DE1938172U - Elektronenstrahlen abgebende rohre. - Google Patents

Description

RA. 117.91 B-13.66

Karl-Α. Bros·

Dipl -Ing.

München-Pulladh

WfonerSfr. 2.-TpI. München 710670

κ/Hs München-Pullach, 1.3-1966

Aktenzeichen: F 23 968/21g Gbm

FIELD EMISSION CORPORATION, eine Firma nach den Gesetzen des Staates Oregon, 611 East Third Street, McMinnville* Oregon, USA

Kathodenstrahlrohr

Zum Bestrahlen mit Elektronen ist eine Röhre bekannt, bei welcher die Anode als Strahlenaustrittefenster in der Wand eines evakuierten Gefäßes ausgebildet ist, hinter dem eine flächige Glühkathode liegt. Die Beschleunigungsspannung wird mittels eines Transformators, d»h. also impulsförmig an Kathode und Anode gelegt. Es ist auch bekannt, an Spitzen oder Schneiden mit kleinem Krümmungsradius durch Feldemission Elektronen austreten zu lassen. Dazu igt ersichtlich eine Heizung nicht erforderlich, wie dies bei der Glühkathode der Fall ist. Weiter ist eine nach diesem Prinzip arbeitende und als Gleichrichter eingesetzte Elektronenröhre bekannt, bei der von einer scharfen Kathode eine Feldemissions-Spitzenentladung zur Anode geht.

Beim Bestrahlen von Proben, beispielsweise Geweben und dgl. mit Hilfe der eingangs beschriebenen Röhre kann man nur mit sehr geringen Intensitäten arbeiten. Selbst bei Impulsbetrieb mit Impulsen von etwa einer Mikrosekunde Dauer erreicht man

α wesentlich weniger als eine Dosis von 1o rad. Die Neuerung hat sich zum Ziel gesetzt, wesentlich höhere Dosen in viel kürzerer Zeit zu erreichen. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn sehr kleine Proben untersucht werden sollen oder wenn nach der Bestrahlung schnell abklingende Prozesse zu untersuchen sind.

Zu diesem Zv/eok betrifft die Neuerung ein Kathodenstrahlrohr zur Bestrahlung von Materialproben im Impulsbetrieb mittels eine dünne Anode durchsetzender Elektronen, und besteht im wesentlichen darin, dass die Katnode in an sich bekannter Weise eine Vielzahl von auf die Anode weisenden vorzugsweise nadelartigen Vorsprüngen aufweist und dass diese Vorsprünge an ihren Spitzen einen so kleinen Krümmungsradius haben, dass bei jedem zur Feldemission ausreichenden Impuls an einigen Vorsprüngen Vakuumlichtbögen entstehen.

Verfügbare Impulsgenera.toren liefern Rechteckimpulse von o,o3 - o,1 MikroSekunden Dauer bei Stromstärken von 2ooo Ampere und einer Spannung von etwa 2 Hillionen Volt. Mit Hilfe

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der Neuerung lassen sich damit Dosen bis zu 2 χ 1o rad je Sekunde erzeugen. Nach der Neuerung werden also die Krümmungsradien an den Spitzen der Vorsprünge mit Absicht so klein gewählt, daß an einigen wenigen dieser Vorsprünge Vakuumlichtbögen entstehen, so dass also zwischen diesen Vorsprüngen und der Anode ein Elektronenstrom entsteht, der weit höher ist, als ein nur durch Feldemission erzeugter Elektronenstrom. Dadurch, dass eine Vielzahl von meist als Nadelspitzen ausgebildeten Vorspr.üngen vorgesehen ist, kann bei der Neuerung eine Röhre relativ oft eingesetzt v/erden, bis sie - nachdem alle Nadeln abgeschmolzen sind - unbrauchbar wird.

