der Kathodenstruktur sind in einem radialen Abstand zur Strahlachse des Elektronenbeschleunigers angeordnet, der gleich groß oder größer ist als eine maximale radiale Ausdehnung des Maskenlochs relativ zur Strahlachse. Zur Bestimmung der maximalen radialen Ausdehnung Maskenlochs wird ausgehend von der Strahlachse die radiale Ausdehnung des Maskenlochs in allen radialen Richtungen senkrecht zur Strahlachse ermittelt, um daraus das Maximum der radialen Ausdehnung des Maskenlochs relativzur Strahlachse zu bestimmen. Die elektronenemittierenden Bereiche der Katho- denstruktur sind relativ zur Strahlachse so angeordnet, dass ihr radialer Abstand zur Strahlachse gleich groß oder größer als die maximale radiale Ausdehnung des Maskenlochs ist. Bei der Kathodeneinheit ist der Bereich um die Strahlachse innerhalb der Kathodeneinheit beispielsweise als freier Zentralbereich ausgebildet, wobei sich die elektronenemittierenden Bereiche der Kathodenstruktur nicht in diesen freien Zentralbereich hinein erstrecken. Wenn die Kathodenstruktur beheizt wird, wird durch die elektronenemittierenden Bereiche der Kathodenstruktur eine Raumladungswolke von freien Elektronen gebildet, und diese Raumladungswolke kann sich zum Beispiel in den freien Zentralbereich um die Strahlachse hinein erstrecken. Aus dieser Raumladungswolke können Elektronen beispielsweise durch das Maskenloch hindurchtreten und können dann beispielsweise durch eine Beschleunigungsspannung beschleunigt werden. Durch diesen Aufbau der Kathodeneinheit wird erreicht, dass anstatt der direkt aus dem Kathodenmaterial austretenden Elektronen Elektronen aus der Raumladungswolke zur Erzeugung des Elektronenstrahls herangezogen werden können. Würde man die Elektronen direkt vom Kathodenmaterial abziehen, so würde man etwa infolge des Spitzeneffekts oder infolge der jeweiligen spezifischen Formgebung des Kathodenmaterials einen inhomogenen Elektronenstrahl erhalten. Zieht man die Elektronen dagegen aus der diffusen Raumladungswolke ab, so erhält man einen homogenen Elektronenstrahl, dessen Strahlstrom über den gesamten Querschnitt des Elektronenstrahls hinweg konstant oder zumindest annähernd konstant ist. Unregelmäßigkeiten im Elektronenstrom werden vermieden. Ein derart homogener Elektronenstrahl hat in vielen Anwendungsbereichen Vorteile. In einem Elektronenstrahler kann durch den Einsatz eines homogenen Elektronenstrahls beispielsweise erreicht werden, dass der Strahlstrom das Elektronenaustrittsfenster gleichmäßig belastet. Beispielsweise ist es beim Beschicken eines Strahlfingers mit beschleunigten Elektronen von Vorteil, den Strahlfinger mit einem homogenen Elektronenstrahl zu beschicken, damit das Elektronenaustrittsfenster des Strahlfingers gleichmäßig belastet wird. Beispielsweise ist auch in einer Röntgenvorrichtung der Einsatz der Erfindung sinnvoll, denn es wird eine gleichmäßigere Beaufschlagung des Targets mit Elektronen erreicht.The electron-emitting regions of the cathode structure are arranged at a radial distance from the beam axis of the electron accelerator that is the same size or larger than a maximum radial extent of the mask hole relative to the beam axis. To determine the maximum radial extent of the mask hole, the radial extent of the mask hole is determined from the beam axis in all radial directions perpendicular to the beam axis in order to determine the maximum of the radial extent of the mask hole relative to the beam axis. The electron-emitting regions of the cathode structure are arranged relative to the beam axis in such a way that their radial distance from the beam axis is equal to or larger than the maximum radial extent of the mask hole. In the cathode unit, the area around the beam axis within the cathode unit is designed, for example, as a free central area, the electron-emitting areas of the cathode structure not extending into this free central area. When the cathode structure is heated, a space charge cloud of free electrons is formed by the electron-emitting regions of the cathode structure, and this space charge cloud can extend, for example, into the free central area around the beam axis. From this space charge cloud, electrons can, for example, pass through the mask hole and can then be accelerated, for example, by an acceleration voltage. This construction of the cathode unit ensures that instead of the electrons emerging directly from the cathode material, electrons from the space charge cloud can be used to generate the electron beam. If the electrons were withdrawn directly from the cathode material, an inhomogeneous electron beam would be obtained, for example, due to the peak effect or due to the specific shape of the cathode material. If, on the other hand, the electrons are withdrawn from the diffuse space charge cloud, a homogeneous electron beam is obtained, the beam current of which is constant or at least approximately constant over the entire cross section of the electron beam. Irregularities in the electron current are avoided. Such a homogeneous electron beam has advantages in many areas of application. An electron gun can be used by using a homogeneous Electron beam can be achieved, for example, that the beam current evenly loads the electron exit window. For example, when charging a beam finger with accelerated electrons, it is advantageous to charge the beam finger with a homogeneous electron beam so that the electron exit window of the beam finger is evenly loaded. For example, the use of the invention also makes sense in an X-ray device, since a more uniform exposure to electrons of the target is achieved.

Vorzugsweise sind die elektronenemittierenden Bereiche der Kathodenstruktur in einem radialen Abstand zur Strahlachse des Elektronenbeschleunigers angeordnet, der größer ist als eine maximale radiale Ausdehnung des Maskenlochs relativ zur Strahlachse. Dadurch wird sichergestellt, dass Elektronen aus der Raumladungswolke von freien Elektronen zur Bildung des Elektronenstrahls abgezogen werden.The electron-emitting regions of the cathode structure are preferably arranged at a radial distance from the beam axis of the electron accelerator that is greater than a maximum radial extent of the mask hole relative to the beam axis. This ensures that electrons are extracted from the space charge cloud by free electrons to form the electron beam.

Vorzugsweise ist innerhalb der Kathodeneinheit ein freier Zentralbereich um die Strahlachse herum vorgesehen, der sich entlang der Strahlachse in Strahlrichtung bis zum Maskenloch erstreckt, wobei sich elektronenemittierende Bereiche der Kathodenstruktur nicht in den freien Zentralbereich hinein erstrecken.A free central area around the beam axis is preferably provided within the cathode unit, which extends along the beam axis in the beam direction up to the mask hole, wherein electron-emitting areas of the cathode structure do not extend into the free central area.

Vorzugsweise ist ein geringster Durchmesser des freien Zentralbereichs in radialer Richtung größer oder gleich einem maximalen Durchmesser des Maskenlochs. Vorzugsweise ist ein geringster Durchmesser des freien Zentralbereichs in radialer Richtung größer als ein maximaler Durchmesser des Maskenlochs. Vorzugsweise ist eine Querschnittsfläche des freien Zentralbereichs größer oder gleich der Querschnittsfläche des Maskenlochs. Vorzugsweise ist eine Querschnittsfläche des freien Zentralbereichs größer als die Querschnittsfläche des Maskenlochs. Vorzugsweise umfasst der freie Zentralbereich zumindest eine Projektion des Maskenlochs entlang der Strahlachse.A smallest diameter of the free central region is preferably greater than or equal to a maximum diameter of the mask hole in the radial direction. A smallest diameter of the free central region is preferably larger in the radial direction than a maximum diameter of the mask hole. A cross-sectional area of the free central region is preferably greater than or equal to the cross-sectional area of the mask hole. A cross-sectional area of the free central region is preferably larger than the cross-sectional area of the mask hole. The free central area preferably comprises at least one projection of the mask hole along the beam axis.

Vorzugsweise sind elektronenemittierende Bereiche der Kathodenstruktur vollständig außerhalb des freien Zentralbereichs angeordnet. Vorzugsweise ist die Kathodenstruktur in einem Randbereich der Kathodeneinheit radial außerhalb des freien Zentralbereichs angeordnet. Vorzugsweise ist die Kathodenstruktur in einem ringförmigen Zwischenraum zwischen dem freien Zentralbereich und einer Außenwandung der Kathodeneinheit angeordnet.Electron-emitting regions of the cathode structure are preferably arranged completely outside the free central region. The cathode structure is preferably arranged in an edge region of the cathode unit radially outside the free central region. The cathode structure is preferably arranged in an annular space between the free central area and an outer wall of the cathode unit.

Vorzugsweise sind elektronenemittierende Bereiche der Kathodenstruktur von einem beliebigen Punkt des Elektronenstrahls aus oder von einem Strahlfleck des Elektronenstrahls aus nicht einsehbar.Electron-emitting regions of the cathode structure are preferably not visible from any point on the electron beam or from a beam spot of the electron beam.

Vorzugsweise ist die Kathodenstruktur dazu ausgebildet, eine Raumladungswolke von freien Elektronen zu erzeugen, die sich zumindest zum Teil in den freien Zentralbereich hinein erstreckt.The cathode structure is preferably designed to generate a space charge cloud of free electrons that extends at least partially into the free central region.

Vorzugsweise ist das Maskenloch dazu ausgelegt, eine Kontur des Elektronenstrahls zu definieren.The mask hole is preferably designed to define a contour of the electron beam.

Vorzugsweise sind durch das Maskenloch hindurchtretende Elektronen in Strahlrichtung beschleunigbar.Electrons passing through the mask hole can preferably be accelerated in the beam direction.

Vorzugsweise umfasst die Kathodeneinheit einen Wehneltzylinder, wobei eine Frontfläche des Wehneltzylinders das Strahlbegrenzungselement bildet und eine Wehneltbohrung des Wehneltzylinders das Maskenloch bildet.The cathode unit preferably comprises a Wehnelt cylinder, a front surface of the Wehnelt cylinder forming the beam limiting element and a Wehnelt bore of the Wehnelt cylinder forming the mask hole.

Vorzugsweise umfasst die Kathodeneinheit einen Wehneltzylinder, der zusätzlich zu dem Strahlbegrenzungselement vorgesehen ist und dem Strahlbegrenzungselement in Strahlrichtung nachgeordnet angeordnet ist.The cathode unit preferably comprises a Wehnelt cylinder, which is provided in addition to the beam limiting element and is arranged downstream of the beam limiting element in the beam direction.

Vorzugsweise ist die Kathodenstruktur im Zwischenraum zwischen dem freien Zentralbereich und einer Mantelfläche des Wehneltzylinders angeordnet.The cathode structure is preferably arranged in the space between the free central area and a lateral surface of the Wehnelt cylinder.

Vorzugsweise ruft der Wehneltzylinder durch seine Formgebung einen Feldlinienverlauf hervor, der die Elektronen bündelt und zur Strahlachse hin lenkt.The shape of the Wehnelt cylinder preferably causes a field line profile that bundles the electrons and directs them towards the beam axis.

Vorzugsweise ist der Wehneltzylinder mittels einer Wehneltspannung auf ein definiertes Potential relativ zur Kathodenstruktur bringbar, wobei durch die Wehneltspannung ein Strahlstrom der durch die Wehneltbohrung tretenden Elektronen einstellbar ist. Das Potential des Wehneltzylinders kann positiv oder negativ sein. Vorzugsweise kann der Wehneltzylinder mit dem Kathodenpotential verbunden sein.The Wehnelt cylinder can preferably be brought to a defined potential relative to the cathode structure by means of a Wehnel voltage, wherein a beam current of the electrons passing through the Wehnelt bore can be set by the Wehnel voltage. The potential of the Wehnelt cylinder can be positive or negative. The Wehnelt cylinder can preferably be connected to the cathode potential.

Vorzugsweise ist die Formgebung des Wehneltzylinders so ausgebildet, dass in Strahlrichtung nachgeordnet zur Kathodeneinheit vor oder nach der Anode ein Crossover auftritt.The shape of the Wehnelt cylinder is preferably designed such that a crossover occurs downstream or downstream of the anode in the beam direction.

Vorzugsweise ist die Formgebung des Wehneltzylinders so ausgebildet, dass in Strahlrichtung vorgeordnet zum Strahlbegrenzungselement ein virtueller Crossover auftritt. Damit entsteht kein Crossover im weiteren Strahlverlauf.The shape of the Wehnelt cylinder is preferably designed such that a virtual crossover occurs upstream of the beam limiting element. This means that there is no crossover in the further beam path.

Vorzugsweise handelt es sich bei der Kathodenstruktur um eine direkt oder indirekt heizbare Kathodenstruktur.The cathode structure is preferably a directly or indirectly heatable cathode structure.

Vorzugsweise sind zumindest Bereiche der Kathodenstruktur aus einem Material mit vergleichsweise niedriger Austrittsarbeit gebildet. Vorzugsweise sind zumindest Bereiche der Kathodenstruktur aus einem von Wolfram, Molybdän, Lanthanborid, einem Carbid oder einem Oxyd gebildet. Vorzugsweise ist die Kathodenstruktur aus mindestens einem von Draht, Band, Blech ausgebildet. At least regions of the cathode structure are preferably formed from a material with a comparatively low work function. At least regions of the cathode structure are preferably formed from one of tungsten, molybdenum, lanthanum boride, a carbide or an oxide. The cathode structure is preferably formed from at least one of wire, strip, sheet metal.

