DE2229825C3 - Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung eines energiereichen Elektronenstrahls - Google Patents

Description

Die Lrfindung betrifft ein Verfahren /ur Lr/eiigiing eines encrgiereichen Elektronenstrahls mit rechteckigem Queischnitt gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs I. Klektronenstrahlen mil derartigem Querschnitt finden insbesondere für die Bestrahlung von verhältnismäßig langen Werkstücken Verwendung.

Aus der DE-OS 18 05 848 ist tine Vorrichtung zur Erzeugung eines energiereichen Elektronenstrahls mit rechteckigem Querschnitt, dessen Länge groß ist gegenüber seiner Breite, bekannt geworden, in der eine sich in Längsrichtung des Slrahlqucrscliniiis erstreckende Kathode in einem Gehäuse iuilgchängi ist. das an der Auslriltsseile des Elektronenstrahls von einem sich parallel zur Kathode erstreckenden Sieuergitter abgeschlossen isl. in der der Elektronenstrahl durch eine die Kathode und das Gehäuse umgebende Elektrode, die ein parallel /ur Kathode verlaufendes Beschlcunigungsgiitcr aufweist, geformt wird und in der eine Anode, die ein sich in Längsrichtung des Sirahlquerschnius erstreckendes, parallel zu den beiden Gittern verlaufendes elektronendurchlässiges Fenster enthüll, die die Elektrode umgibt.

Bei dieser Vorrichtung variiert die Elektronenemission an verschiedenen Stellen der langen Kathode wegen der strukturell bedingten, unvermeidlichen Unterschiede an diesen Stellen und wegen der ebenso unvermeidlichen unterschiedlichen Temperaturen an diesen Stellen stark.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mit einem derartigen Verfahren einen im wesentlichen in Längsrichtung seines Querschnitts gleichmäßigen Strahl von einheitlicher Ladungsdichte zu erzielen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgcmäß dadurch gclösl, daß das Sieuergitter auf ein negatives Potential gegenüber der Kathode gelegt wird.

An und für sich hat die Verwendung einer negativen Vorspannung am Sieuergitter einer derartigen Vorrichtung /ur Folge, daß — beding! durch die vergrößerte Raumladung — der Strom der Elektronen verkleinert wird, so daß der Wirkungsgrad der Vorrichtung bei im übrigen gleichen Betriebsbedingungen sogar herabgesetzt wird. Diese Talsache scheint der Verwendung einer negativen Gittervorspannung daher zunächst entgegenzustehen.Eine notwendige Kompensation der Auswirkungen der negativen Vorspannung des .Sieuergiiters durch ein entsprechend größeres positives Potential der nachfolgenden Strecke slclll bei den meisten technischen Anwendungen eine Vergrößerung des Aufwands dar. weil eine höhere Vorspannung gewöhnlich schwieriger zu erhallen ist. Bei einer Vomch-Hing /ur Erzeugung eines energiereiehen Elektronenstrahls gemäß der Anmeldung ist aber eine \ielfach höhere Spannung fü^r die Versorgung der Anode ohnehin erforderlich, so daß demgegenüber eine notwendige Erhöhung der Vorspannung an einem weiteren füller nicht ins Gewicht fällt.

Damit ergibt sich aber eine dem Fortschritt /iigutc-

komnicwJc. nicht unerhebliche Wirkungsgradverbesserung der Vorrichtung durch Fortfall des Güterstroms.

der sonst zu Lasten der durch das elekironendurehlässige Fenster hindurchtreienden Slraliliingsmengc ginge.

Vorteilhaft isl weiterhin, daß bei einer nach dem erfindungsgcmäßen Verfahren arbeitenden Vorrichtung die geometrischen Verhältnisse und die angelegten Potentiale überraschenderweise so gewählt werden könneu. daß sich die Elekironensirahlung auch in Querrichtung vergleichmäßigt, d. h. wenn beispielsweise durch die Wahl einer räumlich gedrängten Anordnung von Kathode und Steuergitter die Strahlungsdichte — bedingt durch unterschiedliche Weglängen — in der Milte der Kathode wesentlich größer isl als nach den Seiten hin. kann erreicht werden, daß bei Eintritt in ein weiteres Gitter die Elcklronendichlc in Querrichtung nahezu konstant ist.