Bei einer besonders zweckmässigen Ausbildung der Kathodenstrahlröhre nach der Neuerung hat die Anode die G-estalt einer hohlen Kammer, deren Innenraum zur Aufnahme von Proben von aussen zugänglich ist. Bei einer praktischen Ausbildung ist dabei vorgesehen, dass die Anode die G-estalt eines einerends abgeschlossenen Hohlzylinders aufweist, der an einem koaxial dazu angeordneten Rohr, welches nach aussen offen ist, innerhalb einer im wesentlichen zylindrischen Hülse gehalten, ist, an v/elcher fest

die Kathode bildende Nadeln auf die Anode zuweisend angeordnet sind.

In einer weiteren besonders zweckrnässigen Ausgestaltung der Röhre nach der Neuerung ist vorgesehen, dass die Anode in an sich bekannter Weise als otrahlenaustrittsfenster einen Teil der G-efäßwandung bildet und ρIs Kathode eine mit auf das Fenster weisenden Spitzen versehene Platte hinter der Kathode angeordnet ist.

Bei dieser letzteren Ausbildung wird in einer zweckmässigen Weiterbildung der Neuerung eine Halterung vorgesehen, in der mehrere Röhren mit als Teil der G-efäßwandung ausgebildetem Strahlenaustrittsfenster derart fest miteinander gehaltert werden können, dass ihre Strahlrichtungen sich im wesentlichen in einem Punkt treffen. In diesem Falle verbringt man also die Probe etwa an die Stelle, an der sich die Strahlrichtungen treffen.

Im folgenden wird die Neuerung unter Hinweis auf die Zeichnung erläutert. In dieser zeigen:

Figur 1 im Längsschnitt eine zum Arbeiten nach der Neuerung ausgebildete Höhre;

Figur 2 eine Einzelheit der Röhre nach Figur 1;

Figur 3 vergrössert einen Querschnitt nach der Linie III-III der Figur 1;

Figur 4 eine weitere zweckmässige Ausgestaltung

einer Röhre zum Arbeiten nach der Neuerung;

Figur 5 eine Stirnansicht der Röhre nach Figur 4 von rechts;

Figur 6 die Enden dreier Röhren nach Figur 4 in gemeinsamer Halterung;

Figur 7 eine Halterung nach Figur 6 ohne eingesetzte Höhren;

Figur 8 eine Ansicht der Halterung nach Figur 7 von unten.

Die in den Figuren 1 - 3 veranschaulichte Elektronenstrahlröhre enthält einen evakuierten Glaskolben 1o von langgestreckter röhrenartiger Form. Der Kolben weist an einem Ende einen einspringenden Abschnitt 12 auf, welcher an seinem inneren Ende durch einen Quetschfuß 14 abgeschlossen ist, durch den sich zwei Kathodenzuleitungen 16 erstrecken, welche auch als Trägerteile für die Kathodenanordnung 18 dienen.

Die Kathodenanordnung weist die Form eines an den Enden offenen, hohlen zylindrischen Teils auf, das koaxial zum Kolben "Io gehalten ist und durch vier bogenförmige Elemente 2o aus Metallblech sowie vier Tragblöcken 22 für die Kathodennadeln gebildet ist. Die bogenförmigen Elemente sind kreisförmig mit Abstand angeordnet. Jedes bogenförmige Element erstreckt sich mit einem etwas geringeren Winkel als 9o um die zylindrische Kathodenanordnung» Die sich axial erstreckenden Kanten der bogenförmigen Elemente sind nach aussen gebogen, so dass Flanschen 24 gebildet werden. Die Tragblöcke für die Nadeln bestehen aus rechteckigen, in Achsrichtung der Kathodenanordnung länglich ausgebildeten Teilen und sind zwischen den einander gegenüberliegenden, an den Kanten angeordneten Flanschen 24 der benachbarten bogenförmigen Elemente 2o angeordnet. Diese einander gegenüberliegenden Flanschkanten sind zueinander parallel gerichtet und jeweils an den einander gegenüberliegenden Seiten eines der Nadelträgerblöcke in geeigneter Weise, beispielsweise durch Punktschweissung befestigt. Einander entsprechende Flanschkanten 24 von zwei diametral gegenüberliegenden bogenförmigen Elementen 2o sind auch noch jeweils an einem der lei-

tenden Kathodenträger 16 befestigt. Diese Befestigung kann beispielsweise durch Punktschweissung erfolgen.