Vorzugsweise ist die Kathodenstruktur in Form eines Zylindermantels oder eines Kegelstumpfmantels oder eines Rohrs oder einer Röhre ausgebildet, wobei der Zylindermantel, der Kegelstumpfmantel, das Rohr oder die Röhre die Strahlachse umschließt, und wobei die Symmetrieachse des Zylindermantels, des Kegelstumpfmantels, des Rohrs oder der Röhre in Richtung der Strahlachse ausgerichtet ist.The cathode structure is preferably in the form of a cylinder jacket or a truncated cone jacket or a tube or a tube, the cylinder jacket, the truncated cone jacket, the tube or the tube enclosing the beam axis, and the axis of symmetry of the cylinder jacket, the truncated cone jacket, the tube or the tube is aligned in the direction of the beam axis.

Vorzugsweise ist die Kathodenstruktur als um die Strahlachse in einem radialen Mindestabstand angeordneter Drahtwendel oder als um die Strahlachse in einem radialen Mindestabstand angeordnete Gitterstruktur oder als um die Strahlachse in einem radialen Mindestabstand angeordnete mäanderförmige Struktur ausgebildet.The cathode structure is preferably designed as a wire helix arranged around the beam axis at a radial minimum distance or as a grid structure arranged around the beam axis at a radial minimum distance or as a meandering structure arranged around the beam axis at a radial minimum distance.

Vorzugsweise umfasst die Kathodenstruktur mindestens einen Ring, der die Strahlachse umschließt. Vorzugsweise ist die Symmetrieachse des mindestens einen Rings im Wesentlichen in Richtung der Strahlachse ausgerichtet. Vorzugsweise umfasst die Kathodenstruktur mehrere Ringe, die die Strahlachse umschließen und in Strahlrichtung hintereinander angeordnet sind. Vorzugsweise sind die entlang der Strahlachse angeordneten Ringe mit unterschiedlichen Spannungen verbunden. Auf diese Weise kann entlang der Strahlachse ein Potentialverlauf vorgegeben werden. Über diesen Potentialverlauf ist es möglich, die Form und die Lage der entstehenden Raumladungswolke von freien Elektronen zu beeinflussen. Vorzugsweise sind die Symmetrieachsen der Ringe im Wesentlichen in Richtung der Strahlachse ausgerichtet.The cathode structure preferably comprises at least one ring which encloses the beam axis. The axis of symmetry of the at least one ring is preferably oriented essentially in the direction of the beam axis. The cathode structure preferably comprises a plurality of rings which enclose the beam axis and are arranged one behind the other in the beam direction. The rings arranged along the beam axis are preferably connected to different voltages. In this way, a potential profile can be specified along the beam axis. This shape of the potential makes it possible to influence the shape and position of the resulting space charge cloud of free electrons. The axes of symmetry of the rings are preferably aligned essentially in the direction of the beam axis.

Vorzugsweise umfasst die Kathodenstruktur mehrere parallel zur Strahlachse und radial beabstandet zur Strahlachse in Längsrichtung verlaufende elektronenemittierende Strukturen.The cathode structure preferably comprises a plurality of electron-emitting structures running parallel to the beam axis and radially spaced apart from the beam axis.

Ein Elektronenbeschleuniger entsprechend den Ausführungsformen der Erfindung ist dazu ausgelegt, einen Elektronenstrahl zu erzeugen. Der Elektronenbeschleuniger umfasst eine Kathodeneinheit mit einer beheizbaren Kathodenstruktur, die dazu ausgelegt ist, eine Raumladungswolke von freien Elektronen zu erzeugen, sowie ein Strahlbegrenzungselement mit einem Maskenloch. Das Strahlbegrenzungselement ist in Strahlrichtung des Elektronenbeschleunigers nachgeordnet zur Kathodenstruktur angeordnet. Der Elektronenbeschleuniger umfasst außerdem eine Anode, die in Strahlrichtung beabstandet zu dem Strahlbegrenzungselement angeordnet ist, wobei Elektronen aus der Raumladungswolke zwischen der Kathodeneinheit und der Anode beschleunigbar sind. Dabei sind elektronenemittierende Bereiche der Kathodenstruktur in einem radialen Abstand zur Strahlachse des Elektronenbeschleunigers angeordnet, der gleich groß oder größer ist als eine maximale radiale Ausdehnung des Maskenlochs relativ zur Strahlachse.An electron accelerator according to the embodiments of the invention is designed to generate an electron beam. The electron accelerator comprises a cathode unit with a heatable cathode structure, which is designed to generate a space charge cloud of free electrons, and a beam limiting element with a mask hole. The beam limiting element is arranged downstream of the cathode structure in the beam direction of the electron accelerator. The electron accelerator also comprises an anode which is arranged at a distance from the beam limiting element in the beam direction, electrons from the space charge cloud between the cathode unit and the anode being accelerable. In this case, electron-emitting regions of the cathode structure are arranged at a radial distance from the beam axis of the electron accelerator that is the same size or larger than a maximum radial extent of the mask hole relative to the beam axis.

Vorzugsweise umfasst der Elektronenbeschleuniger eine Spannungsquelle, die dazu ausgelegt ist, eine Beschleunigungsspannung zu erzeugen, die zwischen die Kathodeneinheit und die Anode anlegbar ist.The electron accelerator preferably comprises a voltage source which is designed to generate an acceleration voltage which can be applied between the cathode unit and the anode.

Vorzugsweise handelt es sich bei dem Elektronenbeschleuniger um einen Linearbeschleuniger.The electron accelerator is preferably a linear accelerator.

Vorzugsweise sind durch das Maskenloch hindurchtretende Elektronen in Strahlrichtung beschleunigbar. Vorzugsweise sind durch das Maskenloch hindurchtretende Elektronen zwischen der Kathodeneinheit und der Anode beschleunigbar.Electrons passing through the mask hole can preferably be accelerated in the beam direction. Electrons passing through the mask hole can preferably be accelerated between the cathode unit and the anode.

Vorzugsweise herrscht innerhalb des Elektronenbeschleunigers ein Vakuum im Bereich von 10^-5 bis 10^-8 mbar.There is preferably a vacuum in the range from 10 ^-5 to 10 ^-8 mbar within the electron accelerator.

Vorzugsweise ist die Anode als Lochanode ausgebildet und weist ein Anodenloch auf, durch das die beschleunigten Elektronen hindurchtreten.The anode is preferably designed as a hole anode and has an anode hole through which the accelerated electrons pass.

Vorzugsweise umfasst der Elektronenbeschleuniger ein Elektronenaustrittsfenster, das an der Anode oder in Strahlrichtung nachgeordnet zur Anode angeordnet ist.The electron accelerator preferably comprises an electron exit window which is arranged on the anode or downstream of the anode in the beam direction.

Vorzugsweise umfasst der Elektronenbeschleuniger mindestens einen Strahlfinger, wobei der Elektronenbeschleuniger dazu ausgelegt ist, den mindestens einen Strahlfinger mit beschleunigten Elektronen zu beschicken. Vorzugsweise ist an dem Elektronenbeschleuniger mindestens ein Strahlfinger angeformt oder angebracht, wobei der Elektronenbeschleuniger dazu ausgelegt ist, den mindestens einen Strahlfinger mit beschleunigten Elektronen zu beschicken. Vorzugsweise umfasst der Strahlfinger eine an einem ersten Ende des Strahlfingers angeordnete Eintrittsöffnung und ein am entgegengesetzten Ende zur Eintrittsöffnung angeordnetes Elektronenaustrittsfenster. Vorzugsweise ist der Elektronenbeschleuniger dazu ausgelegt, den Strahlfinger über die Eintrittsöffnung mit beschleunigten Elektronen zu beschicken, welche den Strahlfinger durchlaufen und durch das Elektronenaustrittsfenster hindurch aus dem Strahlfinger nach außen treten.The electron accelerator preferably comprises at least one beam finger, the electron accelerator being designed to charge the at least one beam finger with accelerated electrons. At least one beam finger is preferably molded or attached to the electron accelerator, the electron accelerator being designed to feed the at least one beam finger with accelerated electrons. The beam finger preferably comprises an entry opening arranged at a first end of the beam finger and an electron exit window arranged at the opposite end to the entry opening. The electron accelerator is preferably designed to charge the beam finger with accelerated electrons via the inlet opening, which pass through the beam finger and exit the beam finger through the electron exit window.

Vorzugsweise ist der Elektronenbeschleuniger Teil einer Röntgenröhre oder einer Röntgenvorrichtung. The electron accelerator is preferably part of an X-ray tube or an X-ray device.

Vorzugsweise handelt es sich bei der Anode um eine Röntgenanode mit einem auf der Anode angeordneten Targetmaterial zur Erzeugung von Röntgenstrahlung.The anode is preferably an X-ray anode with a target material arranged on the anode for generating X-ray radiation.

Vorzugsweise ist im Elektronenbeschleuniger ein Überwachungsfenster vorgesehen, das in Strahlrichtung vorgelagert zur Kathodeneinheit angeordnet ist und durch den freien Zentralbereich der Kathodenstruktur hindurch eine Inspektion ermöglicht. Falls der Elektronenbeschleuniger beispielsweise ein Elektronenaustrittsfenster aufweist, kann von dem Überwachungsfenster aus beispielsweise der Auftreffbereich der beschleunigten Elektronen auf dem Elektronenaustrittsfenster überwacht werden. Beispielsweise können vom Überwachungsfenster aus Pinholes, Beschädigungen oder undichte Stellen des Elektronenaustrittsfensters erkannt werden. Darüber hinaus kann von dem Überwachungsfenster aus beispielsweise eine thermische Belastung des Elektronenaustrittsfensters erfasst werden. Falls der Elektronenbeschleuniger Teil einer Röntgenvorrichtung oder einer Röntgenröhre ist, kann von dem Überwachungsfenster aus beispielsweise der Brennfleck auf einem Target eingesehen werden.A monitoring window is preferably provided in the electron accelerator, which is arranged upstream of the cathode unit in the beam direction and enables an inspection through the free central area of the cathode structure. If, for example, the electron accelerator has an electron exit window, the impact area of the accelerated electrons on the electron exit window can be monitored from the monitoring window, for example. For example, pinholes, damage or leaks in the electron exit window can be detected from the monitoring window. In addition, a thermal load on the electron exit window can be detected from the monitoring window, for example. If the electron accelerator is part of an X-ray device or an X-ray tube, the focal spot on a target can be viewed from the monitoring window, for example.

Ein Verfahren entsprechend den Ausführungsformen der Erfindung dient zur Erzeugung und Beschleunigung von Elektronen in einem Elektronenbeschleuniger. Der Elektronenbeschleuniger umfasst eine Kathodeneinheit mit einer beheizbaren Kathodenstruktur, die dazu ausgelegt ist, eine Raumladungswolke von freien Elektronen zu erzeugen, sowie ein Strahlbegrenzungselement mit einem Maskenloch, wobei das Strahlbegrenzungselement in Strahlrichtung des Elektronenbeschleunigers nachgeordnet zur Kathodenstruktur angeordnet ist. Darüber hinaus umfasst der Elektronenbeschleuniger eine Anode, die in Strahlrichtung beabstandet zu dem Strahlbegrenzungselement angeordnet ist. Dabei sind elektronenemittierende Bereiche der Kathodenstruktur in einem radialen Abstand zur Strahlachse des Elektronenbeschleunigers angeordnet, der gleich groß oder größer ist als eine maximale radiale Ausdehnung des Maskenlochs relativ zur Strahlachse. Das Verfahren umfasst das Erzeugen einer Raumladungswolke von freien Elektronen durch die Kathodenstruktur, sowie das Beschleunigen von Elektronen aus der Raumladungswolke zwischen der Kathodeneinheit und der Anode.A method according to the embodiments of the invention is used to generate and accelerate electrons in an electron accelerator. The electron accelerator comprises a cathode unit with a heatable cathode structure, which is designed to generate a space charge cloud of free electrons, and a beam limiting element with a mask hole, the beam limiting element being arranged downstream of the cathode structure in the beam direction of the electron accelerator. In addition, the electron accelerator comprises an anode which is arranged at a distance from the beam limiting element in the beam direction. In this case, electron-emitting regions of the cathode structure are arranged at a radial distance from the beam axis of the electron accelerator that is the same size or larger than a maximum radial extent of the mask hole relative to the beam axis. The method includes generating a space charge cloud of free electrons through the cathode structure and accelerating electrons from the space charge cloud between the cathode unit and the anode.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand mehrerer in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele weiter beschrieben. Es zeigen:

1 einen Linearbeschleuniger, der eine Kathodeneinheit mit einem Wehneltzylinder umfasst;
2a einen Strahlfleck einer Spiralkathode;
2b eine Verteilung des Elektronenstroms entlang einer Schnittlinie durch den in 2a gezeigten Strahlfleck;
3 einen Linearbeschleuniger mit einer Kathodeneinheit, die dazu ausgebildet ist, einen Elektronenstrahl mit homogenem Elektronenstrom zu erzeugen;
4 eine Querschnittsdarstellung einer Kathodenstruktur;
5a einen von einem Linearbeschleuniger der in 3 gezeigten Art erzeugten Strahlfleck;
5b eine Verteilung des Elektronenstroms entlang einer Schnittlinie durch den in 5a gezeigten Strahlfleck;
6a bis 6f verschiedene Beispiele von Kathodenstrukturen, die um einen freien Zentralbereich angeordnet sind;
7a eine Elektronenstrahlröhre mit einem daran angebrachten Strahlfinger;
7b eine Ausschnittsvergrößerung der Elektronenstrahlröhre von 7a;
8 ein alternatives Beispiel einer Elektronenstrahlröhre mit einem daran angebrachten Strahlfinger, welcher über ein rückwärtiges Fenster eine Inspektion des Elektronenaustrittsfensters ermöglicht; und
9 eine Röntgenröhre mit einem Linearbeschleuniger, der zur Erzeugung eines homogenen Elektronenstrahls ausgebildet ist.