Eine günstige Weiterbildung der Erfindung isl im IJnicranspruch angegeben.

Die Vorrichtung zur Erzeugung eines encrgiereichen Elektronenstrahls mit rechteckigem Querschnitt gemäß der Erfindung wird nachstehend an Hand eines Ausl'üh riingsbcispicls unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert, deren einzige Abbildung eine perspektivische Ansicht des bevorzugten, nach dem erfindimgsgemäßen Verfahren arbeilenden Vorrichtung /cigi. wobei Teile derselben ausgebrochen sind, um Einzelheiten ihres inneren Aufbaus sichtbar werden zu lassen. Gemäß der Zeichnung isl eine längliche Kathode I in Form eines Wolfram- oder anderen. Elektronen emittierenden, linicnförmigcn Drahtes oder indirekt geheizten Streifens od. dgl. vorgesehen, der an einer Kanone oder einem Kanal 3 aufgehängt ist. Dieser isl mit Wa 1 meabschirmwänden 5 versehen, die aus mehrschichtigem Wärmedämm-Material bestehen können. Der Kanal 3 ist an seinem Boden mit einem Steuergitter 7 versehen, das sich in Längsrichtung parallel zu der Kathode 1 und quer zu den Wänden des Kanals 3 erstreckt. Durch Steuerung des zwischen dem Steuergitter 7 und der Kathode I angelegten Potentials, wie es leicht über Niederspannungsslcticrvcrbindungen durchführbar ist, welche innerhalb des lloclispannungsverbindungsrohrcs 20 entlanglaufen, wobei das Sieuergitter negativ gegenüber der Kathode ist, werden die die verschieden temperierten Teile der Kathode 1 verlassenden Elektronen in der Weise ratimladungsbegrcnzt, daß ein im wesentlichen in Längsrieh-

tung seines Querschnitts gleichmäßiger Strahl von einheitlicher Ladungsdichte über das Gitter 7 emittiert wird, der jedoch zunächst eine ungleichmäßige Ladungsdichteverteilung in Querrichtung aufweist, in der eine größere Dichte unter der Kathode 1 als quer dazu an ihren Seiten nahe den Wänden 5 des Kanals 3 besteht Dieser Strahl wird durch eine ihn vorzugsweise koaxial umgebende elektrostatische Abschirmung oder einen !-"araday-Käfig 11 geformt, der die Kathode I im wesentlichen axial enthält und ein weiteres Culler IJ aufweist, das parallel zu der Kathode I und dem -Steuergitlcr 7 verläuft. Der Käfig 11 wird von einem aus dielektrischem Werkstoff bestehenden Teil gelra gen. wie z.H. der Vakuum-Aiischluß-Buchse. Hei Anlegung eines geeigneten positiven Potentials an 11 ge genüber dem Stcucrgitter 7 wird die ungleichmäßige l.adungsdiehte in Querrichtung in einen im wesentlichen gleichmäßigen Elektronenstrahl umgewandelt. Hin Anodenzylinder 15 umgibt koaxial den Käüg II. Das ganze System ist bei 2 vakuumdicht abgeschlossen. Der Anodcnzylinder 15 enthält ein sich in Längsrichtung erstreckendes elektronendurehlässiges Fenster 17, ζ. 13. aus Aluminium, das parallel zu den Gütern 7 und . 13 verläuft. Die Anodeneinheil 15 bis 17 wird auf einem ßeschlcunigungspolcntial gegenüber dem Käfig 11 gehalten, jedoch zwecks Vermeidung von elektrischen Schlagunfällen geerdet. Die radialen Spannungsgradienicn oder Feldlinien, die so zwischen den Zylindern 11 und 15 (oder anderen etwa benutzten geometrischen lormen) erzeugt werden, lassen den Elektronenstrahl an dem weiteren Gitter 13 sich zwischen der Lücke oder dem Raum zwischen dem Käfig 11 und dem Zylinder 15 längs der radial verlaufenden Kraftlinien ausdehnen, indem so der Elektronenstrahl in der Weise verbreitert wird, daß er durch das Fenster 17 glcichmä-I3iir und «leichzeitig alle Teile entsprechender länglicher oder sich η einer Richtung erstreckender, zu behandelnder Werkstücke (nicht dargestellt) bestrahlt, die an dem fenster 17 durch ein Förderband 19 oüer eine andere Fördervorrichtung in der Pfeilriehtuiig vorbcibewegl werden. Mit dieser Anordnung, bei der die l.ängsabniessung des Elekiroiiensirahls sehr groß im Vergleich zu der Hn'ferniing zwischen Kathode und Fenster ist. wird bei Aufbringung geeigneter Po lenliale, wie noch erläutert werden wird, die gleichmäßige Stromdichte des ausgedehnten Strahls aus euergiereichen Elektronen an dem Fenster 17 im wesentlichen durch die Elektronen-Verteilung an dem weiteren Cutter 13. das der Strahlformung dient, bestimmt und Lt weitgehend unabhängig von dem Besehleiinigungspoieniial. dessen starkes Feld lediglich zum Ausdehnen und Beschleunigen des Elektronenstrahls dient.

