DE1208830B

DE1208830B - Device for generating a high-power electron beam for heating purposes

Info

Publication number: DE1208830B
Application number: DEB72258A
Authority: DE
Inventors: Dr Jakob Bingel
Original assignee: DR JAKOB BINGEL
Current assignee: DR JAKOB BINGEL
Priority date: 1963-06-12
Filing date: 1963-06-12
Publication date: 1966-01-13

Description

Vorrichtung zur Erzeugung eines Elektronenstrahlbündels hoher Leistung für Erhitzungszwecke Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Elektronenstrahlbündels hoher Leistung für Erhitzungszwecke, bestehend aus einer Kathode, einem diese umgebenden Wehneltzylinder auf Kathodenpotential und einer Anodenplatte mit der Austrittsöffnung für die Elektronen, der die genannten Elektroden gleichachsig zueinander in einem abgepumpten Gefäß angeordnet sind. Die Elektronen, die von einer Glühkathode emittiert werden, treten aus der Vakuumkammer in die freie Atmosphäre durch eine Öffnung ohne materielles Fenster aus.Device for generating a high-power electron beam for heating purposes The invention relates to an apparatus for producing a High power electron beam for heating purposes, consisting of a Cathode, a Wehnelt cylinder surrounding it at cathode potential and a Anode plate with the exit opening for the electrons, of the named electrodes are arranged coaxially to one another in a pumped vessel. The electrons which are emitted by a hot cathode, emerge from the vacuum chamber into the free one Atmosphere through an opening without a material window.

Solche Anlagen sind neuerdings z. B. als konzentrierte Wärmequellen in der chemischen Technik wichtig geworden. Vakuumtechnisch beruhen sie auf der Anwendung einer Druckstufenstrecke, deren Vakuumraum mit niedrigstem Druck die Glühkathode enthält.Such systems are recently z. B. as concentrated heat sources has become important in chemical engineering. In terms of vacuum technology, they are based on the Use of a pressure stage, the vacuum chamber of which is the hot cathode with the lowest pressure contains.

Diese bekannten Anlagen sind jedoch mit wesentlichen Mängeln behaftet: Einmal ist der erzeugte Elektronenstrahl, der im allgemeinen schon aus vakuumtechnischen Gründen von einer Wolframkathode geliefert werden muß, klein und damit die gewünschte Leistung auch bei Anwendung einer Spannung von 2 - 105 V stark begrenzt, beispielsweise auf ungefähr 4 kW. Dann ist die Kathode in der üblichen Anordnung einem starken Ionenbombardement ausgesetzt, das hochemittierende Oxydkathoden in kurzer Zeit außer Betrieb setzen, aber auch Wolframkathoden rein mechanisch zerstören würde. Das gilt auch bei Anwendung einer Schutzkammer, die mit Argon von erhöhtem Druck angefüllt ist. Einmal enthält auch gereinigtes Argon Sauerstoff und Wasserdampf, die beide in einer nicht abgeschlossenen Vakuumkammer immer wieder neu herangeführt werden; dann aber wirken auch die positiven Ionen von Argon nach Durchlaufen eines starken elektrischen Feldes beim Auftreffen auf die Glühkathode rein mechanisch zerstörend. Aufgabe der Erfindung ist es, praktisch jedes Ionenbombardement der Glühkathode zu verhindern und dadurch hohe Elektronenströme zu ermöglichen, womit Leistungen von 50 bis 100 kW und mehr zustande kommen können.However, these known systems have significant shortcomings: On the one hand there is the generated electron beam, which in general already comes from vacuum technology Reasons must be supplied by a tungsten cathode, small and thus the desired Power is severely limited even when using a voltage of 2 - 105 V, for example to about 4 kW. Then the cathode is a strong one in the usual arrangement Exposed to ion bombardment, the highly emissive oxide cathodes besides in a short time Put into operation, but would also destroy tungsten cathodes purely mechanically. That is true even when using a protective chamber filled with argon at increased pressure is. Also, once purified argon contains oxygen and water vapor, both of which be brought in again and again in a vacuum chamber that is not closed; but then the positive ions of argon also have an effect after passing through a strong one electrical field when it hits the hot cathode, purely mechanically destructive. The object of the invention is practically every ion bombardment of the hot cathode to prevent and thereby enable high electron currents, with which services from 50 to 100 kW and more can come about.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird bei der eingangs angeführten bekannten Vorrichtung erfindungsgemäß vorgesehen, daß die Kathode aus senkrecht zur Anodenplatte angeordneten metallischen Fäden oder Oxydkathodenzylindern besteht, die käfigartig auf einer parallel zur und gegenüber der Anodenplatte angeordneten metallischen Platte montiert sind, in deren Mitte ein als Stromzuführung dienender hohler Metallzylinder innerhalb des Käfigs parallel zu der Kathodenachse angeordnet ist. Als weitere Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß der Hohlzylinder des Kathodenkäfigs mit einem Gettermetall, beispielsweise Kalium, angefüllt ist, das unter der Einwirkung der Wärmestrahlung der Glühkathode in Spuren zur Verdampfung kommt.To solve this problem, the known at the outset Device according to the invention provided that the cathode from perpendicular to the anode plate arranged metallic threads or oxide cathode cylinders, the cage-like on a metallic one arranged parallel to and opposite the anode plate Plate are mounted, in the middle of which serves as a power supply hollow metal cylinder is arranged within the cage parallel to the cathode axis. As a further refinement the invention provides that the hollow cylinder of the cathode cage with a Getter metal, for example potassium, is filled, which under the action of the Traces of thermal radiation from the hot cathode evaporate.