Die Nadelträgerblöcke 22 weisen jeweils eine Vielzahl von mit Abstand angeordneten scharfen Nadelspitzen 26 auf, welche auf den Trägerblöcken befestigt sind und gegen die Anodenanordnung 28 zu gerichtet sind. Letztere ist ebenfalls hohlzylindrisch ausgebildet und innerhalb der Kathodenanordnung 18 und koaxial zu dieser gelagert. Die Nadelspitzen können eine Krümmung an

-5 der Spitze aufweisen, deren Radius einem Bereich von 1o bis 1o cm umfassen kann. Die Nadelspitzen können einen Absta.nd von 1 bis 3o tausendstel Zoll (o,o25 - o,75 mm) aufweisen und von ihren Trägerblöcken 22 einen Abstand von der G-rössenordnung von 5o bis 6o tausendstel Zoll (o,125 - 0.I5 cm) aufweisen. Die inneren oder nadeltragenden Abschnitte der Blöcke 22 stehen vorzugsweise nach innen gegenüber der inneren rundzylindrischen Fläche der Kathodenanordnung vor, welche durch die bogenförmigen Elemente 2o gebildet wird. Dadurch ergibt sich eine Elektronen emittierende und den Elektronenstrom fokulierende Anordnung, welche durch eine kombinierte Wirkung der Feldemission und eines Vakuumlichtbogenbetriebs eine grosse Anzahl Elektronen aus den Nadelspitzen 26 freigibt und mit hoher Geschwindigkeit zur Anodenanordnung 28 hinlenkt, wenn zwischen die Kathodenanordnung und die Anodenanordnung ein Hochspannungsimpuls angelegt wird, der von einer Quelle geliefert wird, die den starken Stromimpuls liefern kann. Der von den Nadelspitzen kommende Metalldampf wird ionisiert, wobei jedoch der Hochspannungsimpuls unterbrochen wird, bevor durch einen Lichtbogen Metall von dem Anodenelement weggenommen wird. Es wird somit von einigen wenigen Nadelspitzen jedes Blocks 22 bei jeder Inbetriebsetzung der Röhre Metall entfernt. Da jedoch genügend Nadelspitzen vorgesehen sind, kann die Röhre eine grosse Anzahl aufeinanderfolgender Arbeitsvorgänge durchführen.

Die Anodenanordnung enthält ein kreiszvlindrisch.es, hohles Anodenelement 3o aus dünnem Metall, das an einem Ende an das offene Ende einer die Anodenanordnung haltenden' metallischen Trägerröhre 32 befestigt ist, so dass eine freie Verbindung zwischen dem Inneren des Hohrs 32 und der Anodenanordnung 3o geschaffen wird. Das andere Ende des Anodenelements 3o ist durch eine Metallscheibe 34 verschlossen, so dass eine Anodenkammer 36 innerhalb des Anodenelements 3o geschaffen wird.