The invention is further described below with reference to several exemplary embodiments shown in the drawing. Show it:

1 a linear accelerator comprising a cathode unit with a Wehnelt cylinder;
2a a beam spot of a spiral cathode;
2 B a distribution of the electron current along a section line through the in 2a shown beam spot;
3rd a linear accelerator with a cathode unit, which is designed to generate an electron beam with a homogeneous electron current;
4th a cross-sectional view of a cathode structure;
5a one from a linear accelerator in 3rd shown type generated beam spot;
5b a distribution of the electron current along a section line through the in 5a shown beam spot;
6a to 6f various examples of cathode structures arranged around a free central area;
7a an electron beam tube with a beam finger attached thereto;
7b an enlarged detail of the electron beam tube from 7a ;
8th an alternative example of an electron beam tube with an attached beam finger, which allows an inspection of the electron exit window via a rear window; and
9 an X-ray tube with a linear accelerator, which is designed to generate a homogeneous electron beam.

In 1 ist ein Linearbeschleuniger entsprechend dem Stand der Technik gezeigt, der dazu ausgelegt ist, einen Strahl von beschleunigten Elektronen zu erzeugen. Der Linearbeschleuniger 1 umfasst eine Kathodeneinheit 2 mit einer Kathode 3 zur Erzeugung freier Elektronen. Vorzugsweise ist die Kathode 3 als Heißkathode ausgebildet. Die Kathode 3 kann in einer Vielzahl von unterschiedlichen Formen ausgebildet sein, beispielsweise als Drahtkathode, Wendelkathode, Spitzkathode, Ringkathode, Spiralkathode, Bandkathode, Bolzenkathode, etc. Zur Erzeugung einer Wolke von freien Elektronen wird die Kathode 3 beheizt, wobei die Beheizung der Kathode 3 entweder direkt durch einen durch die Kathode 3 fließenden Strom oder indirekt über ein zusätzliches Heizelement erfolgen kann.In 1 shows a linear accelerator according to the prior art, which is designed to generate a beam of accelerated electrons. The linear accelerator 1 comprises a cathode unit 2nd with a cathode 3rd to generate free electrons. The cathode is preferred 3rd designed as a hot cathode. The cathode 3rd can be formed in a variety of different forms, for example as a wire cathode, spiral cathode, pointed cathode, ring cathode, spiral cathode, ribbon cathode, bolt cathode, etc. The cathode is used to generate a cloud of free electrons 3rd heated, heating the cathode 3rd either directly through one through the cathode 3rd flowing current or indirectly via an additional heating element.

Bei der in 1 gezeigten Ausführungsform liegt an den Anschlüssen der Kathode 3 eine Heizspannung U_H an, die einen Stromfluss durch die Kathode 3 erzeugt und die Kathode 3 so auf die zur Erzeugung von freien Elektronen benötigte Temperatur von über 2000° C aufheizt. In der Regel wird eine Heizspannung U_H in der Größenordnung von einigen Volt eingesetzt. Das Material für die Kathode 3 sollte vorzugsweise eine vergleichsweise geringe Austrittsarbeit Φ aufweisen, um die Kathode 3 nicht auf allzu hohe Temperaturen aufheizen zu müssen. Als Materialien für die Kathode 3 können beispielsweise Wolfram, Lanthanborid (LaB₆) oder Molybdän verwendet werden, wobei Wolfram beispielsweise eine Austrittsarbeit von 4,5 Elektronenvolt aufweist. Die in 1 gezeigte Kathodeneinheit 2 umfasst außerdem als zusätzliche Steuerelektrode einen sogenannten Wehneltzylinder 4. Der Wehneltzylinder 4 ist in Richtung des Strahlpfads betrachtet nachgeordnet zur Kathode 3 vorgesehen und weist ein zentral angeordnetes Maskenloch 5 auf, durch das die von der Kathode 3 erzeugten Elektronen hindurchtreten. Der Durchmesser D des Maskenlochs 5 kann beispielsweise im Bereich zwischen etwa 0,5 mm bis 10 mm liegen. Der Wehneltzylinder 4 weist eine stirnseitige Wandung auf, die im Bereich um das Maskenloch 5 eine Dicke S1 zwischen beispielsweise 0,05 mm und 10 mm aufweisen kann. Der Wehneltzylinder 4 ist dazu ausgelegt, die Elektronen des Elektronenstrahls 6 in Richtung zur Strahlachse 7 hin zu lenken. Darüber hinaus kann mittels des Wehneltzylinders 4 die Intensität des Elektronenstrahls geregelt werden. Der Wehneltzylinder 4 wird relativ zur Kathodeneinheit 2 auf ein definiertes elektrisches Potential gelegt, wobei hierzu zwischen die Kathodeneinheit 2 und den Wehneltzylinder 4 eine Wehneltspannung Uw angelegt wird. In der Regel wird der Wehneltzylinder 4 relativ zur Kathodeneinheit 2 auf ein negatives Potential gelegt, so dass die Elektronen, die durch das Maskenloch 5 hindurchfliegen, hierzu ein abstoßendes Potential überwinden müssen. Insofern kann durch Variieren der Wehneltspannung Uw der Strahlstrom eingestellt werden.At the in 1 The embodiment shown lies on the connections of the cathode 3rd a heating voltage U _H , which indicates a current flow through the cathode 3rd generated and the cathode 3rd so to the Generation of free electrons heated temperature of over 2000 ° C. As a rule, a heating voltage U _{H of} the order of a few volts is used. The material for the cathode 3rd should preferably have a comparatively low work function Φ around the cathode 3rd not having to heat up to high temperatures. As materials for the cathode 3rd For example, tungsten, lanthanum boride (LaB ₆ ) or molybdenum can be used, with tungsten, for example, having a work function of 4.5 electron volts. In the 1 shown cathode unit 2nd also includes a so-called Wehnelt cylinder as an additional control electrode 4th . The Wehnelt cylinder 4th is viewed downstream of the cathode in the direction of the beam path 3rd provided and has a centrally arranged mask hole 5 on through which the from the cathode 3rd generated electrons pass through. The diameter D of the mask hole 5 can be, for example, in the range between approximately 0.5 mm to 10 mm. The Wehnelt cylinder 4th has an end wall that is in the area around the mask hole 5 a thickness S1 can have between, for example, 0.05 mm and 10 mm. The Wehnelt cylinder 4th is designed to hold the electrons of the electron beam 6 towards the beam axis 7 to steer. In addition, using the Wehnelt cylinder 4th the intensity of the electron beam can be regulated. The Wehnelt cylinder 4th becomes relative to the cathode unit 2nd placed on a defined electrical potential, for this purpose between the cathode unit 2nd and the Wehnelt cylinder 4th a Wehnelt voltage Uw is applied. As a rule, the Wehnelt cylinder 4th relative to the cathode unit 2nd placed on a negative potential so that the electrons passing through the mask hole 5 fly through, have to overcome a repulsive potential. In this respect, the beam current can be adjusted by varying the Wehnelt voltage Uw.

Die eigentliche Beschleunigung der Elektronen erfolgt auf der Beschleunigungsstrecke zwischen dem Wehneltzylinder 4 und der Anode 8. Zur Beschleunigung der Elektronen wird eine Beschleunigungsspannung U_B in der Größenordnung von 30 kV bis 400 kV zwischen die Kathodeneinheit 2 und die Anode 8 angelegt, so dass sich zwischen dem Wehneltzylinder 4 und der Anode 8 eine zur Beschleunigung der Elektronen geeignete Potentialdifferenz ergibt. Um bei der Beschleunigung der Elektronen Stöße mit Gasmolekülen zu vermeiden, herrscht innerhalb des Bereichs, in dem die Elektronen erzeugt und beschleunigt werden, ein Vakuum. Vorzugsweise wird ein Vakuum im Bereich von 10^-5 bis 10^-8 mbar verwendet. Aufgrund der hohen Beschleunigungsspannung ergibt sich bei Linearbeschleunigern des in 1 gezeigten Typs eine erhebliche Strahlleistung. Beispielsweise erhält man bei einer Beschleunigungsspannung von 200 kV und einem Strahlstrom von 200 mA eine Strahlleistung in der Größenordnung von ca. 40 kW.The actual acceleration of the electrons takes place on the acceleration path between the Wehnelt cylinder 4th and the anode 8th . To accelerate the electrons, an acceleration voltage U _{B of} the order of 30 kV to 400 kV is applied between the cathode unit 2nd and the anode 8th created so that between the Wehnelt cylinder 4th and the anode 8th results in a potential difference suitable for accelerating the electrons. In order to avoid collisions with gas molecules when accelerating the electrons, there is a vacuum within the area in which the electrons are generated and accelerated. A vacuum in the range from 10 ^-5 to 10 ^-8 mbar is preferably used. Due to the high acceleration voltage in linear accelerators the in 1 shown type a significant beam power. For example, with an acceleration voltage of 200 kV and a beam current of 200 mA, a beam power of around 40 kW is obtained.

Wie anhand von 1 erkennbar ist, werden die Äquipotentialflächen 9 des elektrischen Beschleunigungsfeldes durch die Anwesenheit des Wehneltzylinders 4 in charakteristischer Weise verformt. Infolge dieser Krümmung der Äquipotentialflächen 9 werden die durch das Maskenloch 5 hindurchtretenden Elektronen in Richtung zur Strahlachse 7 hin gelenkt. In Abhängigkeit vom Verlauf der Feldlinien und Äquipotentialflächen des elektrischen Feldes werden die Elektronen mehr oder weniger stark zur Strahlachse 7 hin gelenkt, wobei wahlweise ein konvergenter oder divergenter Strahlverlauf des Elektronenstrahls 6 vorgegeben werden kann. Auf diese Weise kann über die Form und das Potential des Wehneltzylinders 4 der Verlauf des Elektronenstrahls 6 vorgegeben werden. Gemäß einer ersten Möglichkeit kann der Feldlinienverlauf beispielsweise so gewählt werden, dass der Elektronenstrahl 6 entweder vor oder nach der Anode 8 einen Crossover 11 aufweist. Alternativ dazu können die Feldlinien so ausgebildet sein, dass im Strahlverlauf vom Wehneltzylinder bis zum Auftreffpunkt kein Crossover gebildet wird. In diesem Fall ergibt sich ein virtueller Crossover, das heißt, der Crossover liegt innerhalb der Kathode oder noch hinter der Kathode. In diesem Fall ist der Strahlverlauf bis zum Auftreffpunkt ausschließlich divergent.As with 1 is recognizable, the equipotential surfaces 9 of the electrical acceleration field due to the presence of the Wehnelt cylinder 4th deformed in a characteristic way. As a result of this curvature of the equipotential surfaces 9 through the mask hole 5 passing electrons in the direction of the beam axis 7 directed there. Depending on the course of the field lines and equipotential surfaces of the electric field, the electrons become more or less the axis of the beam 7 directed towards, optionally a convergent or divergent beam path of the electron beam 6 can be specified. In this way, the shape and potential of the Wehnelt cylinder 4th the course of the electron beam 6 be specified. According to a first possibility, the field line course can be selected, for example, so that the electron beam 6 either before or after the anode 8th a crossover 11 having. Alternatively, the field lines can be designed such that no crossover is formed in the beam path from the Wehnelt cylinder to the point of impact. In this case there is a virtual crossover, that is to say the crossover lies within the cathode or even behind the cathode. In this case, the beam path is only divergent up to the point of impact.

