DE2229825B2

DE2229825B2 - Method and device for generating a high-energy electron beam

Info

Publication number: DE2229825B2
Application number: DE2229825A
Authority: DE
Inventors: Bertram S. Peabody Mass. Quintal (V.St.A.)
Original assignee: Energy Sciences Inc Burlington Mass (vsta)
Current assignee: Energy Sciences Inc Burlington Mass (vsta)
Priority date: 1971-06-16
Filing date: 1972-06-15
Publication date: 1975-12-04
Also published as: DE2229825C3; DE2229825A1; GB1356861A; JPS5710542B1; US3702412A; CA963182A

Description

3030th

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung eines energiereichen Elektronenstrahls mit rechteckigem Querschnitt gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Elektronenstrahlen mit derartigem Querschnitt finden insbesondere für die Bestrahlung von verhältnismäßig langen Werkstücken Verwendung.The invention relates to a method for generating a high-energy electron beam with a rectangular Cross section according to the preamble of claim 1. Electron beams with such a cross section are used in particular for the irradiation of relatively long workpieces.

Zur Ermöglichung der Elektronen-Bestrahlung von Gegenständen erheblicher Abmessungen hat man bisher auf ein Abtastverfahren mitteis eines fokussierten Strahls zurückgegriffen, wie es z. B. in der Firmenschrift der High Voltage Engineering Corporation 5/69, »The Industrial Electron Processing System« beschrieben ist. Solche Techniken erfordern nicht nur Abtastoder Ablenkgeräte und Speisestroinkreise für diese, sondern auch Kollimations- oder Fokussiei geräte zur Erzeugung eines abgegrenzten Strahls, der zum Abtasten benutzt werden kann. Ferner werden, obwohl das Abtasten schnell erfolgen kann, nicht alle Teile des Werkstücks tatsächlich gleichzeitig bestrahlt, und es werden wegen der verschiedenen Bahnlängen des Strahls Unterschiede der Elektronendichte an unterschiedlichen Stellen der Abtastung bedingt. Es wurde demgemäß auch vorgeschlagen, einen Streifen oder eine Linie von Elektronen zu erzeugen, um Gleichzeitigkeit der Bestrahlung zu ermöglichen, wie es z. B. aus der US-PS 28 87 599 ersichtlich ist.To enable the electron irradiation of objects of considerable dimensions, one has hitherto resorted to a scanning method mitteis a focused beam, as z. B. in the company publication of High Voltage Engineering Corporation 5/69, "The Industrial Electron Processing System" is. Such techniques not only require scanning or deflection devices and feeding circuits for them, but also collimation or focus devices to generate a delimited beam that is used for scanning can be used. Furthermore, although scanning can be done quickly, not all parts of the Workpiece actually irradiated at the same time, and because of the different path lengths of the Ray caused differences in electron density at different points in the scan. It was accordingly also proposed to create a stripe or a line of electrons for simultaneity to enable irradiation, as it is, for. B. from US-PS 28 87 599 can be seen.

Weiterhin ist aus der DT-OS 18 05 848 eine Einrichtung zur Erzeugung eines energiereichen Elektronenstrahls mit rechteckigem Querschnitt, dessen Länge groß ist gegenüber seiner Breite, bekanntgeworden, 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 zur Kathode erstreckenden Steuergitter abgeschlossen ist, in der der Elektronenstrahl durch eine die Kathode und das Gehäuse umgebende Elektrode, die ein parallel zur Kathode verlaufendes Beschleunigungsgitter aufweist, geformt wird und in der eine Anode, die ein sich in Längsrichtung des Sirahlquerschnitts erstreckendes, parallel zu den beiden Gittern verlaufendes elektronendurchlässiges Fenster enthält, die die Elektrode umgibt.Furthermore, from DT-OS 18 05 848 is a device to generate a high-energy electron beam with a rectangular cross-section, the length of which is large compared to its width, has become known in which one extends in the longitudinal direction of the beam cross-section extending cathode is suspended in a housing that is attached to the exit side of the electron beam from a control grid extending parallel to the cathode is completed, in which the electron beam by an electrode which surrounds the cathode and the housing and which runs parallel to the cathode Has acceleration grid, is formed and in which an anode, which extends in the longitudinal direction of the Electron-permeable window extending parallel to the two grids and extending in cross-section that surrounds the electrode.

