DE3586176T2

DE3586176T2 - Mikrowellenelektronenkanone.

Info

Publication number: DE3586176T2
Application number: DE8585903901T
Authority: DE
Inventors: John Madey; Glen Westenskow
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1984-07-19
Filing date: 1985-07-08
Publication date: 1993-02-18
Anticipated expiration: 2005-07-09
Also published as: JPS61502788A; EP0187852A1; US4641103A; EP0187852B1; ATE77002T1; AU4670485A; WO1986001032A1; EP0187852A4; JPH0572693B2

Description

GEBIET DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung bezieht sich grundsätzlich auf Elektronengeräte, und speziell auf eine Kanone für die Erzeugung eines Elektrodenstrahls, der für die Injektion in einen Linearbeschleuniger geeignet ist.
Die Regierung der Vereinigten Staaten verfügt über Rechte an dieser Erfindung aufgrund des Vertrags Nr. N 00014-78-C-0403, zugeteilt vom Amt für nautische Forschung.

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Hochstrom-Elektronenstrahlen mit geringem Emissionsvermögen sind für eine Anzahl von Anwendungen in der wissenschaftlichen Forschung, Technologie und Nedizin erforderlich. Anwendungen wie beispielsweise die Nuklearphysik, die Radiographie, die Radiotherapie und die Lasertechnologie erfordern Elektronenstrahlen mit Energien von 10 bis 100 MeV, kurzzeitigen Spitzenströmen von 10 bis 100 A und normalisierten Stromdichten von mehr als 1x10¹&sup0; A/m² (1x10&sup6; A/cm²). Elektronen-Linearbeschleuniger sind im Prinzip in der Lage, derartige Strahlen zu erzeugen, jedoch ist die Strahlenqualität typischerweise durch raumladungs- und phasenabhängige Fokussierkräfte in der Elektronenkanone beschränkt die die Elektronen in den Beschleuniger-Wellenleiter einleitet.
Der üblichste Typ von Elektronenkanonen, die für die Verbindung mit einem Linearbeschleuniger geeignet sind, unterwirft einer thermionischen Kathode austretende Elektronen einem elektrischen Gleichspannungsfeld für die Anfangsbeschleunigung, und leitet dann die Elektronen durch ein sich längs erstreckendes elektrisches Mikrowellenfeld, um einen gebündelten Strahl zu erzeugen, der für die Injektion in den Beschleuniger geeignet ist. Typische Elektronenkanonen sind für die Erzeugung von Elektronenenergien in der Größenordnung von 100 KeV ausgelegt.
Bei üblichen Gleichspannungskanonen werden die Elektronen nichtlinearen Raumladungskräften unterworfen, die die Emission erhöhen. Die Raumladungskräfte ergeben sich aus den Ungleichförmigkeiten bei der Ladungsdichte des Strahls. Insbesondere wo die Ladungsdicbte eine Funktion des Radius oder Azimuths ist, werden die Elektronen nichtlinearen Defokussierkräften unterworfen, die den auftretenden Strahlradius und die Winkeldivergenz und somit die Emission erhöhen. Während es im Prinzip möglich ist, das Emissionswachstum aufgrund der Raumladung durch geeignete Formgebung der die Kathode umgebenden Elektroden zu minimieren, hängt eine derartige Technik von einer gleichförmigen Emission aus der Kathode ab. In der Praxis ist die Emission nie gleichförmig, und die Elektrodenausgestaltung kann nur eine teilweise und unvollständige Korrektur der raumladungsbedingten Emissionszunahme bewirken. Es ist möglich, derartige Raumladungskräfte durch Betrieb der Kanone bei einern höheren Beschleunigungs-Gleichspannungsfeld zu erhöhen, um die Elektronenenergie zu erhöhen. Jedoch steigt die Elektronen- (und möglicherweise die Ionen-) Emission aus den Elektroden und Isolierelementen für gepulste oder Gleichspannungsfelder, die größer als 100 KV/cm sind, stark an, was zu internen Lichtbögen führt.
Übliche Gleichspannungskanonen unterwerfen die Elektronen aus phasenabhängigen Fokussierkräften, die die Emission weiter erhöhen. Wie oben angedeutet ist, muß der Gleichspannungs- Elektronenstrahl geschwindikeitsnioduliert sein, indem er durch ein Bündelhohlraum hindurch tritt, um die gebündeite Struktur auszubilden, die für die Injektion in den Linearbeschleuniger erforderlich ist. Jedoch erzeugt das longitudinale Beschleunigungsfeld in dem Bündelhohlraum ein azimuthales Magnetfeld, das die Elektronen fokussiert oder defokussiert, abhängig von der Phase, mit welcher sie durch den Hohlraum hindurchtreten. Eine derartige Fokussierkraft erreicht üblicherweise ihren Maximalwert, wenn das longitudinale elektrische Feld Null durchläuft. Somit treten Elektronen, die in den Bündelhohlraum in einem kontinuierlichen Strom eintreten, mit einem Bereich von Querbewegungen entsprechend ihrem anfänglichen Radialversatz und ihrer Phase zum Zeitpunkt des Durchtretens des Raums aus. Für einen anfänglichen Elektronenstrahl mit einer Zufalls-Phasenlage erhöht der Bereich der durch das Mikrowellenfeld indozierten Querbewegungen die Ausbreitung in Divergenzwinkeln der Elektronen in dem Strahl und somit die Emission.
Die französische Patentanmeldung FR-A-2 538 206 (vergleiche auch EP-A-0 115 720) offenbart eine Elektronenkanone für einen Linearbeschleuniger, die die Notwendigkeit für Bündelhohlräume durch Modulation des Elektronenstrahls im Moment seiner Erzeugung vermeidet. In dieser Beziehung weist die Elektronenkanone eine thermionische Kathode und einen Hochfrequenzraum mit einer Auslaßöffnung auf, in welcher ein Gitter angeordnet ist. Kontinuierlich von der Kathode emittierende Elektronen werden zur Auslaßöffnung durch die elektrische Komponente eines Hochfrequenzfelds in dem Raum beschleunigt. Jedes Elektron nimmt somit von dem Feld eine Energiemenge auf, die der Phase des Felds im Augenblick seiner Emission entspricht. Durch eine geeignete Vorspannung des Gitters kann der Elektronenstrahl moduliert werden. Wie bei der üblichen Gleichspannungskanone werden jedoch die Elektronen durch eine hohe Gleichspannung, die zwischen der Kathode und eine Anode aniiegt, auf ihre Injektionsenergie beschleunigt. Diese bekannte Kanone leidet daher immer noch an den Nachteilen, die der zuvor beschriebenen Gleichspannungsbeschleunigung anhaften.
Die US-A-3 239 711 offenbart einen elektronischen Linearbeschleuniger, bei welchem, um eine einfache Konstruktion zu erreichen, die anfängliche Beschleunigungsgleichspannung weggelassen wird und Elektronen von einer Kathode innerhalb des ersten Abschnitts eines Beschleunigungs-Wellenleiters emittiert werden, wo sie durch das Hochfrequenzfeld selbst auf die Injektionsenergie beschleunigt werden. Diese bekannte Vorrichtung läßt jedoch jede Maßnahme für das Bündeln der Elektronen ebenfalls entfallen. Nur ein Teil der injizierten Elektronen hat daher einen geeigneten Phasenbereich, um weiter durch das Hochfrequenzfeld auf die Schlußenergie beschleunigt zu werden.
Der zwei Meilen (ca. 3,2 Km) lange Beschleuniger an dem Stanford-Linearbeschleunigerzentrum ("SLAC") in Stanford, Kalifornien, ist ein Beispiel einer Maschine, deren Strahl durch die hohe Emission gekennzeichnet ist, die durch die innewohnenden Eigenschaften des Elektronenkanonensystems erzeugt wird. Bis kürzlich verursachte die hohe Emission keine fundamentale Belastung für das Forschungsprogramm, da keine Notwendigkeit bestand, den Elektronenstrahl auf einen extrem kleinen Fleck zu fokussieren. Jedoch wurde festgestellt, daß die Strahleigenschaften ungeeignet für das nunmehr bei SLAC laufende Kollisionsprogramm ist. Die bei SLAC entwickelte Lösung basiert auf der Anwendung von Synchrothron- Strahlungsdämpfung in einem speziell ausgelegten Speicherring. Der Elektronenstrahl wird von der Hauptstrahllinie bei einer Energie von 1 Gev extrahiert, in den Speicherring injiziert, wo er für etwa 10 MSek laufen kann, und in den Beschleuniger für die Beschleunigung auf die Schlußenergie reinjiziert. Die Synchrothronstrahlung, die die Elektronen in dem Speicherring abgeben, macht den Strahl monochromer und vermindert seine Querabmessungen, und macht dadurch den Strahl geeignet für die Verwendung bei der Linearkollision. Unglücklicherweise werden die Kosten für diese Lösung des Strahlemissionsproblems auf etwa 15 Mio Dollar geschätzt.