Die Elektronen werden aus der direkt oder indirekt aufgeheizten Kathode 3 über das durch die angelegte Hochspannung erzeugte elektrostatische Feld abgezogen. Dabei hat man vom Elektronenstrahl 6 beziehungsweise vom Auftreffpunkt der Elektronen aus direkte „Sicht“ auf die Kathode 3. Vom Elektronenstrahl 6 beziehungsweise vom Auftreffpunkt der Elektronen aus betrachtet ist die Kathodenoberfläche sichtbar. Bei der in 1 gezeigten Kathodeneinheit 2 treten die Elektronen an verschiedenen Stellen der emittierenden Oberfläche der Kathode 3 aus. Dabei ist es möglich, dass an unterschiedlichen Stellen der emittierenden Oberfläche der Kathode 3 mehr oder weniger Elektronen pro Zeiteinheit emittiert werden, wobei die Unterschiede in der Elektronenemission bis zu einem Mehrfachen der durchschnittlichen Elektronendichte des Strahlflecks betragen können. Die räumliche Emissionscharakteristik an der Kathode wird über den Strahlengang auf den Strahlfleck abgebildet. Daher ist es möglich, dass am Strahlfleck ein Abbild der Kathodenform entsteht.The electrons are generated from the directly or indirectly heated cathode 3rd subtracted from the electrostatic field generated by the applied high voltage. You have the electron beam 6 or from the point of impact of the electrons from a direct “view” of the cathode 3rd . From the electron beam 6 or viewed from the point of impact of the electrons, the cathode surface is visible. At the in 1 shown cathode unit 2nd the electrons occur at different locations on the emitting surface of the cathode 3rd out. It is possible that at different points on the emitting surface of the cathode 3rd more or fewer electrons are emitted per unit of time, and the differences in the electron emission can be up to a multiple of the average electron density of the beam spot. The spatial emission characteristic at the cathode is mapped onto the beam spot via the beam path. It is therefore possible that an image of the cathode shape is formed on the beam spot.

In 2a ist als Beispiel ein Strahlfleck 12 einer Spiralkathode gezeigt, wobei der Strahlfleck 12 ein Abbild der Spiralkathode liefert. Insbesondere entspricht die Verteilung des Elektronenstroms im Strahlfleck 12 der Emissionscharakteristik der Spiralkathode. In 2a ist eine Schnittlinie A-A durch den Strahlfleck 12 eingezeichnet, wobei in 2b die Verteilung 13 des Elektronenstroms entlang der Schnittlinie A-A aufgetragen ist. Es ist zu erkennen, dass der Elektronenstrom entsprechend dem Spiralmuster variiert, wobei die Verteilung 13 des Elektronenstroms charakteristische Maxima und Minima aufweist. Für viele Anwendungen ist eine inhomogene Verteilung des Strahlstroms jedoch nachteilig, weil die inhomogene Stromverteilung insbesondere an den Maxima zu hohen Spitzenbelastungen führt. Erwünscht wäre vielmehr ein Elektronenstrahl, der über den gesamten Strahlquerschnitt hinweg eine im Wesentlichen homogene Strahlstromdichte aufweist.In 2a is a beam spot as an example 12th shown a spiral cathode, the beam spot 12th provides an image of the spiral cathode. In particular, the distribution of the electron current in the beam spot corresponds 12th the emission characteristics of the spiral cathode. In 2a is a section line AA through the beam spot 12th drawn in, in 2 B the distribution 13 of the electron current is plotted along the section line AA. It can be seen that the electron current varies according to the spiral pattern, with the distribution 13 characteristic maxima and minima of the electron current. However, an inhomogeneous distribution of the beam current is disadvantageous for many applications because the inhomogeneous current distribution leads to high peak loads, particularly at the maxima. Rather, an electron beam would be desirable which has an essentially homogeneous beam current density over the entire beam cross section.

Bei dem in 1 gezeigten Linearbeschleuniger weist die Anode 8 ein Anodenloch 10 auf, wobei der Strahl 6 von beschleunigten Elektronen durch das Anodenloch 10 hindurchtritt. Der Durchmesser des Anodenlochs 10 ist vorzugsweise von ähnlicher Größe oder etwas größer als der Durchmesser D des Maskenlochs 5. Beispielsweise kann der Durchmesser des Anodenlochs 10 im Bereich zwischen etwa 0,5 mm bis 10 mm liegen. Der Abstand zwischen der Stirnfläche des Wehneltzylinders 4 und der Anode 8 kann beispielsweise ca. 50 mm betragen.At the in 1 Linear accelerator shown has the anode 8th an anode hole 10th on, the beam 6 of accelerated electrons through the anode hole 10th passes through. The diameter of the anode hole 10th is preferably of similar size or slightly larger than the diameter D of the mask hole 5 . For example, the diameter of the anode hole 10th are in the range between about 0.5 mm to 10 mm. The distance between the end face of the Wehnelt cylinder 4th and the anode 8th can be approximately 50 mm, for example.

Nach dem Durchtritt durch das Anodenloch 10 kann der Strahl 6 von beschleunigten Elektronen beispielsweise mittels eines Elektronenaustrittsfensters aus der Beschleunigereinheit ausgekoppelt werden. Dabei können als Elektronenaustrittsfenster beispielsweise dünne Folien mit einer Dicke im Bereich zwischen 5 µm und 20 µm eingesetzt werden, beispielsweise dünne Folien aus Titan oder aus HOPG (Highly Oriented Pyrolytic Graphite, hochgeordneter pyrolytischer Graphit).After passing through the anode hole 10th can the beam 6 of accelerated electrons can be coupled out of the accelerator unit, for example by means of an electron exit window. For example, thin foils with a thickness in the range between 5 μm and 20 μm can be used as the electron exit window, for example thin foils made of titanium or HOPG (highly oriented pyrolytic graphite, highly ordered pyrolytic graphite).

Ein Linearbeschleuniger der in 1 gezeigten Art kann alternativ dazu als Teil einer Röntgenröhre ausgebildet sein. In diesem Fall würde der Elektronenstrahl 6 innerhalb des Vakuumbereichs auf ein Röntgentarget gelenkt werden, wobei beim Aufprall der beschleunigten Elektronen auf dem Röntgentarget eine Röntgenstrahlung erzeugt wird.A linear accelerator in 1 the type shown can alternatively be formed as part of an X-ray tube. In this case, the electron beam 6 be directed onto an X-ray target within the vacuum range, X-ray radiation being generated when the accelerated electrons impact the X-ray target.

In 3 ist ein Linearbeschleuniger zur Beschleunigung von Elektronen gezeigt, mit dem sich der Nachteil eines über den Strahlquerschnitt hinweg inhomogenen Strahlstroms überwinden lässt. Der in 3 gezeigte Linearbeschleuniger 14 ist dazu ausgelegt, einen Elektronenstrahl 15 mit über den Strahlquerschnitt hinweg im Wesentlichen homogenem Elektronenstrom zu erzeugen. Der Linearbeschleuniger 14 umfasst eine Kathodeneinheit 16 mit einer Kathodenstruktur 17 und einem Wehneltzylinder 18, wobei der Wehneltzylinder 18 in Strahlrichtung betrachtet nach der Kathodenstruktur 17 angeordnet ist. Die stirnseitige Wandung des Wehneltzylinders 18 weist ein Maskenloch 19 auf, durch das der Elektronenstrahl 15 austritt.In 3rd shows a linear accelerator for accelerating electrons, with which the disadvantage of a beam current that is inhomogeneous across the beam cross section can be overcome. The in 3rd linear accelerators shown 14 is designed to use an electron beam 15 to generate with electron beam essentially homogeneous across the beam cross section. The linear accelerator 14 comprises a cathode unit 16 with a cathode structure 17th and a Wehnelt cylinder 18th , with the Wehnelt cylinder 18th viewed in the beam direction according to the cathode structure 17th is arranged. The front wall of the Wehnelt cylinder 18th has a mask hole 19th through which the electron beam 15 exit.

Die Kathodeneinheit 16 ist dazu ausgelegt, einen Elektronenstrahl 15 mit homogenem Strahlquerschnitt zu erzeugen. Hierzu ist die Kathodenstruktur 17 mit den elektronenemittierenden Bereichen so angeordnet, dass ein Zentralbereich 20 um die Strahlachse 21 herum frei bleibt, wobei der Querschnitt des freibleibenden Zentralbereichs 20 größer oder gleich dem Durchmesser des Maskenlochs 19 ist. Die Kathodenstruktur 17 ist daher so weit von der Strahlachse 21 des Linearbeschleunigers 14 entfernt, dass ein Betrachter, der die Kathodeneinheit 16 vom Elektronenstrahl 15 aus in der durch den Pfeil 22 angegebenen Betrachtungsrichtung ansieht, lediglich den freien Zentralbereich 20, nicht aber die diesen umgebende Kathodenstruktur 17 erkennen kann. Die Kathodenstruktur 17 ist also so weit beabstandet von der Strahlachse 21 angeordnet, dass es keine direkte Sichtverbindung zwischen der Kathodenstruktur 17 und dem Elektronenstrahl 15 gibt. Anders formuliert bedeutet dies, dass sämtliche Teile der Kathodenstruktur 17 und insbesondere auch die elektronenemittierenden Oberflächen in einem radialen Abstand zur Strahlachse 21 angeordnet sind, welcher gleich oder größer ist als die relativ zur Strahlachse 21 bestimmte radiale Ausdehnung des Maskenlochs 19. Insbesondere sind die elektronenemittierenden Oberflächen in einem radialen Abstand zur Strahlachse angeordnet, der gleich oder größer ist als der Radius D/2 des Maskenlochs 19.The cathode unit 16 is designed to use an electron beam 15 with a homogeneous beam cross-section. This is the cathode structure 17th with the electron-emitting areas arranged so that a central area 20 around the beam axis 21 remains free around, the cross section of the remaining central area 20 greater than or equal to the diameter of the mask hole 19th is. The cathode structure 17th is therefore so far from the beam axis 21 of the linear accelerator 14 removed that a viewer who the cathode unit 16 from the electron beam 15 out in the by the arrow 22 viewing direction indicated, only the free central area 20 , but not the surrounding cathode structure 17th can recognize. The cathode structure 17th is so far from the beam axis 21 arranged that there is no direct line of sight between the cathode structure 17th and the electron beam 15 gives. In other words, this means that all parts of the cathode structure 17th and in particular also the electron-emitting surfaces at a radial distance from the beam axis 21 are arranged, which is equal to or larger than that relative to the beam axis 21 certain radial extent of the mask hole 19th . In particular, the electron-emitting surfaces are arranged at a radial distance from the beam axis which is equal to or greater than the radius D / 2 of the mask hole 19th .

In der Schnittdarstellung von 4 ist die Anordnung der Kathodenstruktur 17 um den freibleibenden Zentralbereich 20 herum dargestellt. Um die Strahlachse 21 herum ist der freie Zentralbereich 20 eingezeichnet, dessen Durchmesser größer oder gleich dem Durchmesser D des Maskenlochs 19 ist. Außerhalb des Zentralbereichs 20 ist eine Kathodenstruktur 17 um den Zentralbereich herum angeordnet, welche elektronenemittierende Bereiche zur Erzeugung freier Elektronen aufweist. Bei dem in 4 gezeigten Beispiel umfasst die Kathodenstruktur 17 eine Mehrzahl von einzelnen Kathodenelementen, die sich in Längsrichtung des Linearbeschleunigers 14 erstrecken. Dabei weist die in 4 gezeigte Kathodenstruktur 17 eine fünfzählige Drehsymmetrie auf.In the sectional view of 4th is the arrangement of the cathode structure 17th around the free central area 20 shown around. About the beam axis 21 around is the free central area 20 drawn in, whose diameter is greater than or equal to the diameter D of the mask hole 19th is. Outside the central area 20 is a cathode structure 17th arranged around the central area, which has electron-emitting areas for generating free electrons. At the in 4th The example shown includes the cathode structure 17th a plurality of individual cathode elements, which are in the longitudinal direction of the linear accelerator 14 extend. The in 4th shown cathode structure 17th a five-fold rotational symmetry.

Die Kathodenstruktur 17 kann entweder mittels einer Heizspannung U_H direkt beheizt werden oder aber mittels eines zusätzlichen Heizelements indirekt aufgeheizt werden. Dabei können die elektronenemittierenden Bereiche der Kathodenstruktur 17 aus Wolfram, Molybdän, Lanthanborid, Carbid oder Oxyd bestehen. Die Kathodenstruktur 17 oder Teile der Kathodenstruktur 17 können beispielsweise aus Draht, Band oder Blech bestehen. Die elektronenemittierenden Strukturen können beispielsweise in Wendelform, gitterförmig, mäanderförmig, rohrförmig, zylinderförmig, kegelförmig, etc. ausgebildet sein. Dabei treten aus den aufgeheizten Oberflächen jeweils Elektronen aus und bilden eine Raumladungswolke 23 von Elektronen, die sich wie in 3 gezeigt in den Zentralbereich 20 der Kathodeneinheit 16 hinein erstreckt. Die negativ geladene Raumladungswolke 23 von Elektronen wirkt dem Austritt weiterer Elektronen aus den elektronenemittierenden Oberflächen der Kathodenstruktur 17 entgegen; außerdem können Elektronen aus der Raumladungswolke 23 wieder in die Kathodenstruktur 17 eintreten. Insofern kommt es langfristig zu einem Gleichgewicht zwischen den Elektronen, die aus der Kathodenstruktur 17 austreten und den Elektronen, die aus der Raumladungswolke 23 wieder in die Kathodenstruktur 17 eintreten.The cathode structure 17th can either be heated directly by means of a heating voltage U _H or indirectly heated by means of an additional heating element. The electron-emitting regions of the cathode structure can 17th consist of tungsten, molybdenum, lanthanum boride, carbide or oxide. The cathode structure 17th or parts of the cathode structure 17th can consist of wire, tape or sheet metal, for example. The electron-emitting structures can be designed, for example, in the shape of a spiral, lattice-shaped, meandering, tubular, cylindrical, conical, etc. Electrons emerge from the heated surfaces and form one Space charge cloud 23 of electrons that are like in 3rd shown in the central area 20 the cathode unit 16 extends into it. The negatively charged space charge cloud 23 of electrons acts on the exit of further electrons from the electron-emitting surfaces of the cathode structure 17th opposite; in addition, electrons from the space charge cloud 23 back into the cathode structure 17th enter. In this respect, there is a long-term equilibrium between the electrons from the cathode structure 17th emerge and the electrons emerging from the space charge cloud 23 back into the cathode structure 17th enter.