In den F i g. 1 und 2 wird die Vorrichtung nach der Erfindung in schematischer Form dargestellt.In the F i g. 1 and 2 is the device according to the invention in schematic Shape shown.

Es bedeuten in F i g. 1: G den Vakuumbehälter, beispielsweise aus Metall gefertigt, g den Kathodenbehälter, K die Kathode, H ein metallisches Band als Halterung, I Hochspannungsisolatoren, U die negative Hochspannung, u die Heizspannung, An, P, P2 metallische Platten, die zusammen mit dem Gehäuse G geerdet sind, E Erde, A, B, C, D Vakuumräume, die durch Öffnungen miteinander in Verbindung stehen, Sl, S2, S3 Saugstutzen, M die Magnetlinse, Ar die Argonkammer mit Ausflugsrohr.It means in FIG. 1: G the vacuum container, for example made of metal, g the cathode container, K the cathode, H a metallic band as a holder, I high-voltage insulators, U the negative high voltage, u the heating voltage, An, P, P2 metallic plates, which together with the Housing G are earthed, E earth, A, B, C, D vacuum spaces that are in communication with one another through openings, S1, S2, S3 suction nozzle, M the magnetic lens, Ar the argon chamber with exhaust pipe.

Die Anlage gemäß F i g. 1 ist zylindrisch mit der Mittellinie als Achse zu denken.The system according to FIG. 1 is cylindrical with the center line as Axis to think.

F i g. 2 stellt den zylindrischen Kathodenkäfig K der F i g. 1 in Einzelheiten dar. Es bedeutet El eine der Elektroden, von denen beispielsweise vier in Parallelschaltung gezeigt sind. Sie werden am oberen Ende durch den Kathodenring K-R, am unteren durch die Kathodenplatte K-P mechanisch zusammengehalten; h ist die isolierte Halterung des Kathodenringes. Z bezeichnet einen metallischen Hohlzylinder, der gleichzeitig als mechanische Stütze und zweite Kathodenelektrode ausgebildet ist.F i g. 2 represents the cylindrical cathode cage K of FIG. 1 shows in detail. El means one of the electrodes, four of which are shown in parallel connection, for example. They are mechanically held together at the upper end by the cathode ring KR and at the lower end by the cathode plate KP; h is the insulated holder of the cathode ring. Z denotes a metallic hollow cylinder, which is designed at the same time as a mechanical support and a second cathode electrode.