Somit ist die bestehende Kanonentechnologie schlecht geeignet, um Hochstrom-Elektronenstrahlen mit niedriger Emission zu erzeugen, aufgrund der nichtlinearen Raumladungskräfte und der phasenabhängigen Fokussierkräfte, die wesentlich für die Funktion sind. Darüberhinaus sind auch, wo die bestehende Elektronenkanone und Bündelraum-Technologie zufriedenstellend ist, die Spannungsversorgung, die Mikrowellenräume und die Fokussiermagneten, die für den Betrieb eines derartigen Systems erforderlich sind, groß und teuer, und vermindern die Gesamtzuverlässigkeit des Systems.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung schafft eine Elektronenkanone, die die nichtlinearen Raumladungskräfte und die phasenabhängigen Fokussierkräfte, die hauptsächlich für die hohe Emission der bekannten Elektronenkanonen verantwortlich sind, unterdrückt. Die erfindungsgemäße Kanone erzeugt Elektronen bei hohen Strömen und Stromdichten und ist durch eine hohe Zuverlässigkeit und relativ geringe Kosten gekennzeichnet.
Um die Kostenersparnisse der vorliegenden Erfindung ins rechte Verhältnis zu setzen, beispielsweise im Verhältnis zu dem Linearkollisionsprogramm des SLAC, wäre die erfindungsgemäße Kanone für den Elektronenstrahl verwendet worden, wäre die Notwendigkeit für den Speicherring ausgeschaltet worden, der verwendet wird, um den Strahl zu kühlen. Die Kosten der Kanone werden auf zwei Größenordnungen geringer als die Kosten für das Speicherringsystem geschätzt.
Im wesentlichen unterwirft die vorliegende Erfindung die aus einer thermionischen Kathode austretenden Elektronen einem intensiven elektrischen Mikrowellenfeld für die Beschleunigung und blockiert dann alle Elektronen außer einem geringen Bewegungsbereich, um die für den Linearbeschleuniger erforderliche Bündelung zu schaffen. Entsprechend weist die Kanone einen Resonanz-Mikrowellenhohlraum, eine in der Raumwand befestigte Kathode und ein Bewegungsanalysiersystem auf.
Der Resonanz-Mikrowellenhohlraum unterstützt, wenn er mit Mikrowellenenergie versorgt wird, ein elektromagnetisches Feld mit einer hochgradienten elektrischen Komponente, die entlang der Beschleunigungsachse ausgerichtet ist. Der Hohlraum ist mit einer Auslaßöffnung an einer Stelle relativ zu der Kathode derart ausgebildet, daß emittierte Elektronen entlang der Achse beschleunigt werden und durch die Auslaßöffnung gelangen. Die Hohlraumlänge wird so gewählt, daß sie es ermöglicht, daß das Mikrowellenfeld in dem Hohlraumvolumen die Elektronen auf eine Energie von etwa 0,5 bis 1,0 Mev beschleunigt, bevor die Elektronen durch die Öffnung hindurch gelangen. Die Innenfläche des Hohlraums angrenzend an die Kathode ist in einer Weise konturiert, die ähnlich derjenigen ist die bei Gleichspannungselektronenkanonen verwendet wird, um den nichtlinearen Raumladungskräften, die durch die Elektronen erfahren werden, wenn sie von ihren anfänglichen thermischen Geschwindigkeiten an der Kathodenoberfläche auf relativistische Geschwindigkeiten beschleunigt werden, entgegenzuwirken. Die innere Oberfläche des Raums nahe der Kathode und der Auslaßöffnung kann auch so konturiert sein, daß das elektrische Mikrowellenfeld an der Kathode maximiert wird.
Die Bündelung wird durch den Bewegungsgrößen-Analysator erzeugt der einen Dispersionsmagneten und einen Schlitz aufweist. Ein Elektron, das aus dem Hohlraum austritt, hat eine Energie, die durch die Phase des Mikrowellenfelds zum Zeitpunkt der Elektronenemission festgelegt wird. Der Magnet bewirkt, daß Elektronen mit unterschiedlichen Energien unterschiedlichen Flugbahnen folgen, während der Schlitz ausgelegt ist, um diejenigen Elektronen mit Energien außerhalb eines gewünschten engen Bereichs zu blockieren. Nur diejenigen Elektronen, die Energien entsprechend einen gewünschten anfänglichen Phasenwert haben, werden somit durch den Bewegungsgrößen-Analysator hindurch gelassen; dadurch wird ein vorgebündelter Elektronenstrahl für die Injektion in einen Linearbeschleuniger gebildet. Die Zeitverteilung des Bewegungsanalysatorsystems kann so gewählt werden, daß der Elektronenstrahl zeitlich komprimiert wird, um sicherzustellen, daß die Bündellänge für die Beschleunigung durch den Linearbeschleuniger geeignet ist.
Die vorliegende Erfindung überwindet die Beschränkungen, die üblichen Elektronenkanonen durch Raumladungskräfte und phasenabhängige Hochfrequenzfokussierkräfte auferlegt sind, indem eine Beschleunigung auf erheblich höhere Energien erlaubt wird. Sauber konstruierte und hergestellte Resonanz-Mikrowellenhohlräume können elektrische Feldgradienten in der Größenordrung von 10&sup8; V/m (10&sup6; V/cm) erzeugen, ein Faktor von 10 höher als diejenigen üblicher Gleichspannungskanonen. Da die Raumladungskräfte infolge der Löschung der elektrostatischen Kräfte in relativistischen Elektronenstrahlen nach (1/βγ)² laufen (wobei β=v/c und γ=1/(1-β²)½, v die Elektronengeschwindigkeit und c die Lichtgeschwindigkeit ist), erzeugt die Erhöhung im Beschleunigungsfeld um den Faktor 10 eine Verminderung der Raumladungskräfte um einen Faktor 100. Diese Verminderung der gesamten Raumladungskräfte vermindert auch die nichtlineare Komponente der Kraft, und somit die Emissionszunahme, die sich durch die nichtlineare Komponente verursacht wird.
Die vorliegende Erfindung unterdrückt auch phasenabhängige Fokussierkräfte. Da der Bewegungsgrößenanalysator in der Wirkung eine Selektion auf der Basis der Elektronenphase schafft, sind die radialen Fokussierkräfte, die auf diese ausgewählten Elektronen während ihrer Beschleunigung in dem Hohlraum wirken, auf einen geringen Variationsbereich beschränkt. Während die Elektronen, die später durch den Bewegungsgrößenanalysator ausgewählt werden, durch das Mikrowellenfeld in dem Beschleunigungsvorraum der Kanone fokussiert (oder defokussiert) werden, ist die Fokussierwirkung für die ausgewählten Elektronen nahezu konstant, und ändert somit nicht die Emission des Strahls.
Ein besseres Verständnis der Natur und der Vorteile der vorliegenden Erfindung mag durch Bezugnahme auf die verbleibenden Teile der Beschreibung und die beigefügten Zeichnungen ermöglicht werden.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 ist eine schematische Draufsicht von oben auf die Elektronenkanone der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2 ist eine isometrische Ansicht der Elektronenkanone;
Fig. 3 ist eine Querschnittsansicht des Mikrowellen-Hohlraums;
Fig. 4A ist eine Querschnittsansicht einer Ausführungsform der Kathode und der Kathodenbefestigung;
Fig. 4B ist eine Querschnittsansicht einer zweiten Ausführungsform der Kathode und der Kathodenbefestigung;
Fig. 5 ist eine Querschnittsansicht des Bewegungsgrößen- Analysatormagneten;
Fig. 6 ist eine Schrägansicht des Bewegungsanalysatorschlitzes und der Ablenkungsplatte;
Fig. 7 ist ein Dlagramm der Elektronenenergie über der Phase unter bestimmten Bedingungen.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE

Systemüberblick

Fig. 1 und 2 sind schematische Draufsichten von oben und isometrische Ansichten einer Elektronenkanone 10 für die Verwendung mit einem (nicht dargestellten) Linearbeschleuniger. Im wesentlichen weist die Erfindung eine thermionische Kathode 12, einen Mikrowellen-Resonanzhohlraum 15, ein Bewegungsanalysiersystem 17 und ein Strahlentransportsystem auf. Das Strahlentransportsystem schließt ein erstes Segment 20 zwischen dem Hohlraum 15 und dem Bewegungsanalysator 17 und ein zweites Segment 22 zwischen dem Bewegungsanalysator 17 und dem Linearbeschleuniger ein.
Der Hohlraum 15 ist zylindrisch und hat gegenüberliegende Stirnwände 27 und 28 und eine Umfangsseitenwand 30. Die Kathode 12 ist im wesentlichen zentral entlang der Stirnwand 27 auf einem Stützaufbau 31 gelagert. Die Stirnwand 28 ist mit einer mittigen Auslaßöffnung 32 in Verbindung mit einem Strahlentransportsegment 20 ausgebildet. Ein Wellenleiter 35 steht mit einem Hohlrauminneren über eine Kopplungsirisblende, die einen Einlaßanschluß 37 festlegt, in Verbindung, und ist durch einen Standard-Wellenleiterflansch 38 mit einer Quelle von Mikrowellenenergie verbunden. Der Bewegungsanalysator 17 schließt einen Magnet 40 und einen Schlitz 45 ein, der in einer evakuierten Kammer 47 in dem Magnetfeldbereich angeordnet ist. Die Kammer 47 ist mit einem Sichtanschluß 48 ausgerüstet.
Der Magnet 40 ist so ausgebildet, daß er bewirkt, daß ein Elektron, das in den Bewegungsanalysator 17 eintritt, eine Ablenkung von etwa 270º erfährt, bevor es den Bewegungsanalysator verläßt. Die Flugbahn eines Elektrons einer ersten Energie E&sub1; ist als eine feste Linie und die eines Elektronsmit einer zweiten (niedrigeren) Energie E&sub2; als eine durchbrochene Linie dargestellt. Der Bewegungsanalysatorschlitz 45 ist in der Weise dargestellt, daß er erlaubt, daß das Elektron der Energie E&sub1; hindurchtritt, während das Elektron der Energie E&sub2; abgeblockt wird.
Das Strahlentransportsystem 20 schließt ein Strahlenrohr 50 und eine Reihe von vier-poligen Fokussiermagneten 52 ein. Das Strahlentransportssystem 22 schließt ein Strahlenrohr 55 und eine Reihe von vier-poligen Fokussiermagneten 57 ein. Magnete 52 und 57 sind mit Wicklungen versehen, die ein Dipolfeld erzeugen, um eine Strahlensteuerung zu erlauben. Abwechselnd bzw. alternativ könnten Zylinderspulen-Fokussiermagnete und separate Steuermagnete verwendet werden. Das Strahlenrohr 55 endet in einem Vakuumflansch 58 für die Kopplung der Kanone 10 mit dem Vakuumsystem des Linearbeschleunigers.
Im Betrieb werden Elektronen von der Kathode 12 emittiert, durch das Mikrowellenfeld in dem Hohlraum 15 beschleunigt gelangen durch die Auslaßöffnung 32, gelangen durch das Strahlenrohr 50 und treten in den Bewegungsanalysator 17 ein. Die Elektronen mit Energien in einem besonderen Energiebereich gelangen durch das Strahlenrohr 55 und werden in den Linearbeschleuniger injiziert.

