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Elektronenstrahlerzeuger Die Erfindung betrifft Elektronenstrahlerzeuger
mit einer Anode, einer Kathode und einer Hochfrequenzleitung zur Erzeugung von Elektronenstrahlimpulsen.
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Die Elektronenstrahlerzeuger nach der Erfindung sind insbesondere
zur Verwendung mit Elektronenhochenergiebeschleunigern geeignet.
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Für viele kemphysikalische Experimente ist es erwünscht, über Elektroneniinpulse
sehr kurzer Dauer, aber hoher Energie zu verfügen. Wie sich Elektronenimpulse bis
hinunter zu 10-7 sec herstellen lassen, ist bekannt. Ein typischer Elektronenstrahlerzeuger
für diesen Zweck weist als Elektronenemitter eine direkt geheizte Wolframwendel
oder auch eine indirekt geheizte Oxydkathode oder auch eine der zahlreichen bekannten
Sintennetallkathoden auf. Dicht vor der Kathode ist in einem kleinen Abstand von
ihr ein Gitter angeordnet, das gegenüber der Kathode negativ vorgespannt ist. Vor
dem Gitter liegen die Strahlfokussierungselektroden und dahinter dann die Anode
des Elektronenstrahlerzeugers. Werden an das Gitter positive Impulse angelegt, die
ausreichend hoch sind, um die negative Vorspannung zu überwinden, so können Elektronen
von der Kathode durch das Gitter hindurchtreten. Sie werden dann von den Fokussierungselektroden
zu einem Elektronenstrahl fokussiert und treten durch eine Öffnung in der Anode
in den Beschleuniger ein. Die Hauptschwierigkeit, die mit solchen Elektronenstrahlerzeugem
in Verbindung mit sehr kurzen Elektronenimpulsen auftritt, liegt in der Verzerrung
des angelegten Impulses, die sich aus der Gitter-Kathoden-Kapazität sowie aus der
Kapazität zwischen dem Gitter und den Fokussierungselektroden ergibt. Für Elektronenimpulse
bis hinunter zu einer Dauer von 0,5 - 10 -7 Sekunden macht sich diese
Impulsverzerrung noch nicht wesentlich bemerkbar, aber es sollen jetzt ja Elektronenimpulse
von einer Dauer bis hinunter zu 10-9 Sekunden hergestellt werden. Es sind
Verfahren vorgeschlagen worden, diese Schranke durch die Verwendung eines Elektronenstrahlerzeugers
mit einem koaxialen Aufbau zu'überwinden. Dabei wird aber unter anderem der Anschluß
des Kathodenheizsystems sehr schwierig.
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Hier sei zur Klarstellung folgendes bemerkt: Um Elektronen in einem
Linearbeschleuniger beschleunigen zu können, müssen die Elektronen phasenfokussiert
werden, d.h. in einzelne, scharfe Bündel zusammengefaßt werden, so daß sich die
Phase des Beschleunigungsfeldes innerhalb eines Elektronenbündels nicht merklich
ändert. Der eigentliche Elektronenimpuls, der vom Beschleuniger abgegeben wird,
besteht dann aus hunderten solcher Elektronenbündel. Um diese Phasenbündelung der
Elektronen zu verbessern, ist es bekannt, den Elektronenstrahl durch eine Hochfrequenzleitung
zu schicken, die als Hohlleiter ausgebildet und in bestimmter Weise dimensioniert
ist. In diesem Hohlleiter wird ein Hochfrequenzfeld hervorgerufen, und zwar entweder
mittels eines eigenen Klystrons mit zugehörigem Modulator, oder aber durch Verwendung
des eigentlichen Beschleunigungsfeldes selber. Weiterhin ist es zu diesem Zweck
bekanntgeworden, den Elektronenstrahlerzeuger nach Art eines Klystrons selbstschwingend
aufzubauen.
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Die eben erwähnte Aufgabe, nämlich die Verbesserung der anfänglichen
Phasenfokussierung des elektronenstrahls, soll der vorliegende Strahlerzeuger nicht
lösen. Die zu lösende Aufgabe besteht vielmehr darin, den Impuls möglichst kurz
zu machen, also dafür zu sorgen, daß der gesamte Elektronenimpuls im Falle eines
Linearbeschleunigers aus möglichst wenig Elektronenbündeln besteht.