Das Anodentragrohr 32 erstreckt sich axial zum Kolben durch eine Metallkappe 38. Diese Metallkappe 38 ist mit ihren am Umfang liegenden Kanten mit dem inneren Ende eines nach innen eingezogenen Abschnittes 4o des Kolbens 1o dicht verbunden, das sich bezüglich des nach innen einspringenden Abschnittes 12 am anderen Ende des Kolbens befindet. Dieee Kappe kann aus einem der verschiedenen bekannten oder geeigneten Legierungen bestehen, die entsprechend ausgewählt wurde, dass sie einen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist, der dicht an demjenigen des Glases des zurückspringenden Abschnittes 4o liegt. Innerhalb der Kappe 38 ist ein das Rohr 32 umgebender Verstärkungskragen 42 angeordnet. Dieser Kragen ist an der Kappe 38 und dem Rohr 32 befestigt, um eine starre Halterung für das Rohr und das von diesem getragenen Anodenelement 28 zu erhalten. Man bemerkt, dass die Anodenkammer 36 gegenüber dem im Kolben 1o herrschenden Vakuum dicht abgeschlossen ist, jedoch über das Rohr 32 mit der Atmosphäre in Verbindung steht. Ein in Figur 2 schematisch veranschaulichter Behälter oder eine andere Halteeinrichtung 44 ist am Ende eines Griffs oder Drahts 46 geeigneter Länge befestigt. Der Behälter, v/elcher eine geeignete Substanz enthält, oder auf dessen äussere Oberfläche eine geeignete Substanz aufgebracht ist, die der

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Elektronenbestrahlung ausgesetzt werden soll, kann über das Rohr 32 in die Anodenkammer 36 eingeführt und aus dieser entnommen werden.

An der Kappe 38 ist auch noch ein geeigneter Stecker oder eine geeignete Buchse 48 befestigt, über die sowie über die Kathodenleitungen 16 eine Verbindung mit einer elektrischen Energiequelle hergestellt werden kann, die hohe Spannungen und hohe Ströme liefert, Es ist kler, dass die übliche G-etterpille (nicht dargestellt) zwischen den Kathodenleitungen 16 angeschlossen und während des Evakuierens des Kolbens 1o mit Energie beaufschlagt werden kann.

Es ist klar, dass die neuerungsgemässe Röhre in verschiedenen Abmessungen ausgeführt werden kann. Als spezielles Beispiel kann der Durchmesser des Anodenelements 3o 1 cm und dessen Länge 2 cm betragen. Die Wanddicke dieses Elements kann in der G-rössenordnung von 1 tausendstel Zoll (o,o25 mm) liegen. Das Material dieses Elements kann aus einer Anzahl von Metallen, beispielsweise Beryllium, Titan oder Molybdän ausgewählt v/erden. Jeder Kathoden-Nadelträgerblock 22 kann beispielsweise aus· Kupfer bestehen, o,6 Zoll (1.5 cm) lang sein und eine in der G-rössenordnung von 1oo liegende Anzahl von Nadelspitzen tragen, welche selbst aus Wolfram oder einem anderen Metall bestehen. Diese Nadelspitzen können beispielsweise 1,3 cm von der Oberfläche des Anodenelements 3o entfernt gehaltert sein und die von den Nadelspitzen emittierten Elektronen werden teilweise durch die bogenförmigen Elemente 2o gegen das Anodenelement zu gerichtet, wobei die bogenförmigen Elemente 2o als Pokusierelemente wirken, se dass die von den Gruppen der Kathodennadelspitzen ausgehenden Strahlen in Richtung auf das Anodenelement zusammenlaufen oder konvergieren und ruf dieses Anodenelement auftreffen.

Die in den Figuren 4 bis 6 veranschaulichte Röhre enthält ein rohrförmiges G-laateil 5o, das einen Teil des Kolbens der Röhre bildet und an einem Ende einen nach innen einspringenden Abschnitt 52 bildet, in den zwei Kathodenzuleitungen 54 eingeschmolzen sind, die an ihren Enden innerhalb des Kolbens einen Trägerblock 56 für Kathodennadeln halten, der im allgemeinen gleich ausgeführt ist, wie die vorstehend beschriebenen Nadelträgerblöcke 22. Der Nadelträgerblock ist mit in Abstand angeordneten Nadelspitzen 26 versehen, die ebenfalls nach Art der vorstehend besprochenen ausgeführt sind. Die Nadelspitzen 26 der Röhre gemäss der Figur 4 bis 6 sind jedoch gegen das Röhrenende 58 zu gerichtet, das entgegengesetzt zu den nach innen eingezogenen Abschnitt 52 liegt.