Mikrowellenhohlraum

Fig. 3 ist eine Querschnittsansicht des Mikrowellenhohlraums 15, gesehen entlang einer diametrischen Ebene, die den Wellenleiter 35 schneidet. Der Hohlraum 15 ist bevorzugt ein TM&sub0;&sub1;&sub0; - Hohlraum, der das Mikrowellenfeld mit einer elektrischen Komponente, die entlang der Zylinderachse gerichtet ist, unterstützt. Wie es für einen TM&sub0;&sub1;&sub0; - Hohlraum wohlbekannt ist, hängt die Resonanzfrequenz von dem Radius, jedoch nicht von der axialen Länge ab, wobei die Wellenlänge zu dem Radius R durch die Gleichung
λ =2,61R
in Beziehung steht. Die axiale Länge ist vorzugsweise geringer als die Hälfte der Wellenlänge, um die Anzahl der Elektronen zu vermindern, die von der Kathode 12 emittiert werden, zur Auslaßöffnung 32 beschleunigt und dann zurück in die Kathode 12 beschleunigt werden, wenn das Mikrowellenfeld sich umdreht. Die Mikrowellenfrequenz wird normalerweise im Bereich von 1 - 10 Ghz (Wellenlänge im Bereich von 0,03 -0,30 m (3 - 30 cm)) sein. Die Mikrowellenfrequenz sollte gleich der Arbeitsfrequenz des Linearbeschleunigers oder einer Subharmonischen dieser Frequenz eingestellt sein.
Die Stirnwand 27 trägt ein sich einwärts erstreckendes, im wesentlichen ringförmiges Nasenstück 60, das die Kathode 12 umgibt. Die Stirnwand 28 trägt ein ringförmiges Nasenstück 65, das die Auslaßöffnung 32 umgibt. Das Nasenstück 60 ist so ausgebildet, daß es eine im wesentlichen kegelstumpfförmige Oberfläche, die die Kathode 12 umgibt, mit einem Konuswinkel von etwa 120º festlegt. Die Ausformung des Nasenstücks 60 stimmt mit der bekannten Praxis überein, wie sie bei üblichen Gleichspannungskanonen verwendet wird und in J.R. Pierce, "Travelling Wave Tubes" (D. Van Nostrand, New York 1950) beschrieben ist. Das Nasenstück dieser Ausgestaltung formt das elektrische Feld, das die Kathode 12 umgibt, in einer Weise, die die raumladungsinduzierte Emissionszunahme der Elektronen, die von der Kathode emittiert werden, minimiert. Die Nasenstücke 60 und 65 haben auch die Wirkung, das elektrische Feld, welchem die Elektronen unterworfen sind, zu erhöhen. Während derartige Nasenstücke die abschließende Elektronenenergie in einer Gleichspannungskanone nicht beeinflussen würden, besteht die Wirkung in der Mikrowellenkanone der vorliegenden Erfindung darin, die Elektronenenergie zu erhöhen.
Der Hohlraum 15 ist bevorzugt aus rostfreiem Stahl ausgebildet, wobei der Bearbeitungspraxis gefolgt wird, die in dem Gebiet von Hochspannungs-Mikrowellenvorrichtungen entwickelt worden ist. Beispielsweise sollten die inneren Hohlraumflächen so glatt wie möglich sein, jedoch sollte die Bearbeitung ohne Schneidöl durchgeführt werden. Zusätzlich sollte die Oberfläche nach der Bearbeitung nicht poliert werden, da in der Oberfläche verbleibende Abriebteilchen die Sekundäremissionseigenschaften der Oberfläche erhöhen würden, was möglicherweise zur Lichtbogenentwicklung und zum Zusammenbruch führen könnte. Die Stirnwände 27 und 28 sind mit innenliegenden Durchtrittsausnehmungen 70 ausgebildet, durch welche Kühlwasser laufen kann, um die Wärme abzuleiten, die durch die Elektronen erzeugt wird, die die Stirnwände treffen.
Der Hohlraum 15 ist an die Mikrowellenquelle angepaßt, die die Mikrowellenenergie durch den Wellenleiter 35 leitet, wobei die realen und reaktiven Komponenten der Strahlenbelastung berücksichtigt werden, die durch den Elektronenstrahl erzeugt wird. Der nominalen realen Komponente der Strahlenbelastung wird dadurch begegnet, daß der Einlaßanschluß 37 in der Kopplungs- Irisblende entsprechend bemessen wird. Der reaktiven Komponente der Strahlenbelastung wird durch einen Mechanismus für die Verschiebung der Resonanzfrequenz des Hohlraums begegnet. In dieser Beziehung ist die Seitenwand 30 mit einem dünnen Bereich (von beispielsweise 0,51 bis 1,27 mm (50 bis 20 mils)) ausgebildet, um eine flexible Membran 72 zu erzeugen. Eine Führungsschraube 73 ist in ein Joch 75 eingeschraubt, das an festen Bereichen des Hohlraums gelagertist, um eine Deformation der Membran 72 zu erlauben.
Die Stirnwand 28 kann mit einem Fenster 76 versehen sein, das es erlaubt, daß die Kathode 12 während des besonders interessanten Phasenintervals beleuchtet wird, und dadurch der Elektronenstrom erhöht wird. Ein verdreifachter, modengesperrter Nd:YAG-Laser erzeugt einen Strahl ultravioletten Lichts von ausreichender Intensität, um den aus der Kathode entnehmbaren Strom signifikant zu erhöhen. Die verstärkte Emission, die durch diese Technik sichergestellt wird, kann verwendet werden, um entweder den aus der Kanone verfügbaren Nettostrom zu erhöhen, oder um die Kathodentemperatur, die für den Betrieb erforderlich ist, zu vermindern, und dadurch die Lebensdauer der Kathode zu erhöhen.