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Ein Elektronenstrahlerzeuger der eingangs genannten Art, mit dem sich
sehr kurze Elektronenimpulse erzeugen lassen, ist nach der Erfindung dadurch gekennzeichnet,
daß zwischen Kathode und Anode eine quer zur Richtung der Strahlachse liegende Bandleitung
angeordnet ist, die mit Durchtrittsöffnungen für den Elektronenstrahl versehen ist
und deren Innenleiter als Steuerelektrode dient, und daß die Kapazität zwischen
dem Innenleiter und der
Kathode an den Wellenwiderstand der Bandleitung
angepaßt ist.
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Es ist günstig, wenn man diese Bandleitung an einem Ende kurzschließt.
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Mit einem solchen Elektronenstrahlerzeuger ist es möglich, Elektronenimpulse
zu erzeugen, deren minimale Dauer bei etwa 1 Nanosekunde liegt. Das liegt
daran, daß das Steuergitter des Elektronenstrahlerzeugers teils als Innenleiter
der Bandleitung ausgebildet ist. Elektronenimpulse derart kurzer Dauer sind für
sehr viele kernphysikalische Experimente von Bedeutung. Im Gegensatz zu den herkömmlichen
Elektronenstrahlerzeugem mit Steuergitter zur Emissionssteuerung ist die Eingangsimpedanz
nicht mehr von den Gitterkapazitäten bestimmt, sondern nur noch von dem Wellenwiderstand
der Bandleitung. Dadurch ist es möglich, Steuerimpulse weitestgehend unverzerrt
an das Gitter anzulegen. Insbesondere ist es der Eigenschaften der Bandleitung wegen
möglich, auch sehr steile Impulse zum Ansteuern des Elektronenstrahlerzeugers zu
verwenden. Schließt man noch die Bandleitung an dem einen Ende kurz, so braucht
man die Steuersignale nicht mehr besonders zu formen. In diesem Fall genügt es,
einen steilen Spannungssprung hervorzurufen. Die eigentliche Impulsformung wird
dann in der kurzgeschlossenen Bandleitung selbst durchgeführt. Abgesehen davon,
daß dem vorliegenden Elektronenstrahlerzeuger der Bandleitung wegen wesentlich steilere
Steuerimpulse zugeführt werden können, als es bei herkömmlichen Elektronenstrahlerzeugem
möglich ist, kann der Steuergenerator der höheren und frequenzunabhängigen Eingangsimpedanz
der Bandleitung wegen einfacher aufgebaut sein. Außerdem ist die benötigte Steuerleistung
geringer.
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Der Ausdruck »Bandleitung«, der in dieser Beschreibung verwendet wird,
soll eine übertragungsleitung bezeichnen, die einen bandförmigen, elektrischen Innenleiter
aufweist, dessen Breite merklich gr a, ößer als seine Dicke ist, der von einem zweiten
elektrischen Leiter ganz oder teilweise umgeben ist. Der Elektronenstrahlerzeuger
soll, wie allgemein üblich ist, in einem Vakuumsystem angeordnet sein. Die Kathode
kann eine indirekt geheizte Sintermetallkathode sein. Sie kann Bestandteil eines
Kathodenrevolvers sein, wie er bereits beschrieben worden ist. Dadurch ist es möglich,
Kathoden zu ersetzen, ohne das Vakuumsystem öffnen zu müssen.
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Im folgenden wird die Erfindung an Hand von Ausführungsbeispielen
in Verbindung mit den Zeichnungen im einzelnen beschrieben.
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F i g. 1 ist ein Längsschnitt durch einen Elektronenstrahlerzeuger;
F i g. 2 ist ein Querschnitt längs der Linie II-II aus Fig. 1;
F i
g. 3 ist ein Querschnitt längs der Linie III-III aus Fig. 1;
F i
g. 4 zeigt die überlagerung zweier Spannungsimpulse in einer kurzgeschlossenen
Bandleitung; F i g. 5 ist ein Längsschnitt durch den Elektronenstrahlerzeuger;
F i g. 6 zeigt die allgemeine Anordnung des Elektronenstrahlerzeugers in
Verbindung mit einem Impulsgenerator.