Jedoch haben sich diese Vorschläge nicht als praktikabel erwiesen, da dabei die Elektronenemission an verschiedenen Stellen der langen Kathode wegen der struktureil bedingten, unvermeidlichen Unterschiede an diesen Stellen, wegen der ebenso unvermeidlichen unterschiedlichen Temperaturen an diesen Stellen und wegen der starken Unterschiede der Stromdichte längs der Elektronenlinie stark variiert.However, these proposals have not proven to be practical because they involve electron emission different places of the long cathode because of the structural, unavoidable differences these places, because of the equally inevitable different temperatures at these places and varies greatly because of the large differences in current density along the electron line.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mit einem derartigen Verfahren einen im wesentlichen in Längsrichtung gleichmäßigen Strahl von einheitlicher Ladungsdichte ^u erzielen.The invention is based on the object of using such a method to produce a substantially longitudinal direction achieve a uniform beam of uniform charge density ^ u.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Steuergitter auf ein negatives Potential gegenüber der Kathode gelegt wird.According to the invention, this object is achieved in that the control grid is at a negative potential is placed opposite the cathode.

An und für sich hat die Verwendung einer negativen Vorspannung am Steuergitter einer derartigen Vorrichtung zur Folge, daß — bedingt durch die vergrößerte Raumladung — der Strom der Elektronen verkleinert wird, so daß der Wirkungsgiad der Vorrichtung bei im übrigen gleichen Betriebsbedingungen sogar herabgesetzt wird. Diese Tatsache scheint der Verwendung einer negativen Gittervorspannung daher zunächst entgegenzustehen. Eine notwendige Kompensation der Auswirkungen der negativen Vorspannung des Steuergitters durch ein entsprechend größeres positives Potential der nachfolgenden Strecke stellt bei den meisten technischen Anwendungen eine Vergrößerung des Aufwands dar, weil eine höhere Vorspannung gewöhnlich schwieriger zu erhalten ist. Bei einer Vorrichtung zur Erzeugung eines energiereichen Elektronenstrahls gemäß der Anmeldung ist aber eine vielfach höhere Spannung für die Versorgung der Anode ohnehin erforderlich, so daß demgegenüber eine notwendige Erhöhung der Vorspannung an einem weiteren Gitter nicht ins Gewicht fällt.In and of itself has the use of a negative bias on the control grid of such a device As a result - due to the increased space charge - the flow of electrons is reduced is, so that the efficiency of the device under otherwise identical operating conditions even is reduced. This fact seems to suggest the use of a negative grid bias at first to oppose. A necessary compensation for the effects of the negative bias of the Control grid through a correspondingly larger positive potential of the following path represents at the Most technical applications represent an increase in the effort, because a higher preload is usually harder to obtain. In a device for generating a high-energy electron beam according to the application, however, a much higher voltage for supplying the anode is anyway required, so that, in contrast, a necessary increase in the bias on a further grid does not matter.

Damit ergibt sich aber eine dem Fortschritt zugutekommende, nicht unerhebliche Wirkungsgradverbesserung der Vorrichtung durch Fortfall des Gitterstroms, der sonst zu Lasten der durch das elektronendurchlässige Fenster hindurchtretenden Strahlungsmenge ginge.However, this results in a not inconsiderable improvement in efficiency that benefits progress of the device by eliminating the grid current, which would otherwise be at the expense of the electron-permeable The amount of radiation passing through the window would go.