Sobald Elektronen aus der Raumladungswolke 23 durch das Maskenloch 19 der stirnseitigen Wandung hindurchtreten, werden sie durch die Beschleunigungsspannung U_B zur Anode 24 hin beschleunigt, wobei die Beschleunigungsspannung U_B zwischen der Kathodeneinheit 16 und der Anode 24 anliegt. Indem die Elektronen von der Raumladungswolke 23 und nicht unmittelbar von der Kathodenstruktur 17 abgezogen werden, wird ein im Wesentlichen homogener Querschnitt des Elektronenstrahls 15 erreicht. Der Durchmesser D des Maskenlochs 19 kann dabei im Bereich zwischen etwa 0,5 mm bis 10 mm gewählt werden, wobei die stirnseitige Wandung im Bereich um das Maskenloch 19 eine Dicke S1 im Bereich von 0,05 mm bis 10 mm aufweisen kann. Die Kathodenstruktur 17 kann beispielsweise Abmessungen in der Größenordnung von 15×15×15 mm³ aufweisen und kann gegenüber der stirnseitigen Wandung etwas zurückversetzt angeordnet sein, beispielsweise in einem Abstand von 0,5 mm bis 10 mm von der stirnseitigen Wandung entfernt.As soon as electrons from the space charge cloud 23 through the mask hole 19th pass through the end wall, they become anode by the acceleration voltage U _B 24th accelerated towards, the acceleration voltage U _B between the cathode unit 16 and the anode 24th is present. By removing the electrons from the space charge cloud 23 and not directly from the cathode structure 17th are subtracted, a substantially homogeneous cross section of the electron beam 15 reached. The diameter D of the mask hole 19th can be selected in the range between about 0.5 mm to 10 mm, the end wall in the area around the mask hole 19th a thickness S1 can have in the range of 0.05 mm to 10 mm. The cathode structure 17th can have dimensions in the order of magnitude of 15 × 15 × 15 mm ³ , for example, and can be arranged somewhat set back from the front wall, for example at a distance of 0.5 mm to 10 mm from the front wall.

Bei dem in 3 gezeigten Linearbeschleuniger 14 ist der Feldlinienverlauf so gewählt, dass im Strahlverlauf vom Wehneltzylinder 18 bis zum Auftreffpunkt kein Crossover gebildet wird. In diesem Fall ergibt sich ein virtueller Crossover, das heißt, der Crossover liegt innerhalb oder sogar hinter der Kathodeneinheit 16. In diesem Fall ist der Strahlverlauf bis zum Auftreffpunkt ausschließlich divergent. Alternativ dazu könnte allerdings auch bei dem Linearbeschleuniger 14 der Feldlinienverlauf beispielsweise so gewählt werden, dass der Elektronenstrahl 15 entweder vor oder nach der Anode 24 einen Crossover aufweist.At the in 3rd linear accelerator shown 14 the field line course is selected so that in the beam course from the Wehnelt cylinder 18th no crossover is formed until the point of impact. In this case there is a virtual crossover, that is to say the crossover lies within or even behind the cathode unit 16 . In this case, the beam path is only divergent up to the point of impact. Alternatively, however, the linear accelerator could also be used 14 the field line course can be chosen so that the electron beam 15 either before or after the anode 24th has a crossover.

Bei dem in 3 gezeigten Linearbeschleuniger 14 dient der Wehneltzylinder 18 als Strahlbegrenzungselement, wobei das Maskenloch 19 des Wehneltzylinders den Elektronenstrahl 15 begrenzt. Alternativ dazu könnte die Kathodeneinheit 16 ein anderes Strahlbegrenzungselement mit einem Maskenloch aufweisen, das die Kontur des Elektronenstrahls festlegt. In Strahlrichtung nachgeordnet zu einem derartigen Strahlbegrenzungselement könnte optional ein zusätzlicher Wehneltzylinder angeordnet sein, durch den der Verlauf des elektrischen Feldes festgelegt wird.At the in 3rd linear accelerator shown 14 serves the Wehnelt cylinder 18th as a beam limiting element, the mask hole 19th of the Wehnelt cylinder the electron beam 15 limited. Alternatively, the cathode unit could 16 have another beam limiting element with a mask hole, which defines the contour of the electron beam. Downstream of such a beam limiting element, an additional Wehnelt cylinder could optionally be arranged, by means of which the course of the electric field is determined.

Der Elektronenstrahl 15 kann beispielsweise durch ein Anodenloch 25 hindurchtreten und anschließend mittels eines Austrittsfensters aus der evakuierten Beschleunigereinheit herausgeführt werden. Alternativ dazu könnte der Linearbeschleuniger 14 auch als Teil einer Röntgenröhre ausgebildet sein. In diesem Fall würde der Elektronenstrahl 15 innerhalb der evakuierten Röntgenröhre auf ein Target eingestrahlt werden.The electron beam 15 can, for example, through an anode hole 25th pass through and then be led out of the evacuated accelerator unit by means of an exit window. Alternatively, the linear accelerator could 14 also be formed as part of an X-ray tube. In this case, the electron beam 15 be irradiated onto a target within the evacuated X-ray tube.

In 5a ist der Strahlfleck 26 des so erzeugten Elektronenstrahls 15 gezeigt. Es ist zu erkennen, dass der Strahlfleck 26 über seinen gesamten Querschnitt hinweg einen annähernd konstanten Elektronenstrom aufweist. Hierzu ist in 5a eine Schnittlinie B-B eingezeichnet, wobei in 5b der Elektronenstrom entlang dieser Schnittlinie aufgetragen wird. Aus dem in 5b gezeigten Verlauf 27 des Elektronenstroms entlang der Linie B-B ergibt sich, dass der Elektronenstrom über den gesamten Querschnitt des Strahlflecks 26 hinweg annähernd konstant ist.In 5a is the beam spot 26 of the electron beam thus generated 15 shown. It can be seen that the beam spot 26 has an approximately constant electron current over its entire cross-section. This is in 5a a section line BB is drawn, wherein in 5b the electron current is plotted along this intersection line. From the in 5b shown course 27 of the electron current along the line BB shows that the electron current over the entire cross section of the beam spot 26 is approximately constant throughout.

In den 6a bis 6f sind unterschiedliche Möglichkeiten gezeigt, wie die zur Erzeugung der Elektronenwolke benötigte Kathodenstruktur ausgebildet werden kann. Dazu ist in den 6a bis 6f jeweils eine Kathodeneinheit mit einem Maskenloch 28 gezeigt, wobei innerhalb der Kathodeneinheit um die Strahlachse 29 herum ein freier Zentralbereich 30 ausgebildet ist, dessen Durchmesser größer oder gleich dem Durchmesser D des Maskenlochs 28 ist. Diese Merkmale sind in allen 6a bis 6f mit übereinstimmenden Bezugszeichen gekennzeichnet.In the 6a to 6f Different possibilities are shown how the cathode structure required for generating the electron cloud can be formed. This is in the 6a to 6f one cathode unit each with a mask hole 28 shown, being within the cathode unit about the beam axis 29 around a free central area 30th is formed, the diameter of which is greater than or equal to the diameter D of the mask hole 28 is. These characteristics are common to all 6a to 6f marked with matching reference numerals.

Bei der in 6a gezeigten Ausführungsform der Kathodeneinheit ist die Kathodenstruktur als um den freien Zentralbereich 30 herum angeordneter Zylindermantel 31 ausgebildet, der aus einem Material wie beispielsweise Wolfram, Molybdän, Lanthanborid, Carbid oder Oxid besteht, das bei ausreichend hoher Aufheizung Elektronen emittiert. Die Elektronen werden durch den Zylindermantel 31 zur Innenseite hin emittiert, wo sich eine Wolke von freien Elektronen ausbilden kann.At the in 6a The embodiment of the cathode unit shown is the cathode structure as around the free central area 30th cylinder jacket arranged around 31 formed, which consists of a material such as tungsten, molybdenum, lanthanum boride, carbide or oxide, which emits electrons with sufficiently high heating. The electrons are through the cylinder jacket 31 emitted to the inside, where a cloud of free electrons can form.

Bei der in 6b gezeigten Ausführungsform ist die Kathodenstruktur als Mantel 32 eines Kegelstumpfs ausgebildet, der sich in Strahlrichtung betrachtet konisch aufweitet. Die Kathodenstruktur besteht ebenfalls aus einem geeigneten Elektrodenmaterial, das bei Aufheizung Elektronen emittiert. Durch die sich in axialer Richtung konisch aufweitende Form des Mantels 32 kann eine räumliche Konzentration der Raumladungswolke von freien Elektronen erzielt werden. Alternativ zu der in 6b gezeigten Ausführungsform könnte der Kegelstumpfmantel auch in Strahlrichtung konisch zulaufend ausgebildet sein.At the in 6b The embodiment shown is the cathode structure as a jacket 32 of a truncated cone, which widens conically when viewed in the direction of the beam. The cathode structure also consists of a suitable electrode material which emits electrons when heated. Due to the conical shape of the jacket in the axial direction 32 a spatial concentration of the space charge cloud of free electrons can be achieved. Alternatively to that in 6b shown Embodiment, the truncated cone jacket could also be designed to taper in the beam direction.

In 6c ist eine Ausführungsform gezeigt, bei der die Kathodenstruktur eine Mehrzahl von in Richtung der Strahlachse 29 hintereinander angeordneten Ringen 33 aufweist. Auch diese Ringe 33 bestehen aus einem geeigneten Elektrodenmaterial, das bei Beheizung Elektronen emittiert, so dass innerhalb der Ringe 33 eine Raumladungswolke von freien Elektronen gebildet werden kann. Die entlang der Strahlachse 29 angeordneten Ringe 33 können alle auf dasselbe Potential gelegt werden. Alternativ dazu können die Ringe 33 aber auch jeweils auf unterschiedliche Potentiale gelegt werden, so dass über die verschiedenen Ringe 33 hinweg entlang der Strahlachse 29 ein Potentialverlauf ausgebildet wird. Über diesen Potentialverlauf kann die Raumladungswolke von freien Elektronen beeinflusst werden. Insbesondere ist es möglich, über diesen Potentialverlauf auf die Form und die Anordnung der Raumladungswolke einzuwirken. Beispielsweise kann die Raumladungswolke so ausgebildet werden, dass in der Umgebung des Maskenlochs 28 eine genügend hohe Anzahl von freien Elektronen bereitgestellt wird, die dann von der Beschleunigungsspannung erfasst werden können.In 6c An embodiment is shown in which the cathode structure has a plurality of in the direction of the beam axis 29 rings arranged one behind the other 33 having. These rings too 33 consist of a suitable electrode material that emits electrons when heated, so inside the rings 33 a space charge cloud of free electrons can be formed. The along the beam axis 29 arranged rings 33 can all be put on the same potential. Alternatively, the rings 33 but can also be set to different potentials, so that the different rings 33 away along the beam axis 29 a potential curve is formed. The space charge cloud can be influenced by free electrons via this potential profile. In particular, it is possible to influence the shape and arrangement of the space charge cloud via this potential profile. For example, the space charge cloud can be formed in such a way that in the vicinity of the mask hole 28 a sufficiently high number of free electrons is provided, which can then be detected by the acceleration voltage.

Bei der in 6d gezeigten Ausführungsform ist die Kathodenstruktur in Form eines um den freien Zentralbereich 30 herum angeordneten Heizwendels 34 realisiert. Wenn der Heizwendel 34 von einem Heizstrom durchflossen und dadurch aufgeheizt wird, werden Elektronen emittiert, so dass im Inneren des Heizwendels 34 eine Wolke von freien Elektronen ausgebildet wird.At the in 6d The embodiment shown is the cathode structure in the form of a around the free central area 30th heating coil arranged around 34 realized. If the heating coil 34 A heating current flows through it, thereby heating it up, and electrons are emitted, so that inside the heating coil 34 a cloud of free electrons is formed.

In 6e ist eine weitere Ausführungsform gezeigt, bei der die Kathodenstruktur in Form eines aus einem Gittermaterial 35 bestehenden Zylindermantels ausgebildet ist. Beim Beheizen des Gittermaterials 35 treten freie Elektronen aus, die im Inneren des Zylindermantels aus Gittermaterial 35 eine Wolke von freien Elektronen bilden.In 6e Another embodiment is shown, in which the cathode structure in the form of a grid material 35 existing cylinder jacket is formed. When heating the mesh material 35 free electrons emerge from the inside of the cylinder jacket made of lattice material 35 form a cloud of free electrons.