Hei einem praktisch ausgeführten Gerät dieser An lassen sich Elektronenstrahlen von energiereichen Elektronen von gleichmäßiger Stromdichte zwischen 200 und 2000iiA/em-' erhalten, wobei ein Steuergitler-Kathoden-Polential von etwa — 20 V, ein Potential am weiteren Gitter von etwa -t- 300 bis 1000 V und ein Heschleunigungspoiential zwischen der geerdeten Anode 15 und dem Fenster 17 (etwa 203 mm im Durchmesser) von etwa 15OkV verwendet wurden. Mi! einer 152IHiIi langen Wolfram-Draht-Kathode 1. die sehr lang im Vergleich zu ihrer etwa 0,25 mm betragenden Dicke ist. einem 152 mm langen, etwa 6 mm breiten Sleuergütcr 7. einem 152 mm langen, etwa 13 111111 breiten weiteren Gitter 13. einem 152 mm langen, breiteren Fenster 17 (etwa 25 mm breit) z.ur Aufnahme des ausgedehnten Elektronenstrahls wurde erreicht, daß die Änderungen der Ladungsdichte über eine 152 mm betragende Strahlbrcile weniger als ± 10% ausmachen.

Hieii.u 1 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

1. Patentansprüche:

   I. Verfahren zur Erzeugung eines energicreichcn Elektronenstrahls mit rechteckigem Querschnitt, dessen Lunge groß ist gegenüber seiner Breite, mil-IeIs einer Vorrichtung, in der eine sich in Längsrichtung des Strahlquerschnitts erstreckende Kathode in einem Gehäuse aufgehängt ist. das an der Austrittsseite des Elektronenstrahls von einem sich parallel /ur Kathode erstreckenden Steiiergiuer abgeschlossen isl. in der der Elektronenstrahl durch eine die Kathode und das Gehäuse umgebende Elektrode, die ein parallel /ur Kathode verlauleiuks Beschlcunigungsgiiler aufweist, geformt wird und in der eine Anode, die ein sich in L;ingsricl<iung des .Strahlqiierschnills erstreckendes, parallel /u beiden Cuttern verlaufendes elektronendurchlässiges Fensier enthüll, die Elektrode unigibl. d a ti u r c Ii g e k e η η / e i c Ii net. daß das Sieuergitter (7) auf ein negatives Potential gegenüber der Kathode (!) gelegt wird.
2. 2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode (11) und die diese umgebende Anode (15) zylindrisch ausgebildet und im wesentlichen koaxial zueinander angeordnet sind.