Kathode und Kathodenbefestigung

Fig. 4A ist eine Querschnittsansicht zur Darstellung des Aufbaus der Kathode 12 und der Kathodenbefestigungsstruktur 31. Die Befestigungsstruktur 31 positioniert die Kathode 12 an einer Stelle entlang der Hohlraumwand 27 in einer Weise, die eine thermische Isolation schafft, während die Kathode 12 sich auf der gleichen Hochfrequenzspannung wie die Hohlraumwand befindet. Dementsprechend trägt die Stirnwand 27 eine koaxiale Übertragungsleitung (den "Stummel") 77 mit halber Wellenlänge, die sich axial nach außen von einem ersten (Hohlraum-)Ende 78 an der Hohlraumwand zu einem zweiten (Abschluß-)Ende 80 erstreckt, an welchem der Stummel gekürzt ist. Die Kathode 12 ist physikalisch an dem Hohlraumende 78 angeordnet, jedoch erfolgt die Lagerung an dem Abschlußende 80.
Die Kathode 12 ist ein zylindrisches Kristall aus Lanthanhexaborid oder einem anderen feuerfesten thermionischen Emitter mit einem feuerfesten Metallbecher 85. Ein kurzer Zylinder 87 aus Molybdän oder einer anderen feuerfesten Metallfolie ist mit dem Becher 85 und mit einem hohlen Zylinder 90 aus rostfreiem Stahl punktgeschweißt. Der Zylinder 90, der den Inneren Letter des Stummels bildet, ist physikalisch und elektrisch mit der Hohlraumwand an dem Abschlußende 80 verbunden. Der Molybdän-Folienzylinder 87 ist dünn genug, um eine thermische Isolation der Kathode 12 gegenüber dem Zylinder 90 aus rostfreiem Stahl zu schaffen, und kurz genug, um eine ausreichende mechanische Stabilität aufrechtzuerhalten. Die Kathode 12 wird durch einen Heizfaden 9 2 erhitzt, der in dem Folienzylinder 87 angeordnet ist und empfängt die Leistung durch eine Durchleitung 95. Der Energiebedarf für den Faden wird durch die Kathodenbetriebstemperatur und den Grad der thermischen Isolation festgelegt. Typische Fadenleistungsstufen sind im Bereich von 5 bis 30 W.
Fig. 4B zeigt eine andere Konstruktion, die es erlaubt, daß die Kathode 12 mit einem Gleichspannungspotential gegenüber den Hohlraumwänden vorgespannt wird. Diese Konstruktion unterscheidet sich von derjenigen in Fig. 4A in zwei Hinsichten. Erstens ist der Zylinder 90 aus rostfreiem Stahl gegenüber der Lagerungsstruktur durch einen ringförmigen Isolator 97 isoliert. Zweitens ist eine zusätzliche Durchleitung 98 vorgesehen, mit welcher eine Gleichspannungspotentialquelle mit dem Zylinder 90 (und dadurch auch mit der Kathode 12) verbindbar ist. Der Isolator 97 ist bevorzugt keramisch mit einer dielektrischen Konstante, die so hoch wie möglich ist, so daß er für die Mikrowellenfrequenzen als Kurzschluß wirkt.
Die Anwendung einer relativ niedrigen Gleichspannungsvorspannung (100 bis 1000 V) an die Kathode 12 erlaubt die Optimierung der Emission der Elektronen, die aus der Kanone erhalten werden, indem geringe Fehler in der Kontur des Nasenstücks 60 oder Nichteinheitlichkeiten in der Kathodenemission, die sich während des Betriebs entwicklen können, kompensiert werden.