Bei den bislang anhand der 6a bis 6e gezeigten Kathodenstrukturen war die Kathodenstruktur jeweils rotationssymmetrisch ausgebildet. Alternativ zu einer derartigen rotationssymmetrischen Ausbildung der Kathodenstruktur können jedoch auch einzelne elektronenemittierende Elemente um den freien Zentralbereich 30 herum angeordnet werden. In 6f ist eine derartige Ausführungsform einer Kathodenstruktur gezeigt, welche insgesamt vier elektronenemittierende Elemente 36 umfasst, die um den freien Zentralbereich 30 herum angeordnet sind. Diese Kathodenstruktur weist daher eine vierzählige Drehsymmetrie auf. Jedes der elektronenemittierenden Elemente 36 emittiert bei ausreichender Aufheizung freie Elektronen, welche insbesondere im freien Zentralbereich 30 eine Raumladungswolke von Elektronen bilden.With the so far based on the 6a to 6e shown cathode structures, the cathode structure was each rotationally symmetrical. As an alternative to such a rotationally symmetrical design of the cathode structure, however, individual electron-emitting elements can also be arranged around the free central area 30th be arranged around. In 6f Such an embodiment of a cathode structure is shown, which has a total of four electron-emitting elements 36 includes that around the free central area 30th are arranged around. This cathode structure therefore has a four-fold rotational symmetry. Each of the electron-emitting elements 36 emits free electrons with sufficient heating, especially in the free central area 30th form a space charge cloud of electrons.

Für jede der in den 6a bis 6f gezeigten Kathodenstrukturen gilt, dass die jeweilige Kathodenstruktur aus einem Material wie beispielsweise Wolfram, Lanthanborid (LaB₆), Molybdän, einem Carbid oder einem Oxid besteht, welches eine vergleichsweise niedrige Austrittsarbeit für Elektronen aufweist. Die zur Erzeugung freier Elektronen erforderliche Aufheizung der Kathodenstruktur kann dabei zum einen direkt erfolgen, wobei ein geeigneter Heizstrom durch die Kathodenstruktur geleitet wird. Die Aufheizung kann aber auch indirekt mittels eines zusätzlichen Heizelementes vorgenommen werden, das mit der jeweiligen Kathodenstruktur in thermischem Kontakt steht und die Kathodenstruktur vorzugsweise von außen her aufheizt.For each of those in the 6a to 6f shown cathode structures that the respective cathode structure consists of a material such as tungsten, lanthanum boride (LaB ₆ ), molybdenum, a carbide or an oxide, which has a comparatively low work function for electrons. The heating of the cathode structure required to generate free electrons can take place directly on the one hand, with a suitable heating current being conducted through the cathode structure. However, the heating can also be carried out indirectly by means of an additional heating element which is in thermal contact with the respective cathode structure and which preferably heats up the cathode structure from the outside.

Ein Elektronenstrahl mit einem über den Strahlquerschnitt hinweg homogenen Strahlstrom ist beispielsweise bei langsamen Strahlbewegungen oder einer statischen Bestrahlung vorteilhaft. Wird zum Beispiel in einem Elektronenbeschleuniger mit Austrittsfenster statisch auf die Austrittsfolie bestrahlt, dann würde die Fensterfolie bei einem inhomogenen Strahlfleck an der Stelle der größten Stromdichte überhitzen oder bei sogenannten Hotspots innerhalb des Strahlflecks schon bei kleinen Strömen durchbrennen. Wenn man hier einen Elektronenstrahl mit homogenem Strahlfleck verwendet, kann die Gesamtstrombelastung der Austrittsfolie höher angesetzt werden.An electron beam with a beam current that is homogeneous across the beam cross section is advantageous, for example, in the case of slow beam movements or static radiation. If, for example, radiation is statically irradiated onto the exit film in an electron accelerator with an exit window, then the window film would overheat at the location of the greatest current density in the case of an inhomogeneous beam spot or burn out even with small currents in so-called hotspots within the beam spot. If an electron beam with a homogeneous beam spot is used here, the total current load of the exit foil can be set higher.

Auch bei der Beschickung von Strahlfingern mit beschleunigten Elektronen hat es sich als vorteilhaft erwiesen, einen Elektronenstrahl mit einer über den Strahlquerschnitt hinweg homogenen Intensität zu verwenden. Strahlfinger werden häufig zur Bestrahlung der Innenseite von Flaschen, Vorformlingen, Kartons und anderen Behältnissen mit Elektronen eingesetzt. Derartige Strahlfinger können in eine zu bestrahlende Flasche, einen Vorformling, einen Karton oder ein sonstiges Behältnis über deren Öffnung eingeführt werden, um die Innenseite des jeweiligen Behältnisses mit Elektronen zu bestrahlen. Die Strahlfinger werden mit beschleunigten Elektronen beschickt, die den Strahlfinger durchlaufen und dann durch ein am Ende des Strahlfingers angebrachtes Elektronenaustrittsfenster hindurchtreten. Ein homogener Elektronenstrahl beaufschlagt den Auftreffbereich des Elektronenaustrittsfensters gleichmäßig mit Elektronen. Dadurch wird vermieden, dass innerhalb des Auftreffbereichs Hotspots auftreten, so dass eine lokale Überhitzung des Elektronenaustrittsfensters vermieden werden kann. Insgesamt wird durch die Verwendung eines homogenen Elektronenstrahls die Lebensdauer des Austrittsfensters verlängert und die Zuverlässigkeit der Strahlfinger erhöht.When charging beam fingers with accelerated electrons, it has also proven to be advantageous to use an electron beam with an intensity that is homogeneous across the beam cross section. Beam fingers are often used to irradiate the inside of bottles, preforms, cardboard boxes and other containers with electrons. Such beam fingers can be inserted into a bottle to be irradiated, a preform, a cardboard box or another container through the opening thereof in order to irradiate the inside of the respective container with electrons. The beam fingers are charged with accelerated electrons, which pass through the beam finger and then pass through an electron exit window attached to the end of the beam finger. A homogeneous electron beam uniformly applies electrons to the impact area of the electron exit window. This prevents hot spots from occurring within the impact area, so that local overheating of the electron exit window can be avoided. Overall, the use of a homogeneous electron beam extends the life of the exit window and increases the reliability of the beam fingers.

In 7a ist eine Elektronenstrahlröhre 37 mit einem daran angebrachten Strahlfinger 38 im Längsschnitt dargestellt. Die Elektronenstrahlröhre 37 umfasst eine Kathodeneinheit 39 zur Erzeugung eines Elektronenstrahls 40, der aus dem Maskenloch 41 der Kathodeneinheit 39 austritt. Die Kathodeneinheit 39 ist von einem Wehneltzylinder 42 umgeben, der den Potentialverlauf so beeinflusst, dass die austretenden Elektronen zur Strahlachse 43 hin gelenkt werden. Die Beschleunigung der Elektronen erfolgt zwischen dem Maskenloch 41 und der als Lochanode ausgebildeten Stirnfläche 44 der Elektronenstrahlröhre 37. Der Elektronenstrahl 40 wird über eine zentrale Öffnung 45 in der Stirnfläche 44 in den Strahlfinger 38 eingekoppelt und tritt nach dem Durchlaufen des Strahlfingers 38 durch das Elektronenaustrittsfenster 46 hindurch nach außen. Um Kollisionen der beschleunigten Elektronen mit Gasmolekülen zu vermeiden, herrscht sowohl im Inneren der Elektronenstrahlröhre 37 als auch im Inneren des Strahlfingers 38 ein Vakuum. An der rückwärtigen Seite der Elektronenstrahlröhre 37 ist ein Anschluss 47 für einen konisch zulaufenden Hochspannungsstecker vorgesehen, der an den Hochspannungskontakten 48 die zum Betrieb der Kathodeneinheit 39 benötigten Betriebsspannungen zur Verfügung stellt. In 7a is an electron beam tube 37 with a beam finger attached to it 38 shown in longitudinal section. The electron beam tube 37 comprises a cathode unit 39 to generate an electron beam 40 coming out of the mask hole 41 the cathode unit 39 exit. The cathode unit 39 is from a Wehnelt cylinder 42 surrounded, which influences the course of the potential so that the emerging electrons to the beam axis 43 be directed there. The electrons are accelerated between the mask holes 41 and the end face designed as a hole anode 44 the electron beam tube 37 . The electron beam 40 is through a central opening 45 in the face 44 in the beam finger 38 coupled in and occurs after passing through the beam finger 38 through the electron exit window 46 through to the outside. In order to avoid collisions of the accelerated electrons with gas molecules, there is both inside the electron beam tube 37 as well as inside the beam finger 38 a vacuum. On the back of the CRT 37 is a connection 47 intended for a tapered high-voltage connector on the high-voltage contacts 48 to operate the cathode unit 39 provides the required operating voltages.

In 7b ist die Kathodeneinheit 39 der in 7a gezeigten Elektronenstrahlröhre 37 vergrößert herausgezeichnet, wobei auch ein Teil des umgebenden Wehneltzylinders 42 mit dargestellt ist. Es ist zu erkennen, dass die Kathodeneinheit 39 eine in Form eines Heizdrahtwendels ausgebildete heizbare Kathodenstruktur 49 zur Erzeugung von freien Elektronen aufweist. Der Heizdrahtwendel ist so angeordnet, dass ein Zentralbereich 50 um die Strahlachse 43 herum frei bleibt. Dabei ist der Querschnitt des frei bleibenden Zentralbereichs 50 größer oder gleich dem Durchmesser D des Maskenlochs 41. Die von der heizbaren Kathodenstruktur 49 erzeugten Elektronen bilden innerhalb der Kathodenstruktur 49 eine Wolke von freien Elektronen. Diese Wolke von freien Elektronen dient als Basis für die Erzeugung des Elektronenstrahls, der eine über den Querschnitt hinweg homogene Intensität aufweist.In 7b is the cathode unit 39 the in 7a shown electron beam tube 37 drawn out enlarged, with part of the surrounding Wehnelt cylinder 42 is shown with. It can be seen that the cathode unit 39 a heatable cathode structure in the form of a heating wire coil 49 for generating free electrons. The heating wire coil is arranged so that a central area 50 around the beam axis 43 remains free around. The cross section of the remaining central area 50 greater than or equal to the diameter D of the mask hole 41 . That of the heated cathode structure 49 generated electrons form within the cathode structure 49 a cloud of free electrons. This cloud of free electrons serves as the basis for the generation of the electron beam, which has a homogeneous intensity across the cross section.

8 zeigt ein weiteres Beispiel einer Elektronenstrahlröhre 51 mit einem daran angebrachten Strahlfinger 52. Im Unterschied zu dem in den 7a und 7b gezeigten Beispiel ist der Anschluss 53 für den Hochspannungsstecker in 8 im Wesentlichen senkrecht zur Strahlachse 54 angeordnet, sodass sich die Elektronenstrahlröhre 51 in Richtung quer zur Strahlachse 54 erstreckt. Auch die in 8 gezeigte Elektronenstrahlröhre 51 umfasst eine Kathodeneinheit 55 mit einer heizbaren Kathodenstruktur 56 zur Erzeugung freier Elektronen. Durch den Hochspannungsstecker werden an den beiden Hochspannungskontakten 57 die zum Betrieb der Kathodeneinheit 55 benötigten Betriebsspannungen zur Verfügung gestellt. Die aus der Kathodeneinheit 55 austretenden Elektronen werden zu einer Lochanode 59 hin beschleunigt und bilden einen Elektronenstrahl 58, der den Strahlfinger 52 durchläuft und aus dem Elektronenaustrittsfenster 60 austritt. 8th shows another example of an electron beam tube 51 with a beam finger attached to it 52 . In contrast to that in the 7a and 7b The example shown is the connection 53 for the high voltage plug in 8th essentially perpendicular to the beam axis 54 arranged so that the electron beam tube 51 in the direction transverse to the beam axis 54 extends. Also in 8th shown electron beam tube 51 comprises a cathode unit 55 with a heatable cathode structure 56 to generate free electrons. The high-voltage connector connects to the two high-voltage contacts 57 to operate the cathode unit 55 required operating voltages are provided. The one from the cathode unit 55 emerging electrons become a hole anode 59 accelerated and form an electron beam 58 who is the beam finger 52 passes through and out of the electron exit window 60 exit.