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In den F i g. 1, 2 und 3 ist ein Elektronenstrahlerzeuger
gezeigt, der eine indirekt geheizte Kathode 1,
eine mit einer axialen öffnung
versehene Anode 2 sowie ein Steuergitter 3 aufweist, das über einen mit einer
öffnung versehenen Abschnitt eines Innenleiters 4 einer Bandleitung gespannt ist.
Der Außenleiter dieser Bandleitung wird von zwei Bauteilen dargestellt, die den
Innenleiter gemeinsam umgeben. Die obere Wandung 5 des Bandleiters trägt
eine öffnung und ist als Strahlfokussierungselektrode ausgebildet, während die untere
Wandung 6 als Halterung für die Kathode 1 dient. Der Innenleiter und
der Außenleiter sind mittels einer Kapazität 7 aneinander angeschlossen.
Dadurch ist es möglich, das Gitter 3 gegenüber der Kathode 1 negativ
vorzuspannen. Während des Betriebs werden dem Gitter 3
über eine Leitung 4
positive Impulse zugeführt, die die negative Vorspannung überwinden können. Dadurch
können die entsprechenden Elektronenimpulse von der Kathode emittiert werden. Der
Kondensator 7 ist so gewählt, daß seine Impedanz bei der Steuerimpulsfrequenz
zu vernachlässigen ist. In der dargestellten Ausführungsforin ist zwischen den Kondensator
7 und den Leiter 4 ein Widerstand 8 eingesetzt, der die gleiche Impedanz
wie die Bandleitung gegenüber dem Steuerimpuls besitzt. Wenn der Gitter-Kathoden-Abstand
und die Impedanz der Bandleitung richtig gewählt sind, so wird ein kurzer Impuls,
der an einem Ende auf die Bandleitung gegeben wird, ohne Impulsverzerrungen bis
zu dem Widerstand 8 am anderen Ende der Leitung weitergeleitet, wo er absorbiert
wird. Mit einer solchen Anordnung ist es möglich, Steuerimpulse von etwa
1 Nanosekunde Dauer ohne Verzerrungen auf das Steuergitter zu übertragen.
Dadurch werden entsprechend kurze Elektronenimpulse von der Kathode emittiert.
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Um nun die Amplitude der Steuerimpulse zu verringern, die an den Leiter
4 angelegt werden (von üblicherweise einigen hundert Volt bis auf eine Amplitude
von 50 Volt), kann die Strahlfokussierungselektrode 5 mit einem Schirmgitter
9 ausgerüstet sein und mit dem Kathodensteuergitter und der Anode in einer
Linie liegen. In diesem Fall werden die beiden Bauteile 5 und 6 des
Außenleiters der Bandleitung durch eine dünne Isolierschicht getrennt (nicht gezeigt),
um das Schirmgitter bezüglich der Kathode auf einem positiven Potential zu halten.
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In der Ausführungsform nach den F i g. 1 bis 3 ist der
Widerstand 8 eingesetzt. Als andere Ausführungsform kann man diesen Widerstand
weglassen, so daß die Bandleitung kurzgeschlossen ist. Wenn man dafür sorgt, daß
der positive Impuls, der auf den Leiter 4 gegeben wird, eine steile vordere Impulsflanke
besitzt, so wird er bei dieser Anordnung am kurzgeschlossenen Ende der Bandleitung
unter Umkehr seiner Polarität reflektiert. Am Gitter 3 tritt dann ein Impulszug
auf, der sich aus dem einfallenden und dem reflektierten Impuls zusammensetzt. Dabei
übersteigt der positive Anteil dieses Impulszuges die negative Gitterspannung und
sorgt daher von der Kathode aus gesehen für einen positiven Steuerimpuls, während
dessen Dauer die Kathode entsprechend kurze Elektronenimpulse aussendet. Die Bildung
eines solchen Steuerimpulses ist in F i g. 4 gezeigt, in der die Impulsspannung
am Gitter 3 gegenüber der Zeit aufgetragen ist. V, stellt einen positiven
Impuls dar, der dem Gitter von dem Leiter 4 zugeführt wird. VR ist der am kurzgeschlossenen
Ende der Bandleitung reflektierte Impuls. Der Impulszug, der dadurch am Gitter entsteht,
ist in F i g. 4 durch eine stark ausgezogene Linie dargestellt. Von diesem
Impulszug
übersteigt der Abschnitt Vc die negative Gittervorspannung
der Größe VB und stellt den Steuerimpuls für das Gitter dar.