Bewegungsanalysator

Fig. 5 ist eine Querschnittsansicht des Bewegungsanalysatormagnets 40 (der auch in Fig. 2 dargestellt ist). Das Feld des Magneten 40 kann am besten bezüglich eines Koordinatensystems beschrieben werden, in welchem Strahlenrohre 50 und 55 in der X-Z-Ebene und in einem Winkel von 45º zu der Y-Z-Ebene sind. Die Elektronenflugbahnen sind in der X-Z-Ebene, wobei die Ablenkung durch die Y-Komponente des Felds ausgeübt wird. Die Y-Komponente weist eine Größe auf, die sich linear mit der X- Koordinate ändert, d.h. mit der Distanz von der Y-Z-Ebene. Die bevorzugte Magnetausgestaltung für die Erzeugung eines derartigen Feldes ist im Endeffekt ein diagonal geschnittener Vierpol mit hyperbolischen Polflächen 100a und 100b aus Weicheisen, einer Weicheisen-Vorderplatte 102 und geeigneten Feldspulen 105. Die Feldspulen 105 erzeugen, wenn sie mit Energie beaufschlagt sind, das gewünschte magnetische Feld. Die Vorderplatte 102 ist mit einem Schlitz 107 ausgebildet, um die Strahlenrohre aufzunehmen, wenn sie in die Kammer 47 eintreten.
Diese Art von Magnet, der als "α-Magnet" bekannt ist, bewirkt daß die Elektronen Flugbahnen folgen, die wie der griechische Buchstabe "α" geformt sind. In der Theorie sind die Umlaufbahnen durch eine totale Ablenkung von etwa 274º gekennzeichnet. Es ist jedoch angenehm, die Strahlrohre 50 und 55 mit einem Winkel von 90º zueinander zu haben, was eine totale Ablenkung von 270º erfordert. Da der Schlitz 107 in der Vorderplatte 102 jedenfalls Abweichungen von dem Idealfall bewirkt, sind zusätzliche Spulen 110 oberhalb und unterhalb der Schlitzöffnung vorgesehen, um ein lokalisiertes Feld in dein Schlitzbereich zu erzeugen, und somit eine Feinabstimmung der Ablenkung zu ermöglichen.
Fig. 6 ist eine Schrägansicht eines Bewegungsanalysatorschlitzes 45, wobei 3 der 6 Wende der Kammer 47 zur Aufdeckung des Schlitzaufbaus weggeschnitten sind. Der Schlitz ist gegenüber dem Quermaßstab der Elektronenflugbahnen so bemessen, daß er nur Elektronen mit Bewegungsgrößen in einem geringen Bereich den Durchtritt erlaubt. Der Bewegungsbereich entspricht bevorzugt einem Phaseninterval von wenigen bis einigen Graden, beispielsweise 2º bis 10º. Da die meisten Elektronen durch den Schlitz 45 geblockt werden sollen, ist die Schlitzstruktur mit innenliegenden Durchtrittsausnehmungen für Kühlwasser versehen, um die Wärme abzuleiten.
Der Bewegungsanalysator ist auch mit einer ablenkenden Elektrodenplatte 130 versehen, um den Elektronenstrahl abzublenden, so daß es für alle Elektronen, unabhängig von ihrer Energie, verhindert werden kann, daß sie durch das System hindurchtreten, außer zu bestimmten Zeiten. Wenn ein großes Potential an die Platte 130 angelegt wird, werden die Elektronen von ihrer Bahn durch die Backen des Analysatorschlitzes 45 abgelenkt, und durch die Wände des Schlitzes gestoppt. Wenn das Potential entfernt wird, nehmen die Elektronen wieder ihre Nenn-Flugbahnen durch den Schlitz auf. Die Notwendigkeit für die Abblendung des Strahls wird durch den Linealbeschleuniger verursacht, dessen zufriedenstellende Funktion es erfordert, daß die Injektion von Elektronen in die Beschleunigungshohlräume nicht beginnt, bis das Beschleunigungsfeld seinen Endwert erreicht hat, und daß die Injektion aufhört, bevor das Beschleunigungsfeld abzuklingen beginnt. Die Ablenkspannung, typischerweise 1 bis 10 KV, kann durch ein Hochgeschwindigkeits-Thyratron derart geschaltet werden, wie sie bei üblicher Impulskanonentechnologie verwendet wird.
Es sei bemerkt, daß eine zweite Ablenkplatte 131 an der Ausgangsseite des Schlitzes hinzugefügt werden kann, um die Komplexität des Hochspannungsschaltkreises zu vermindern, der für die Ansteuerung der Platten erforderlich ist. Normalerweise werden Spannungsimpulse mit schnellen Anstiegszeiten am einfachsten erzeugt indem eine Last mit großer Impedanz entweder mit Masse oder einer Hochspannungsversorgung mit niedriger Impedanz kurzgeschlossen wird. Die Anstiegszeit in einem derartigen Schaltkreis wird durch die Schaltimpedanz und die Kapazität der Last festgelegt und würde in der Größenordnung von 0,1 bis 1,0 Mikrosekunden für die Kondensatorplatten der Erfindung liegen. Jedoch wird die Abfallzeit eines derartigen Schaltkreises durch die große Impedanz der Last festgelegt. In der Praxis ist die Erzielung von Abfallzeiten unterhalb von einer Mikrosekunde für Hochspannungsschalter oft schwierig. Wenn die erste Ablenkplatte 130 auf einem hohen Potential gehalten wird, um den Durchtritt des Elektronenstrahls durch den Schlitz zu blockieren, bis die Beschleunigungs-Hohlräume gefüllt worden sind, während die zweite Platte 131 anfänglich auf Masse gehalten wird, muß die Platte 130 lediglich noch mit Masse verbunden werden, um die Injektion des Elektrons in den Beschleuniger zu erlauben. Der Elektronenstrahl kann dann durch Kurzschließen der zweiten Platte 131 mit der Hochspannungsversorgung abgeschaltet werden, was den Elektronenstrahl aus der Strahllinie in die Wand der Bewegungsanalysator-Vakuumkammer 47, oder zu einer darauffolgenden stromab gelegenen Komponente des Systems ablenkt.