Bei der in 8 gezeigten Ausführungsform ist der Anschluss 53 für den Hochspannungsstecker in einem Winkel von etwa 90° zur Strahlachse 54 angeordnet. Hinter der Kathodeneinheit 55 ist ein rückwärtiges Fenster 61 in der Elektronenstrahlröhre 51 vorgesehen und um die Strahlachse 54 herum ist innerhalb der Kathodeneinheit 55 ein frei bleibender Zentralbereich ausgebildet. Durch diesen frei bleibenden Zentralbereich hindurch kann vom rückwärtigen Fenster 61 aus der gesamte Strahlpfad bis zum Elektronenaustrittsfenster 60 inspiziert werden. Insbesondere ist es möglich, vom rückwärtigen Fenster 61 aus den Auftreffbereich der Elektronen zu überwachen, an dem die beschleunigten Elektronen durch das Elektronenaustrittsfenster 60 hindurchtreten. Die Elektronen selbst sind unsichtbar, aber es ist beispielsweise möglich, den Auftreffbereich der Elektronen auf dem Elektronenaustrittsfenster 60 mittels einer Abbildungsoptik zu erfassen und auszuwerten, um beispielsweise Pinholes und schadhafte Stellen des Elektronenaustrittsfensters 60 zu erkennen. Darüber hinaus ist es beispielsweise möglich, mittels einer Wärmekamera bzw. mittels einer pyrometrischen Messung die thermische Belastung des Auftreffbereichs der Elektronen auf dem Elektronenaustrittsfenster 60 auszuwerten, an dem die Elektronen durch das Fenster hindurchtreten. Auf diese Weise kann die thermische Belastung des Elektronenaustrittsfensters 60 überwacht werden, um beispielsweise eine thermische Überlastung frühzeitig zu erkennen. Beispielsweise ist es möglich, den Strahlstrom so einzuregeln, dass das Elektronenaustrittsfenster 60 zwar thermisch belastet, aber nicht überlastet wird.At the in 8th The embodiment shown is the connection 53 for the high-voltage connector at an angle of approximately 90 ° to the beam axis 54 arranged. Behind the cathode unit 55 is a rear window 61 in the electron beam tube 51 provided and around the beam axis 54 around is inside the cathode unit 55 a free central area is formed. Through this free central area from the rear window 61 from the entire beam path to the electron exit window 60 be inspected. In particular, it is possible from the rear window 61 from the impact area of the electrons to monitor the accelerated electrons through the electron exit window 60 step through. The electrons themselves are invisible, but it is possible, for example, the area of impact of the electrons on the electron exit window 60 by means of imaging optics to record and evaluate, for example, pinholes and damaged areas of the electron exit window 60 to recognize. In addition, it is possible, for example, by means of a thermal camera or by means of a pyrometric measurement, to thermally stress the area where the electrons strike the electron exit window 60 evaluate at which the electrons pass through the window. In this way, the thermal load on the electron exit window 60 are monitored, for example to identify thermal overload early on. For example, it is possible to regulate the beam current so that the electron exit window 60 is thermally stressed, but is not overloaded.

Ein derartiges rückwärtiges Fenster kann auch bei dem in 3 gezeigten Linearbeschleuniger eingesetzt werden. Die Hochspannung kann dem Linearbeschleuniger beispielsweise seitlich zugeführt werden, so dass von dem rückwärtigen Fenster aus durch den freien Zentralbereich 20 hindurch das Elektronenaustrittsfenster begutachtet werden kann. Das Elektronenaustrittsfenster besteht meist aus einer dünnen Metallfolie wie beispielsweise einer Titanfolie.Such a rear window can also in the in 3rd linear accelerators shown are used. The high voltage can be supplied laterally to the linear accelerator, for example, so that from the rear window through the free central area 20 through which the electron exit window can be inspected. The electron exit window usually consists of a thin metal foil such as a titanium foil.

Bei Röntgenröhren kann mit einem diffusen Strahlfleck eine höhere Leistung an das Target abgegeben werden, wenn die Leistung gleichmäßig verteilt auf dem Target auftrifft. Dies gilt vor allem bei Röntgenröhren, die mit größeren Strahlflecken arbeiten, beispielsweise bei Brennfleckgrößen im Bereich von 1 mm bis zu 20 oder 30 mm. Hier kann durch Verwendung eines homogenen und diffusen Elektronenstrahls die spezifische Targetbelastung erhöht werden. Darüber hinaus ist bei Einsatz eines diffusen gleichmäßigen Elektronenstrahls mit Hilfe von magnetischen oder elektrostatischen Ablenk- und Fokussierelementen im Vergleich zu einem Elektronenstrahl mit inhomogenem Strahlfleck eine wesentlich bessere Fokussierung möglich.With X-ray tubes, a higher power can be delivered to the target with a diffuse beam spot if the power strikes the target evenly distributed. This applies particularly to X-ray tubes that work with larger beam spots, for example with focal spot sizes in the range from 1 mm to 20 or 30 mm. Here you can by using a homogeneous and diffuse Electron beam, the specific target load can be increased. In addition, when using a diffuse uniform electron beam with the aid of magnetic or electrostatic deflection and focusing elements, much better focusing is possible compared to an electron beam with an inhomogeneous beam spot.

In 9 ist eine Röntgenvorrichtung gezeigt, beispielsweise eine Röntgenröhre, bei der ein homogener Elektronenstrahl 62 zum Einsatz kommt. Zur Erzeugung des homogenen Elektronenstrahls 62 ist eine Kathodeneinheit 63 vorgesehen, die eine Kathodenstruktur 64 sowie einen Wehneltzylinder 65 umfasst. Der Wehneltzylinder 65 ist im Strahlengang nachgeordnet zur Kathodenstruktur 64 angeordnet und weist ein Maskenloch 66 zur Begrenzung des Elektronenstrahls 62 auf. Innerhalb der Kathodenstruktur 64 ist um die Strahlachse 67 herum ein freibleibender Zentralbereich 68 vorgesehen, dessen Durchmesser gleich groß oder größer als der Durchmesser D des Maskenlochs 66 ist. Die elektronenemittierenden Bereiche der Kathodenstruktur 64 sind außerhalb dieses freibleibenden Zentralbereichs 68 angeordnet. Bei Beheizung der elektronenemittierenden Flächen der Kathodenstruktur 64 wird innerhalb der Kathodenstruktur 64 eine Raumladungswolke 69 von freien Elektronen gebildet, die sich in den freien Zentralbereich 68 hinein erstreckt. Die Beschleunigung der Elektronen erfolgt dann zwischen dem Wehneltzylinder 65 und der Anode 70, wobei hierzu zwischen der Kathodenstruktur 64 und der Anode 70 eine Beschleunigungsspannung U_B angelegt wird. Auch bei der in 9 gezeigten Röntgenvorrichtung werden die zu beschleunigenden Elektronen aus der Raumladungswolke 69 abgezogen.In 9 an X-ray device is shown, for example an X-ray tube, in which a homogeneous electron beam 62 is used. To generate the homogeneous electron beam 62 is a cathode unit 63 provided a cathode structure 64 as well as a Wehnelt cylinder 65 includes. The Wehnelt cylinder 65 is subordinate to the cathode structure in the beam path 64 arranged and has a mask hole 66 to limit the electron beam 62 on. Inside the cathode structure 64 is about the beam axis 67 around a non-binding central area 68 provided whose diameter is equal to or larger than the diameter D of the mask hole 66 is. The electron-emitting areas of the cathode structure 64 are outside this non-binding central area 68 arranged. When the electron-emitting surfaces of the cathode structure are heated 64 is inside the cathode structure 64 a space charge cloud 69 formed by free electrons that are in the free central area 68 extends into it. The electrons are then accelerated between the Wehnelt cylinders 65 and the anode 70 , for this purpose between the cathode structure 64 and the anode 70 an acceleration voltage U _{B is} applied. Even with the in 9 X-ray device shown are the electrons to be accelerated from the space charge cloud 69 deducted.

Beim Auftreffen des Elektronenstrahls 62 auf der geneigten Oberfläche der Anode 70 entsteht ein Brennfleck 71, an dem ein Bruchteil der Energie des Elektronenstrahls 62 in Röntgenstrahlung umgewandelt wird. Diese Röntgenstrahlung wird im Wesentlichen in Richtung senkrecht zur Strahlachse 67 emittiert. Wenn man vom Brennfleck 71 aus in Richtung des Pfeils 72 zum Maskenloch 66 sieht, sind die elektronenemittierenden Bereiche der Kathodenstruktur 64 außerhalb des vom Elektronenstrahl 62 aus einsehbaren Zentralbereichs 68 angeordnet.When the electron beam hits 62 on the inclined surface of the anode 70 creates a focal spot 71 , on which a fraction of the energy of the electron beam 62 is converted into X-rays. This X-ray radiation is essentially in the direction perpendicular to the beam axis 67 emitted. If you look at the focal spot 71 out in the direction of the arrow 72 to the mask hole 66 sees are the electron-emitting areas of the cathode structure 64 outside of that of the electron beam 62 from a visible central area 68 arranged.

Vor allem bei Röntgenröhren, die mit größeren Strahlflecken arbeiten, kann mit einem diffusen Strahlfleck eine höhere Leistung an das Target abgegeben werden. Durch Verwendung eines homogenen und diffusen Elektronenstrahls kann die spezifische Targetbelastung erhöht werden. Darüber hinaus ist bei Einsatz eines diffusen gleichmäßigen Elektronenstrahls mithilfe von magnetischen oder elektrostatischen Ablenk- und Fokussierelementen im Vergleich zu einem Elektronenstrahl mit inhomogenem Strahlfleck eine wesentlich bessere Fokussierung möglich.Especially with X-ray tubes that work with larger beam spots, a higher power can be delivered to the target with a diffuse beam spot. The specific target load can be increased by using a homogeneous and diffuse electron beam. In addition, when using a diffuse uniform electron beam with the aid of magnetic or electrostatic deflection and focusing elements, much better focusing is possible compared to an electron beam with an inhomogeneous beam spot.

Als weiterer Vorteil der in 9 gezeigten Röntgenvorrichtung ergibt sich, dass der gesamte Strahlpfad einschließlich des Brennflecks 71 von einem hinter der Kathodeneinheit 63 angebrachten Fenster 73 aus einsehbar ist. Von dem Fenster 73 aus kann man daher durch den freien Zentralbereich 68 und das Maskenloch 66 hindurch den Brennfleck 71 auf der Anode 70 begutachten. Wenn im Kathodenrohr ein sogenanntes Pinhole eingebaut wird, kann außerhalb des Fensters 73 auch eine Röntgenkamera montiert werden. Dies erlaubt es, den Brennfleck 71 zu begutachten.Another advantage of the in 9 X-ray device shown shows that the entire beam path including the focal spot 71 from one behind the cathode unit 63 attached window 73 is visible from. From the window 73 you can go through the free central area 68 and the mask hole 66 through the focal spot 71 on the anode 70 examine. If a so-called pinhole is installed in the cathode tube, it can be outside the window 73 an X-ray camera can also be installed. This allows the focal spot 71 to examine.

Darüber hinaus ist der Einsatz eines homogenen Elektronenstrahls im Bereich der Röntgentechnik bei Konstruktionen von Vorteil, bei denen die Anode auf einem Stab oder Stiel verlängert ist. In der Durchstrahlungstechnik wird diese Konstruktion als Stabanode bezeichnet und findet Verwendung, um in Behältnissen mit geringen Eintrittsöffnungen eine Durchstrahlungsprüfung, z.B. der Schweißnähte, zu ermöglichen. Bei diesen Röntgenröhren wird der Auftreffpunkt aus einem massiven, meist aus Wolfram ausgeführten Target hergestellt. Das Target kann eine flache Scheibe oder mit einem Winkel zu einem Reflexionstarget ausgeführt sein. Für die Überprüfung von Rundschweißnähten haben sogenannte Kegeltargets, die ebenfalls aus Wolfram ausgeführt werden, Vorteil. Leider verlieren die Elektronen beim Auftreffen auf dem Target und beim Abbremsen ihre Energie zu ca. 98% in Wärme. Nur ca. 2% der eingebrachten elektrischen Energie kann zu Röntgenstrahlen umgewandelt werden. Ein homogener und diffuser Elektronenstrahl kann die spezifische Targetbelastung erhöhen. Ein weiterer Vorteil besteht bei dieser Technik darin, dass mit weiteren Fokussierelementen wie magnetischen Ablenk- und Fokussierspulen oder mit Quadrupol-Fokussierspulen oder mit elektrostatischen zusätzlichen Linsen eine wesentlich bessere Fokussierung technisch möglich ist. Die Fokussierspulen können fest vornehmlich an dem Stab mit dem geringsten Durchmesser zur Elektronenflugbahn verbaut sein oder als zusätzliches Feature bei bestimmten hochauflösenden bildgebenden Verfahren aufgesteckt werden.In addition, the use of a homogeneous electron beam in the field of X-ray technology is advantageous in constructions in which the anode is extended on a rod or stem. In radiation technology, this design is called a rod anode and is used to carry out a radiation test in containers with small entry openings, e.g. of the welds. In these X-ray tubes, the point of impact is made of a solid target, usually made of tungsten. The target can be a flat disk or at an angle to a reflection target. So-called cone targets, which are also made of tungsten, have advantages for the inspection of circular welds. Unfortunately, the electrons lose about 98% of their energy in heat when they hit the target and slow down. Only about 2% of the electrical energy introduced can be converted into X-rays. A homogeneous and diffuse electron beam can increase the specific target load. A further advantage with this technique is that with further focusing elements such as magnetic deflection and focusing coils or with quadrupole focusing coils or with additional electrostatic lenses, a technically much better focusing is possible. The focusing coils can be permanently installed primarily on the rod with the smallest diameter to the electron trajectory or can be attached as an additional feature in certain high-resolution imaging processes.