Vorteilhaft ist weiterhin, daß bei einer nach dem erfindungsgemäßen Verfahren arbeitenden Vorrichtung die geometrischen Verhältnisse und die angelegten Potentiale überraschenderweise so gewählt werden können, daß sich die Elektronenstrahlung 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 Mitte der Kathode wesentlich größer ist als nach den Seiten hin, kann erreicht werden, daß bei Eintritt in ein weiteres Gitter die Elektronendichte in Querrichtung nahezu konstant ist.It is also advantageous that in one according to the invention Process working device the geometric relationships and the applied potentials Surprisingly, can be chosen so that the electron radiation is also in the transverse direction equalized, d. H. if, for example, by choosing a spatially compact arrangement of Cathode and control grid have the radiation density - due to different path lengths - in the middle the cathode is much larger than towards the sides, it can be achieved that when entering a further lattice the electron density in the transverse direction is almost constant.

Eine günstige Weiterbildung der Erfindung ist im Unteranspruch angegeben.A favorable further development of the invention is specified in the dependent claim.

Die Vorrichtung zur Erzeugung eines energiereichen Elektronenstrahls mit rechteckigem Querschnitt gemäß der Erfindung wird nachstehend an Hand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert, deren einzige Abbildung eine perspektivische Ansicht des bevorzugten, nach dem erfindungsgemäßen Verfahren arbeitenden Vorrichtung zeigt, wobei Teile derselben ausgebrochen sind, um Einzel-The device for generating a high-energy electron beam with a rectangular cross section according to The invention is described below using an exemplary embodiment with reference to the drawing explained in more detail, the only figure of which is a perspective view of the preferred, according to the invention Method working device shows, with parts of the same broken out to individual

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heiten ihres inneren Aufbaus sichtbar werden zu lassen.to let the units of their inner structure become visible.

Gemäß der Zeichnung ist eine längliche Kathode 1 in Form eines Wolfram- oder anderen, Elektronen emittierenden, linienförmigen Drahtes oder indirekt geheizten Streifens od. dgl. vorgesehen, der an einer Kanone oder einem Kanal 3 aufgehängt ist. Dieser ist mit Wärmeabschirmwänden 5 versehen, wie sie, z. B. aus mehrschichtigem Wärmedämm-Material bestehend, von der Fa. Thermoelectron Corporation in Waltham, Mass. (USA), hergestellt und in deren Druckschrift vom Jahre 1970, »Multi-Foil Thermal Insulation«, beschrieben werden. Der Kanal 3 ist an seinem Boden mit einem Steuergitter 7 versehen, das sich in Längsrichtung parallel zu der Kathode I und quer zu den Wänden des Kanals 3 erstreckt. Durch Steuerung des zwischen dem Steuergitter 7 und der Kathode 1 angelegten Potentials, wie es leicht über Niederspannungssteuerverbindungen durchführbar ist, welche innerhalb des Hochspannungsverbindungsrohres 20 entlanglaufen, wobei das Steuergitter negativ gegenüber der Kathode ist, werden die die verschieden temperierten Teile der Kathode 1 verlassenden Elektronen in der Weise raumiadungsbegrenzt, daß ein im wesentlichen in Längsrichtung gleichmäßiger Strahl von einheitlicher Ladungsdichte über das Gitter 7 emittiert wird, der jedoch zunächst eine ungleichmäßige Ladungsdichteverteilung in Querrichtung aufweist, in der eine größere Dichio unter der Kathode 1 als quer dazu an ihren Seiten nahe den Wänden 5 des Kanals 3 besteht.According to the drawing, an elongated cathode 1 is in the form of a tungsten or other electron-emitting, linear wire or indirectly heated strip or the like. Provided on a cannon or a channel 3 is suspended. This is provided with heat shielding walls 5 as they are, for. B. from multilayer Thermal insulation material, from Thermoelectron Corporation in Waltham, Mass. (USA), manufactured and described in their publication from 1970, "Multi-Foil Thermal Insulation" will. The channel 3 is provided at its bottom with a control grid 7 which is parallel in the longitudinal direction to the cathode I and across the walls of the channel 3. By controlling the between the Control grid 7 and the cathode 1 applied potential as it is easily via low voltage control connections is feasible, which run along within the high-voltage connection pipe 20, wherein If the control grid is negative compared to the cathode, the different temperature parts of the cathode will be 1 leaving electrons space charge limited in such a way that one is essentially in the longitudinal direction uniform beam of uniform charge density is emitted over the grid 7, which, however, initially has an uneven charge density distribution in the transverse direction, in which a larger dichio under the cathode 1 exists as transversely thereto on its sides near the walls 5 of the channel 3.