Das Ende 58 der Glasröhre 5o ist zu einem länglichen Oval abgeplattet und mit einer ovalen Kolbenabschlusskappe 6o dicht verbunden. Die Abschlusskappe 6o besteht aus einem geeigneten Material, dessen Wärmeausdehnungskoeffizienten ähnlich demjenigen des G-lases des Endes 58 ist. Die Abschlusskappe 6o weist eine rechteckige Öffnung 62 auf, die in einer Fluchtrichtung mit den Nadelspitzen 26 liegt. Die Öffnung 62 ist durch ein Fenster 64 aus dünnem Metall verschlossen, wobei als Material eins der Metalle in Frage kommt, die in Zusammenhang mit dem Anodenelement 3o der Figur 1 bis 3 besprochen wurden. Das Fenster 64 ergibt ein Anodenelement und kann die gleiche oder sogar noch geringere Dicke aufweisen als das Anodenelement 3o gemäss Figur 1 bis 3.

Mehrere der Röhren der in den Figuren 4 und 5 gezeigten Art können mit ihren anöden- oder kappenseitigen Enden aneinanderliegend befestigt werden, beispielsweise indem die Kappen dieser drei Röhren in ovale Sockel 66 eingesteckt werden, die in

den drei Seiten eines aus Blech bestehenden Träger- und Anodenverbindungsteiles 68 ausgebildet sind. Die Sockel 66 nehmen die Kappen 6o auf und sind an diese angepasst. Es ist klar, dass die Röhren der Figur 6 parallel zueinander betrieben werden und dass geeignete Kathoden- und Anodenanschlüsse vorgesehen sind. Das von den Elektronen zu bestrahlende Material wird in der Anodenkammer 7o angeordnet, die durch die Anodenanordnung geschaffen wird, welche die anodenseitigen Enden der Röhren bilden. Das Material kann in geeigneten dünnwandigen Behältern gelagert werden oder es kann, wenn dies die Eigenschaften das Materials erlauben, durch einen der Kolbenverschlüsse getragen werden, den die Kappe 6o und das Fenster 64 bilden, ohne dass für das Material ein besonderer Behälter zur Anwendung gelangt.

Es ist klar, dass die an früherer Stelle erwähnten hohen Strahlendosismengen hohe Stromdichten des Elektronenstrahls erfordern, die beispielsweise in der G-rössenordnung von 5oo Ampere je qcm liegen und dass sogar bei Impulslängen von o,1 Mikrosekunden oder kürzer eine beträchtliche Erhitzung des Anodenelements eintritt. Diese Erhitzung steigt mit der Dichte des verwendeten Metalls an. Beispielsweise steigt die Temperatur eines o,oo1 Zoll starken (o,o25 mm) Molybdänelements bis auf 4oo°C an, wenn es ein einziges Mal ^τ^οη einem derartigen Elektronenstrahl durchlaufen wird. Bei einem Material geringerer Dichte, wie beispielsweise Beryllium ist diese Temperatur geringer als 1oo C. Die obere Begrenzung des Elektronenstromes hoher Spannung stellt somit die Erwärmung dar, welche auftritt, wenn ein spezielles Material als Anodenelement Verwendung findet. Eine Grenze ist auch durch die Temperatur gegeben, die ein solches Metall ohne Zerstörung des Anodenelements 28 aushält. Natürlich tritt als v/eiterer begrenzender Faktor diejenige Temperatur hinzu, die von dem besonderen, zu, behandelnden Material vertragen wird.