In der Medizintechnik sind z.B. in der Bestrahlung sogenannte Stiel-Röntgenröhren bekannt, die z.B. von Herrn Prof. Chaoul in den 30er Jahren zur Therapie von Krebs eingesetzt wurden. Bei diesem Verfahren wird mit einer möglichst hohen Röntgendosis versucht, die Krebsgeschwüre mit einem möglichst hohen letalen Wert zu bekämpfen. Hierbei wird ein Target, z.B. aus Kupfer, verwendet, das eine Stärke von ca. 150 µm besitzt. Dieses Target wird auf einem Stab aufgebracht, um auch die Geschwüre im Inneren des Körpers bekämpfen zu können. Die auftreffenden Elektronen verlieren auch hier ihre gesamte Energie im Target und erzeugen die gewünschte Röntgenstrahlung. Die Strahlung wird in dieser Technik entweder direkt oder durch weitere Streukörper gestreut und aufgeweitet verwendet. Ein unregelmäßiger Elektronenstrahl oder das Entstehen von sogenannten Hotspots kann die Gesamtleistung, die auf diesem dünnen Target erzeugt werden kann, drastisch verringern. Auch hier ist ein hoch homogener und diffuser Elektronenstrahl gewünscht, der eine Größe von einigen mm bis 10 oder gar 20 mm Targets bestrahlt.In medical technology, e.g. so-called stem x-ray tubes known in radiation, which e.g. were used by Prof. Chaoul in the 1930s to treat cancer. In this method, the highest possible x-ray dose is used to fight the cancerous growth with the highest possible lethal value. A target, e.g. made of copper, which has a thickness of approx. 150 µm. This target is applied to a stick so that the ulcers inside the body can also be combated. The incident electrons lose all of their energy in the target and generate the desired X-rays. In this technology, the radiation is scattered and used either directly or by additional scattering bodies. An irregular electron beam or the creation of so-called hotspots can drastically reduce the total power that can be generated on this thin target. Here, too, a highly homogeneous and diffuse electron beam is desired, which irradiates a size of a few mm to 10 or even 20 mm targets.

Claims

An electron accelerator (14) which is designed to generate an electron beam (15, 40, 58), the electron accelerator (14) having a cathode unit (16, 39, 55) with - a heatable cathode structure (17, 49, 56 ), which is designed to generate a space charge cloud (23) of free electrons, and - a beam limiting element with a mask hole (19, 28, 41), the beam limiting element being arranged downstream in the beam direction of the electron accelerator (14) to the cathode structure (17, 49 , 56), an anode (24, 59), which is arranged at a distance from the beam limiting element in the beam direction, electrons from the space charge cloud (23) between the cathode unit (16, 39, 55) and the anode (24, 59) can be accelerated, the electron-emitting regions of the cathode structure (17, 49, 56) being arranged at a radial distance from the beam axis (21, 29, 43, 54) of the electron accelerator (14) which is the same size or larger t as a maximum radial extension of the mask hole (19, 28, 41) relative to the beam axis (21, 29, 43, 54), with a free central area (20, 30, 50) around within the cathode unit (16, 39, 55) the beam axis (21, 29, 43, 54) is provided, which extends along the beam axis (21, 29, 43, 54) in the beam direction to the mask hole (19, 28, 41), with electron-emitting regions of the cathode structure ( 17, 49, 56) do not extend into the free central area (20, 30, 50), and thereby the space charge cloud (23) of free electrons extends at least partially into the free central area (20, 30, 50), thereby characterized in that the electron accelerator (14) comprises an electron exit window (46, 60) which is arranged on the anode (24, 59) or downstream of the anode (24, 59) in the beam direction.

Electron accelerator after Claim 1 , characterized in that the anode is designed as a hole anode and has an anode hole through which the accelerated electrons pass.

Electron accelerator after Claim 1 or Claim 2 , characterized in that the electron accelerator comprises at least one beam finger, the electron accelerator being designed to charge the at least one beam finger with accelerated electrons.

Electron accelerator after Claim 3 , characterized in that the beam finger comprises an entry opening arranged at a first end of the beam finger and an electron exit window arranged at the opposite end to the entry opening.

Electron accelerator according to one of the Claims 1 to 4th , characterized in that a smallest diameter of the free central area in the radial direction is greater than or equal to a maximum diameter of the mask hole.

Electron accelerator according to one of the Claims 1 to 5 , characterized in that a cross-sectional area of the free central region is greater than or equal to the cross-sectional area of the mask hole.

Electron accelerator according to one of the Claims 1 to 6 , characterized in that the free central area comprises at least one projection of the mask hole along the beam axis.

Electron accelerator according to one of the Claims 1 to 7 , characterized in that electron-emitting regions of the cathode structure are arranged completely outside the free central region.

Electron accelerator according to one of the Claims 1 to 8th , characterized in that the cathode structure is arranged in an edge region of the cathode unit radially outside the free central region.

Electron accelerator according to one of the Claims 1 to 9 , characterized in that electron-emitting regions of the cathode structure are not visible from any point of the electron beam or from a beam spot of the electron beam.

Electron accelerator according to one of the Claims 1 to 10th , characterized in that the cathode unit comprises a Wehnelt cylinder, a front surface of the Wehnelt cylinder forming the beam limiting element and a Wehnelt bore of the Wehnelt cylinder forming the mask hole.

Electron accelerator according to one of the Claims 1 to 11 , characterized in that the cathode unit comprises a Wehnelt cylinder which is provided in addition to the beam limiting element and is arranged downstream of the beam limiting element in the beam direction.

Electron accelerator according to one of the Claims 1 to 12th , characterized in that at least regions of the cathode structure are formed from one of tungsten, molybdenum, lanthanum boride, a carbide or an oxide.

Use of a cathode unit (16, 39, 55) for generating electrons in an electron accelerator (14) with an electron exit window (46, 60), the cathode unit (16, 39, 55) having - A heatable cathode structure (17, 49, 56), which is designed to generate a space charge cloud (23) of free electrons, and a beam limiting element with a mask hole (19, 28, 41), the beam limiting element being arranged downstream of the cathode structure (17, 49, 56) in the beam direction of the electron accelerator (14), wherein electron-emitting regions of the cathode structure (17, 49, 56) are arranged at a radial distance from the beam axis (21, 29, 43, 54) of the electron accelerator (14) that is equal to or larger than a maximum radial extent of the mask hole (19 , 28, 41) relative to the beam axis (21, 29, 43, 54), wherein a free central area (20, 30, 50) around the beam axis (21, 29, 43, 54) is provided within the cathode unit (16, 39, 55) and extends along the beam axis (21, 29, 43, 54 ) extends in the beam direction up to the mask hole (19, 28, 41), the electron-emitting regions of the cathode structure (17, 49, 56) not extending into the free central region (20, 30, 50), and the space charge cloud (23 ) of free electrons extends at least partially into the free central area (20, 30, 50), wherein the electron accelerator (14) the cathode unit (16, 39, 55), an anode (24, 59), which is arranged in the beam direction spaced from the beam limiting element of the cathode unit (16, 39, 55), and the electron exit window (46, 60 ) which is arranged on the anode (24, 59) or downstream of the anode (24, 59) in the beam direction.

Method for generating and accelerating electrons in an electron accelerator (14), the electron accelerator (14) comprising: a cathode unit (16, 39, 55) with - A heatable cathode structure (17, 49, 56), which is designed to generate a space charge cloud (23) of free electrons, and a beam limiting element with a mask hole (19, 28, 41), the beam limiting element being arranged downstream of the cathode structure (17, 49, 56) in the beam direction of the electron accelerator (14), an anode (24, 59) which is arranged at a distance from the beam limiting element in the beam direction, an electron exit window (46, 60) which is arranged on the anode (24, 59) or downstream of the anode (24, 59) in the beam direction, wherein electron-emitting regions of the cathode structure (17, 49, 56) are arranged at a radial distance from the beam axis (21, 29, 43, 54) of the electron accelerator (14) that is equal to or larger than a maximum radial extent of the mask hole (19 , 28, 41) relative to the beam axis (21, 29, 43, 54), wherein a free central area (20, 30, 50) around the beam axis (21, 29, 43, 54) is provided within the cathode unit (16, 39, 55) and extends along the beam axis (21, 29, 43, 54 ) extends in the beam direction up to the mask hole (19, 28, 41), wherein electron-emitting regions of the cathode structure (17, 49, 56) do not extend into the free central region (20, 30, 50), and the method comprising the following steps: Generating a space charge cloud (23) of free electrons through the cathode structure (17, 49, 56), the space charge cloud (23) of free electrons extending at least partially into the free central region (20, 30, 50), Accelerating electrons from the space charge cloud (23) between the cathode unit (16, 39, 55) and the anode (24, 59).

An electron accelerator which is designed to generate an electron beam (62), the electron accelerator having a cathode unit (63) with a heatable cathode structure (64) which is designed to generate a space charge cloud (69) of free electrons, and - a beam limiting element with a mask hole (66), the beam limiting element being arranged downstream of the cathode structure (64) in the beam direction of the electron accelerator, an anode (70) being arranged at a distance from the beam limiting element in the beam direction, with electrons from the space charge cloud (69 ) can be accelerated between the cathode unit (63) and the anode (70), electron-emitting regions of the cathode structure (64) being arranged at a radial distance from the beam axis (67) of the electron accelerator which is equal to or greater than a maximum radial extent of the Mask hole (66) relative to the beam axis (67), a free central area (68) is provided within the cathode unit (63) around the beam axis (67), which extends along the beam axis (67) in the beam direction to the mask hole (66), electron-emitting areas of the cathode structure (64) do not extend into the free central area (68), and wherein the space charge cloud (69) of free electrons extends at least partially into the free central area (68), characterized in that the electron accelerator is part of an X-ray device or an X-ray tube.

Electron accelerator after Claim 16 , characterized in that a smallest diameter of the free central area in the radial direction is greater than or equal to a maximum diameter of the mask hole.

Electron accelerator after Claim 16 or Claim 17 , characterized in that a cross-sectional area of the free central region is greater than or equal to the cross-sectional area of the mask hole.

Electron accelerator according to one of the Claims 16 to 18th , characterized in that the free central area comprises at least one projection of the mask hole along the beam axis.

Electron accelerator according to one of the Claims 16 to 19th , characterized in that electron-emitting regions of the cathode structure are arranged completely outside the free central region.

Electron accelerator according to one of the Claims 16 to 20 , characterized in that the cathode structure is arranged in an edge region of the cathode unit radially outside the free central region.

Electron accelerator according to one of the Claims 16 to 21 , characterized in that electron-emitting regions of the cathode structure are not visible from any point of the electron beam or from a beam spot of the electron beam.

Electron accelerator according to one of the Claims 16 to 22 , characterized in that the cathode unit comprises a Wehnelt cylinder, a front surface of the Wehnelt cylinder forming the beam limiting element and a Wehnelt bore of the Wehnelt cylinder forming the mask hole.

Electron accelerator according to one of the Claims 16 to 23 , characterized in that the cathode unit comprises a Wehnelt cylinder which is provided in addition to the beam limiting element and is arranged downstream of the beam limiting element in the beam direction.

Electron accelerator according to one of the Claims 16 to 24th , characterized in that at least regions of the cathode structure are formed from one of tungsten, molybdenum, lanthanum boride, a carbide or an oxide.

An X-ray device which has an electron accelerator according to one of the Claims 16 to 25th includes.

Use of a cathode unit (63) for generating electrons in an X-ray device with an electron accelerator, the cathode unit (63) having - A heatable cathode structure (64), which is designed to generate a space charge cloud (69) of free electrons, and a beam limiting element with a mask hole (66), the beam limiting element being arranged downstream of the cathode structure (64) in the beam direction of the electron accelerator, wherein electron-emitting regions of the cathode structure (64) are arranged at a radial distance from the beam axis (67) of the electron accelerator that is equal to or greater than a maximum radial extent of the mask hole (66) relative to the beam axis (67), a free central area (68) is provided within the cathode unit (63) around the beam axis (67), which extends along the beam axis (67) in the beam direction to the mask hole (66), electron-emitting areas of the cathode structure (64) do not extend into the free central area (68), and wherein the space charge cloud (69) of free electrons extends at least partially into the free central region (68), wherein the x-ray device comprises the cathode unit (63) and an anode (70) which is arranged at a distance from the beam limiting element of the cathode unit (63) in the beam direction.

A method for generating and accelerating electrons in an X-ray device with an electron accelerator, the electron accelerator comprising: a cathode unit (63) with a heatable cathode structure (64), which is designed to generate a space charge cloud (69) of free electrons, and a beam limiting element with a mask hole (66), the beam limiting element being arranged downstream of the cathode structure (64) in the beam direction of the electron accelerator, an anode (70) which is arranged at a distance from the beam limiting element in the beam direction, electron-emitting regions of the cathode structure (64) being arranged at a radial distance from the beam axis (67) of the electron accelerator which is equal to or greater than a maximum radial extent of the Mask hole (66) relative to the beam axis (67), a free central area (68) being provided around the beam axis (67) within the cathode unit (63), which extends along the beam axis (67) in the beam direction up to the mask hole (66) extends, wherein electron-emitting regions of the cathode structure (64) do not extend into the free central region (68), the space charge cloud (69) of free electrons extending at least partially into the free central region (68), and the method follows Steps comprises: generating a space charge cloud (69) of free electrons through the cathode structure (64), accelerating of electrons from the space charge cloud (69) between the cathode unit (63) and the anode (70).