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Die Dauer dieses Steuerimpulses hängt nur von der Phasenverschiebung
zwischen dem einfallenden und dem reflektierten Impuls am Gitter 3 ab. Diese
Phasenverschiebung ist ihrerseits von der Länge der Bandleitung zwischen dem Gitter
3 und ihrem kurzgeschlossenen Ende abhängig. Bei dieser Anordnung ist daher
die Dauer des Steuerimpulses weitestgehend unabhängig von der Dauer des einfallenden
Impulses, so daß Steuerimpulse und damit Elektronenimpulse von einer Dauer von einer
Nanosekunde und weniger unter der Verwendung von einfallenden Impulsen verhältnismäßig
großer Impulsdauer leicht hergestellt werden können.
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F i g. 5 zeigt Einzelheiten im Aufbau eines Elektronenstrahlerzeugers.
Auf einer keramischen Stützplatte 10 ist eine Kathode 1 montiert.
Die Stützplatte 10 ist an einem Bauteil 6 gehaltert, der den innersten
Teil des Außenleiters einer übertragungsleitung darstellt. Der am weitesten außen
liegende Abschnitt dieses Außenleiters wird von einer Deckplatte 11 mit einer
Strahlfokussierungselektrode 5 gebildet. Der Innenleiter 4 dieser übertragungsleitung
ist mit einer öffnung versehen, die ein Steuergitter 3 trägt. Die zusätzliche
Kapazität, die durch den engen Abstand zwischen der Kathode und dem Gitter eingeführt
wird, ist dadurch ausgeglichen, daß an der Stelle 13
ein Teil aus dem Bauteil
6 herausgeschnitten ist. Der Leiter 4 ist in der Nähe des Gitters mittels
eines keramischen Isolators 14 gehaltert, der den richtigen Gitter-Kathoden-Abstand
aufrechterhält.
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Eine mit einer öffnung versehene Anode 2 wird von einer Stützplatte17
getragen, die die Endplatte der Vakuumkammer eines Beschleunigers sein kann. Die
Grundplatte 16 ist von dieser Stützplatte aus mittels üblicher Isoliervorrichtungen
18 gehaltert. Die Enden des Innenleiters 4 der Bandleitung sind an Anschlüsse
12 mit Glas-Metall-Verschmelzungen angeschlossen. Sie gehen an dieser Stelle durch
die Endplatte 16 hindurch. Für den Anschluß der Kathode 1 werden weitere
Glas-Metall-Verschmelzungen 15 verwendet.
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In F i g. 6 ist ein Impulsgenerator 19 über eine übertragungsleitung
20 mit dem Elektronenstrahlerzeuger verbunden. Die übertragungsleitung 20 kann eine
Bandleitung sein, die die gleichen Eigenschaften wie die Bandleitung in dem Elektronenstrahlerzeuger
aufweist. Es kann aber auch eine andere Leitung mit anderen Eigenschaften sein,
sofern für eine Impedanzanpassung gesorgt ist. Die Übertragungsleitung kann gleichstrommäßig
durch ein kapazitives Element 21 unterbrochen sein, um zu verhindern, daß die Gittervorspannung
an den Impulsgenerator gelangt. Die Gittervorspannung wird an den Innenleiter 4
angelegt, der das Gitter trägt. Das -eschieht von einer Batterie oder einer anderen
Spannungsquelle 22 aus über eine Drossel 23 oder über ein anderes Bauelement,
das gegenüber einer Impulsspannung einen hohen Widerstand besitzt. Die Drossel oder
ein anderes Bauelement 23 sind an den Mittelleiter der Übertragungsleitung
angeschlossen. Dabei sind Vorrichtungen verwendet, die eine Impedanzfehlanpassung
der übertragungsleitung verhindern. Diese Vorrichtungen sind aber nicht gezeigt.
Das ganze System kann evakuiert sein. Bei 24 ist ein Teil des Vakuumgefäßes zu sehen.