Dieser Strahl wird durch eine ihn vorzugsweise koaxial umgebende elektrostatische Abschirmung oder einen Faraday-Käfig 11 geformt, der die Kathode 1 im wesentlichen axial enthält und ein weiteres Gitter 13 aufweist, das parallel zu der Kathode 1 und dem Steuergitter 7 verläuft. Der Käfig 11 wird von einem aus dielektrischem Werkstoff bestehenden Teil getragen, wie z. B. der Vakuum-Anschluß-Buchse. Bei Anlegung eines geeigneten positiven Poientials ein 11 gegenüber dem Steuergitter 7 wird die ungleichmäßige Ladungsdichte in Querrichtung in einen im wesentlichen gleichmäßigen Elektronenstrahl umgewandelt. Ein Anodenzylinder 15 umgibt koaxial den Käfig 11. Das ganze System ist bei 2 vakuumdicht abgeschlossen. Der Anodenzylinder 15 enthält ein sich in Längsrichtung erstreckendes eleklroncndurchlässiges Fenster 17, z. B. aus Aluminium, das parallel zu den Gittern 7 und 13 verläuft. Die Anodeneinheit 15 bis 17 wird auf einem Beschleunigungspotential gegenüber dem Käfig 11 gehalten, jedoch zwecks Vermeidung von elektrischen Sclilagunfällen geerdet. Die radialen Spannungsgradienten oder Feldlinien, die so zwischen den Zylindern 11 und 15 (oder anderen etwa benutzten geometrischen Formen) 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 gleichmäßig und gleichzeitig alle Teile entsprechender länglicher oder sich in einer Richtung erstreckender, zu behandelnder Werkstücke (nicht dargestellt) bestrahlt, die an dem Fenster 17 durch ein Förderband 19 oder eine andere Fördervorrichtung in der Pfeilrichtung vorbeibewegl werden. Mit dieser Anordnung, bei der die Längsabmessung des Elektronenstrahls sehr groß im Vergleich zu der Entfernung zwischen Kathode und Fenster ist, wird bei Aufbringung geeigneter Potentiale, wie noch erläutert werden wird, die gleichmäßige Stromdichte des ausgedehnten Strahls aus energiereichen Elektronen an dem Fenster 17 im wesentlichen durch die Elektronen-Verteilung an dem weiteren Gitter 13, das der Strahlformung dient, bestimmt und ist weitgehend unabhängig von dem Beschleunigungspotential, dessen starkes Feld lediglich zum Ausdehnen und Beschleunigen des Elektronenstrahls dient.This beam is surrounded by an electrostatic shield or preferably coaxially surrounding it a Faraday cage 11, which contains the cathode 1 essentially axially, and a further grid 13 which runs parallel to the cathode 1 and the control grid 7. The cage 11 is from a made of dielectric material part carried, such. B. the vacuum connection socket. When applying of a suitable positive potential an 11 opposite the control grid 7 is the uneven charge density in the transverse direction in a substantially uniform electron beam converted. An anode cylinder 15 coaxially surrounds the cage 11. The whole system is vacuum-tight at 2. The anode cylinder 15 contains a longitudinal direction extending electrically permeable window 17, e.g. B. made of aluminum, which is parallel to the grids 7 and 13 runs. The anode unit 15 to 17 is kept at an acceleration potential with respect to the cage 11, however, earthed to prevent electrical shock accidents. The radial stress gradients or field lines, the so between the cylinders 11 and 15 (or other possibly used geometric Shapes) are generated, can the electron beam on the further grid 13 between the gap or the space between the cage 11 and the cylinder 15 along the radially extending lines of force, so the electron beam in the way is widened that he through the window 17 uniformly and at the same time all parts of the corresponding elongated or irradiated workpieces to be treated (not shown) extending in one direction, those at the window 17 by a conveyor belt 19 or other conveyor device in the direction of the arrow be moved past. With this arrangement, the longitudinal dimension of the electron beam is very large is large compared to the distance between the cathode and the window, when suitable potentials are applied, as will be explained, the uniform current density of the extended beam of high energy Electrons at the window 17 essentially through the electron distribution at the other Grid 13, which serves to shape the beam, is determined and largely independent of the acceleration potential, the strong field of which is only used for expansion and accelerating the electron beam.