Funktion

Im Hinblick auf die obige Beschreibung des Aufbaus der vorliegenden Erfindung werden im folgenden die Funktion bzw. der Betrieb und die Eigenschaften beschrieben.
Die Kathode 12 wird durch den Faden 92 bevorzugt auf eine Temperatur in dem Bereich von 1400º bis 2000º C aufgeheizt. Die Stromdichte J, die von einer derartigen Kathode erhalten werden kann, wird durch die Richardson-Gleichung folgendermalen vorgegeben:
J = 7,3 x 10&sup5;T²exp (- eφ + e eE/4π &epsi;&sub0;/kT) A/m²
wobei e = Elektronenladung (Coulomb)
E = elektrische Feldstärke (Volt pro Meter)
eφ = Elektronenarbeitsfunktion (Joule)
K = Boltzmannkonstante = 1,38 x 10&supmin;²³ Joule/ºK
T = Kathodentemperatur (ºK)
Bei einer Temperatur von 1600ºC und einem Feld von 4 x 10&sup7; V/m zeigt diese Gleichung eine Stromdichte von 5,6 x 10&sup6; A/cm² an, die aus der (110)-Fläche von Lanthanhexaborid erhalten werden kann, das eine Arbeitsfunktion e = 2,6 V aufweist.
Es sei bemerkt daß der Spitzenstrom in einer Mikrowellenkanone vergleichbar mit dem der von der Kathode emittierten Durchschnittsstrom ist, da die Bündelung durch Entfernung von Elektronen mit unerwünschten Phasen erreicht wird. Dies ist im Gegensatz zu einer üblichen Gleichsspannungskanone, bei welchem der Bündelungsprozeß den Spitzenstrom ansteigen läßt, indem die Phasen von Elektronen verschoben werden, um sie in Bündeln zu konzentrieren. Dementsprechend muß, um einen Spitzenstrom, der mit dem durch übliche Kanonen erzeugten vergleichbar ist, aufrechtzuerhalten, die bei der Kanone gemäß der vorliegenden Erfindung verwendete Kathode bei höheren Stromdichten, als sie für übliche Gleichspannungskanonen typisch sind, betrieben werden. Die hohen Stromdichten, die durch die Verwendung einer Hochtemperatur-Lanthanhexaboridkathode erhältlich sind, genügen diesem Erfordernis. Es sei bemerkt, daß die durchschnittliche Kathodenstromdichte vermindert werden kann, wenn Fotoemission verwendet wird, um den Strom während des Phasenbereichs zu verstärken, der durch das Bewegungsanalysatorsystein akzeptiert wird.
Die Mikrowellenenergie wird dem Hohlraum 15 zugeleitet und kann durch Verwendung eines Richtkopplers bereitgestellt werden, um wenig Megawatt-Leistung aus der Hauptwellenleitung, die Leistung für den Linealbeschleuniger bereitstellt, zu extrahieren. Unabhängig von der Leistungsquelle wird eine stehende Welle mit einer elektrischen Feldkomponente von etwa 2 x 10&sup7; V/m (200 KV/cm) oder mehr in dem Hohlraum 15 erzeugt. Die Feldamplitude läuft mit der Quadratwurzel der Leistung, wobei das Maximum durch die Ausfall-Eigenschaften des Hohlraums 15 festgelegt wird. Es ist gezeigt worden, daß Feldgradienten über 2 x 10&sup8; V/m (2 MV/cm) in wohlvorbereiteten S- Band-Mikrowellenhohlräumen erreicht werden können. Eiji Tanabe "Voltage Breakdown in S-band Linear Accelerator Cavities", IEEE-Trans. NUCL.SCI. , NS-30 (4), 3351 (1983).
Die Wirkung besteht darin, die aus der Kathode 12 austretenden Elektronen zu beschleunigen, obwohl die Energie eines vorgegebenen Elektrons beim Erreichen der Auslaßöffnung 32 von der Phase des Hochfrequenzfelds zum Zeitpunkt der Emission des Elektrons abhängt.
Fig. 7 ist ein Diagramm der Elektronenenergie gegen die Phase für besondere Bedingungen, bei welchen das elektrische Feld 4 x 10&sup7; V/m (400 KV/cm), die Frequenz 2,856 Ghz und die Bahnlänge 3 cm ist. Die Nullphase wird als diejenige Phase definiert, bei welcher das elektrische Feld Null ist und in Richtung der Beschleunigung zuzunehmen beginnt. Somit kann ersehen werden, daß Elektronen, die aus dem Hohlraum austreten, eine grobe Energiebandbreite aufweisen, die im Bereich zwischen dem Maximalwert von etwa 1 MeV bis unter auf Null liegt. Da jedoch die Streuung hinsichtlich der Energie unzweideutig der Phasenstreuung entspricht, schafft eine Beschränkung des Energiebereichs (oder, äquivalent, der Bewegungs-Impulsgröße) Elektronen mit einem engen Phasenbereich. Somit erzeugt das Bewegungsanalysatorsystem der vorliegenden Erfindung einen gebündelten Elektronenstrahl für die Injektion in den Linealbeschleuniger. Das 4º-Interval, das in dem Diagramm dargestellt ist, entspricht Elektronen mit Energien zwischen 828 und 849 KeV.
Die charakteristischen Zeitverteilungseigenschaften des Magnets 40 erlauben es, die Bündellänge zu modifizieren. Insbesondere hängt die physikalische Länge des Elektronenbündels aus dem System von dem Bereich der anfänglichen Phasen, die durch den Bewegungsanalysator 17 ausgewählt werden, und von der Zeitverteilung ab, die durch den Bewegungsanalysator und das Transportsystem eingeführt wird. Bei einem Elektronstrahl mit Drift bewegen sich Elektronen mit hoher Energie schneller als Elektronen mit niedriger Energie, so daß die Bündellänge dazu neigt mit der Zeit zuzunehmen. Jedoch führt der α-Magnet die entgegensetzte Verteilung ein, da Elektronen mit hoher Energie längere Wege laufen und daher eine längere Zeit benötigen, um durch den Bewegungsanalysator hindurch zu gelangen. Daher wirkt die Verteilung innerhalb des Bewegungsanalysators der Verteilung infolge von Drift-Abständen bei dem Transportsystem entgegen. Somit hängt die Netto-Zeitdispersion bzw. -Verteilung von der Nettolänge der Driftabstände und der Länge der Flugbahnen in dem α-Magneten ab. Durch Auswahl der magnetischen Feldstärke in dem α-Magnet und somit der Flugbahn in dem α-Magnet kann die Nettoverteilung auf Null eingestellt werden, bei welchem Wert die Länge des in den Beschleuniger injizierten Bündels der Phasenstreuung entspricht, über welche Phasenstreuung die Elektronen anfänglich aus der Kathode abgezogen wurden. Alternativ kann die Nettoverteilung so eingestellt werden, daß sie die Länge des Bündels ausdehnt oder komprimiert. In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Nettoverteilung so eingestellt, daß sie die Bündellänge an dem Eingang des Linearbeschleunigers minimiert. Dies minimiert die Energiestreuung der beschleunigten Elektronen.