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Aus der vorstehenden Erörterung geht auch hervor, dass ein Teil der Energie der mit hoher Geschwindigkeit ausgestatteten Elektronen durch nicht elastischen Zusammenprall mit den Atomen des Metalls des Anodenelements verlorengeht, wenn die Elektronen dieses Anodenelement passieren, Tatsache ist, dass nicht alle dieser Elektronen durch das Element hindurchgehen. Beispielsweise gehen bei Molybdän ca» 83 f° der Elektronen mit einer Anfangsenergie ύοπ 6oo ooo Elektronenvolt durch ein Anodenelement von 1 tausendstel Zoll (o,o25 mm) hindurch, während der Energiebereich der restlichen durchlaufenden Elektronen zwischen 55o ooo und 57o ooo Elektronenvolt liegt. Elemente mit einer niedrigeren Ordnungszahl als Molybdän lassen bei gleicher Dicke des Anodenelements eine grössere Anzahl von Elektronen durch, wobei auch die Energie der durchgelassenen Elektronen weniger vermindert wird. Die in der Anodenkammer behandelten Materialien werden daher nicht einem wirklich monoenergetischen Elektronenstrahl ausgesetzt. Dies ist jedoch in keinem Pail möglich, da eine Energiezerstreuung hervorgerufen wird, sobald die Elektronen in das zu behandelnde Material eindringen. Da die Elektronen das zu behandelnde Material von verschiedenen Richtungen aus erreichen, wird die Substanz gleichmässiger behandelt, als dies bei den früheren Systemen der Fall war, bei denen nur ein von einer Sichtung kommender Elektronenstrahl verwendet wurde=

Alle beschriebenen und gezeigten Einzelheiten sind neuerungswesentlich. .

Claims (5)

- 11 - SCHUTZANSPRÜCHE

1. Zathodenstrahlrohr zur Bestrahlung von Materialproben im Impulsbetrieb, mittels eine dünne Anode durchsetzender Elektronen, dadurch gekennzeichnet , dass die Kathode in an sich bekannter Weise eine Vielzahl von auf die Anode weisenden vorzugsweise nadelartigen Vorsprüngen aufweist und dass diese Vorsprünge an ihren Spitzen einen so kleinen Krümmungsradius haben, dass bei jedem zur Feldemission ausreichenden Impuls an einigen Vorsprüngen Vakuumlichtbögen entstehen.

2. Röhre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Anode (28, Fig. 1-3) die Gestalt einer hohlen Kammer hat, deren Innenraum zur Aufnahme von Proben von aussen zugänglich ist.

3. Röhre nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Anode die Gestalt eines einerends abgeschlossenen (34) Hohlzylinders (3o) aufweist, der an einem koaxial dazu angeordneten Rohr (32), welches nach aussen offen ist, innerhalb einer im wesentlichen zylindrischen Hülse (2o) gehalten ist, an welcher fest die Kathode bildende Nadeln (26) auf die Anode zuweisend angeordnet sind,,

4. Röhre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Anode (siehe Figur 4) in an sich bekannter Weise als Strahlenaustrittsfenster (64) einen Teil der Gefäßwandung (5o, 58) bildet und als Kathode eine mit auf das Fenster (64) weisenden Spitzen (26) versehene Platte (56) hinter der Kathode angeordnet ist.

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5. Röhren nach Anspruch 4, dachirch gekennzeichnet, dass sie mittels einer Halterung (68; Fig. 5-8) derart fest miteinander verbunden sind, dass ihre Strahlrichtungen sich im wesentlichen in einem Punkt treffen.

«: Diese Unterioge (Beschreibung und Schufzonspr.) ist die zutetrf eingerekniv; sie wäM von rf.-r Wc fassung der urspfungüch «ngereichten Unterlagen ab. Die rechtliche Bedeutung der Abweichung si r,i iit Die ursprünglich eingereichten Unferlagen befinden sich in den Amrsakten. Sre können jederzeit c-';r,e eines rechtlichen Inieresses gebührenfrei eingesehen viertten. Auf Antrag werden hiervon auch fofokopien oder negative zu den üblichen Preisen gelisrert. Deutsches Patentamt, Gebrauchsmusrersrdle.