Für die Wirkungsweise der Anlage sind folgende Funktionseigenschaften wesentlich: Durch die Wahl mehrerer parallelgeschalteter Elektroden wird ein hoher Elektronenstrom sichergestellt. Beispielsweise erreicht man mit Wolframdrähten einen wirksamen Elektronenstrom von 250 mA, der sich beim Übergang auf Oxydkathoden auf 500 mA und mehr erhöht. Mit den vorgesehenen Leistungen läßt sich beispielsweise Graphit schmelzen.- Da die Elektroden praktisch parallel zum Kraftfeld angeordnet sind, muß bedacht werden, daß noch eine genügende Anzahl von Kraftlinien an den Elektroden umbiegen und auf diesen als Potentialflächen senkrecht stehen; damit ist die Überwindung der Raumladung gesichert. Wenn sich auch die Elektronen im ersten Verlauf senkrecht zur Kammerachse in Bewegung setzen, schwenken sie dann aber doch in Richtung zu Anode um. Infolge der Wirkung des zylindrischen Kathodenbehälters auf hohem negativem Potential als elektrische Linse werden die Elektronen zum dichten Strahl zusammengeprellt und, der Trägheitswirkung folgend, durch die Anodenöffnung in Richtung der Austrittsöffnung geführt. Im ersten Vakuumraum bewirkt eine vorgesehene magnetische Linse eine scharfe Bündelung und Zentrierung des. Strahls.The following functional properties are essential for the operation of the system essential: By choosing several electrodes connected in parallel, a higher one is achieved Electron flow ensured. For example, you can reach one with tungsten wires effective electron current of 250 mA, which occurs when transitioning to oxide cathodes 500 mA and more increased. With the services provided, for example Melting graphite .-- As the electrodes come in handy parallel to the force field are arranged, it must be borne in mind that there are still a sufficient number of lines of force bend at the electrodes and stand perpendicular to them as potential surfaces; this ensures that the space charge is overcome. If the electrons are too set in motion perpendicular to the chamber axis in the first course, then pivot them but still in the direction of the anode. Due to the action of the cylindrical cathode container at a high negative potential as an electrical lens, the electrons become dense Beam collapsed and, following the effect of inertia, through the anode opening guided in the direction of the outlet opening. In the first vacuum space causes a provided magnetic lens a sharp focus and centering of the. beam.

So hohe Elektronenströme sind für längere Dauer nur dann möglich; wenn die nach dem Durchgang derselben durch Gase von noch erheblichem Vakuumdruck entstehenden positiven Ionen praktisch restlos von den Glühelektroden abgelenkt werden. Einmal fallen die Ionen an den Glühelektroden vorbei und enden auf der oberen Begrenzung des Kathodenbehälters, dann fallen sie zum großen Teil auf die Kathodenplatte des Käfigs; schließlich gelangen die in den Hochvakuumraum eintretenden und nicht auf die Kathode gerichteten Ionen infolge ihrer Trägheit schon bei geringster Abweichung von der Elektronenstrahlrichtung in den Bereich des starken Kraftfeldes der Kammerwand und werden dort neutralisiert; auch der Kathodenzylinder wirkt als Fänger für Ionen, welche sich in Richtung senkrecht zur Kammerachse bewegen.Such high electron currents are only possible for a longer period of time; if after the passage of the same through gases of still considerable vacuum pressure resulting positive ions are practically completely deflected by the glow electrodes will. Once the ions fall past the glow electrodes and end on the upper one Limitation of the cathode container, then most of them fall onto the cathode plate of the cage; eventually those entering the high vacuum space and not Ions directed at the cathode due to their inertia even with the slightest deviation from the electron beam direction into the area of the strong force field of the chamber wall and are neutralized there; the cathode cylinder also acts as a trap for ions, which move in the direction perpendicular to the chamber axis.

Die Getterdämpfe halten den Hochvakuumraum frei von Sauerstoff. Im ganzen wird der Kathodenschutz auch erhöht durch die Füllung der Vakuumräume mit Argon nach Beendigung einer jeden Bestrahlung.The getter vapors keep the high vacuum space free of oxygen. in the The entire cathodic protection is also increased by filling the vacuum spaces with Argon at the end of each irradiation.

Claims

Claims: 1. Device for generating an electron beam high power for heating purposes, consisting of a cathode, a surrounding one Wehnelt cylinder at cathode potential and an anode plate with the outlet opening for the electrons in which the electrodes mentioned are equiaxed to one another in a pumped vessel are arranged, d a d u r c h characterized that the cathode made of metallic threads or oxide cathode cylinders arranged perpendicular to the anode plate consists of a cage-like arrangement on a parallel to and opposite the anode plate metallic plate are mounted, in the middle of which serves as a power supply hollow metal cylinder arranged inside the cage parallel to the cathode axis is.

2. Electron gun according to claim 1, characterized in that the hollow cylinder of the cathode cage is filled with a getter metal, for example potassium. Considered publications: German Auslegeschriften Nos. 1146 985, 1138 483, 1133 041; French Patent Nos. 1323 202,1300115; RCA Review, Vol. 24, 1963, No. 1, pp. 5 to 46; R. Bakish, "Electron Beam Technology," 1962, New York, p. 79.