Bei einem praktisch ausgeführten Gerät dieser Art lassen sich Elektronenstrahlen von energiereichen Elektronen von gleichmäßiger Stromdichte zwischen 200 und 2000 μΑ/cm² erhalten, wobei ein Steuergitter-Kathoden-Potential von etwa - 20 V, ein Potential um weiteren Gitter von etwa + 300 bis 1000 V und ein Beschleunigungspoienlial zwischen der geerdeten Anode 15 und dem Fenster 17 (etwa 203 mm im Durchmesser) von etwa 15OkV verwendet wurden. Mit einer 152 mm langen Wolfram-Draht-Kalhode 1, die sehr lang im Vergleich zu ihrer etwa 0,25 mm betragenden Dicke ist, einem 152 mm langen, etwa 6 mm breiten Steuergitter 7, einem 152 mm langen, etwa 13 mm breiten weiteren Gitter 13, einem 152 mm langen, breiteren Fenster 17 (etwa 25 mm breit) zur Aufnahme des ausgedehnten Elektronenstrahls wurde erreicht, daß die Änderungen der Ladungsdichte über eine 152 mm betragende Strahlbreite weniger als ± 10% ausmachen.In a practically executed device of this type, electron beams from high-energy electrons with a uniform current density between 200 and 2000 μΑ / cm ^{2 can be} obtained, with a control grid-cathode potential of about - 20 V, a potential around another grid of about + 300 to 1000 V and an acceleration potential between grounded anode 15 and window 17 (about 203 mm in diameter) of about 150kV were used. With a 152 mm long tungsten wire calhode 1, which is very long compared to its thickness of about 0.25 mm, a 152 mm long, about 6 mm wide control grid 7, another 152 mm long, about 13 mm wide Grid 13, a 152 mm long, wider window 17 (about 25 mm wide) for receiving the extended electron beam, it was achieved that the changes in charge density over a 152 mm beam width are less than ± 10%.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings

Claims

Patent claims:

1. Process for generating a high-energy electron beam with a rectangular cross-section, whose length is large compared to its width, by means of a device in which one extends in the longitudinal direction of the radiation cross-section extending cathode is suspended in a housing which is attached to the The exit side of the electron beam is closed off by a control grid extending parallel to the cathode in which the electron beam passes through a surrounding the cathode and the housing Electrode, which has an accelerating grid running parallel to the cathode, is formed and in the one anode, the one extending in the longitudinal direction of the beam cross-section, parallel to both Lattice containing electron-permeable window surrounding the electrode, characterized in that that the control grid (7) is placed at a negative potential with respect to the cathode (1) will.

2. Apparatus according to claim 1, characterized in that the electrode (11) and the surrounding one The anode (15) are cylindrical and are arranged essentially coaxially to one another.