Schlußfolgerung

Um es zusammenzufassen, es ist ersichtlich, daß die vorliegende Erfindung durch den Betrieb mit sehr großen elektrischen Feldern die Ladungs-Raumladungskräfte eliminiert oder unterdrückt, und, durch die Auswahl nur eines engen Phasenbereichs für die Injektion in den Linearbeschleuniger, die phasenabhängigen Fokussierkräfte eliminiert oder unterdrückt. Die Verwendung eines α-Magnetsystems mit negativer Verteilung erlaubt es ferner, die Elektronenbündellänge zu komprimieren, um die Energiestreuung der beschleunigten Elektronen zu minimieren.
Während das obige eine vollständige Beschreibung der vorliegenden Erfindung ist, können andere Konstruktionen, Abwandlungen und Äquivalente verwendet werden. Beispielsweise erlaubt die Kathodenbefestigung in Fig. 4B es, eine Gleichspannungsvorspannung an die Kathode anzulegen, um die Beschleunigungseigenschaften des Mikrowellenhohlraums zu verbessern. Tatsächlich könnten die Bündelungseigenschaften der Erfindung auf eine üblichere Gleichspannungskanonen- Technologie angewendet werden, indem eine relativ kleine Mikrowellenfeldkomponente dem bei dieser Technologie verwendeten Gleichspannungsfeld überlagert wird. Somit könnte eine Hochfrequenzgleichspannung von 20 KV einer Gleichspannung von 100 KV überlagert werden, um einen Strahl mit einer aufmodulierten Energiestreuung für die Phase des Mikrowellenfelds zu erzeugen. Das Bewegungsanalysatorsystem könnte verwendet werden, um die in die folgenden Beschleunigungsstrukturen zu injizierenden Phasen auszuwählen. Zusätzlich könnte, während die Stummellänge und die Kathodenposition fest dargestellt sind, ein gleitender Kurzschluß verwendet werden, um die Stummellänge einzustellen. Daher sollte die obige Beschreibung und die Darstellungen nicht als den Bereich der Erfindung, der durch die beigefügten Ansprüche definiert ist, beschränkend aufgefaßt werden.

Claims

1. Elektronenkanone (10), umfassend:

einen Hochfrequenz-Hohlraum (15), der ein Innenvolumen zum Aufrechterhalten eines elektromagnetischen Feldes mit einer elektrischen Hochgradientenkomponente innerhalb des genannten Volumens definiert bzw. begrenzt, wobei der genannte Hohlraum Abschnitte aufweist, die eine Ausgangsöffnung (32) definieren bzw. begrenzen;

eine Kathode (12), die fähig ist, durch thermische Emission Elektronen zu emittieren;

Mittel, um die genannte Kathode zum Emittieren von Elektronen zu veranlassen;

Mittel (31) zum Montieren der genannten Kathode (12) in einer solchen Position bezüglich des Hohlraumes (15), daß von der genannten Kathode emittierte Elektronen in das genannte Innenvolumen eintreten und der genannten elektrischen Feldkomponente unterworfen und dadurch zu relativistischen Energien beschleunigt werden, sodaß sie durch die genannte Ausgangsöffnung (32) hindurchtreten; und

Mittel (17) zum Beschränken des Impulses oder der Energie der Elektronen, die aus der Kanone (10) heraustreten, um jene Elektronen auszuwählen, die von der Kathode (12) Uber einen engen Phasenbereich des Hochfrequenz-Feldes emittiert wurden.

2. Elektronenkanone nach Anspruch 1, worin der genannte Hochfrequenz-Hohlraum (15) ein TM&sub0;&sub1;&sub0;-Mode-Mikrowellenhohlrauß ist.

3. Elektronenkanone nach Anspruch 1, worin die genannte Kathode (12) umfaßt: einen Körper aus feuerfestem Material; und

Mittel zum Erwärmen des genannten Körpers aus feuerfestem Material auf eine ausreichend hohe Temperatur, damit thermische Emission auftritt.

4. Elektronenkanone nach Anspruch 3, worin das genannte feuerfeste Material Lanthanhexaborid ist.

5. Elektronenkanone nach Anspruch 1, worin die genannten Mittel (31) zum Montieren umfassen:

Mittel, die eine Blind- bzw. Stichleitung (77) mit halber Wellenlänge definieren bzw. begrenzen, die mit dem genannten, durch die genannte Resonanzhohlraumeinrichtung definierten Volumen verbunden ist, wobei sich die genannte Blind- bzw. Stichleitung von einem Hohlraumende (78) zu einem Abschlußende (80) erstreckt; und

Mittel zum mechanischen Montieren der genannten Kathode an der genannten Blind- bzw. Stichleitung am genannten Abschlußende, sodaß die genannte Kathode sich am genannten Hohlraumende befindet, woraufhin die genannte Kathode das gleiche elektrische Potential beibehält wie der genannte Hohlraum, während sie gleichzeitig thermisch davon isoliert ist.

6. Elektronenkanone nach Anspruch 1, worin die genannten Mittel zum Beschränken eine Impuls- bzw. Bewegungsenergieanalysatoreinrichtung umfassen, die auf dem Weg der Elektronen angeordnet ist, die aus der genannten Hohlraumeinrichtung austreten, um einen Impuls- bzw. Bwegungsenergiebereich des Elektrons zu definieren und das Hindurchtreten von Elektronen mit Impulsen bzw. Bewegungsenergien außerhalb des genannten Bereichs zu blockieren.

7. Elektronenkanone nach Anspruch 6, worin die genannte Impuls- bzw. Bewegungsenergieanalysatoreinrichtung umfaßt:

Mittel zum Dispergieren der in Querlage aus dem genannten Hohlraum austretenden Elektronen gemäß ihrer Implse bzw. Bewegungsenergien; und

Mittel, die einen Analyseschlitz auf dem Weg der so dispergierten Elektronen definiert bzw. begrenzt, um das Hindurchtreten von Elektronen zu blockieren, die quergerichtete Koordinaten außerhalb eines Bereichs aufweisen, der dem genannten Bereich des Impulses bzw. der Bewegungsenergie der Elektronen entspricht.

8. Elektronenkanone nach Anspruch 1, die weiterhin umfaßt:

Tastungs- bzw. Oattermittel zum Blockieren des Hindurchtretens von Elektronen während eines vorherbestimmten Zeitintervalls.

9. Elektronenkanone nach Anspruch 8, worin die genannten Tastungsbzw. Gattermittel umfassen:

Mittel zum Anwenden eines gepulsten Ablenkfeldes auf die Elektronen, die aus der genannten Hohlraumeinrichtung heraustreten.

10. Elektronenkanone nach Anspruch 1, worin die genannte Kathode Elektronen ausschließlich durch thermische Emission emittiert.

11. Elektronenkanone nach Anspruch 1, worin die genannten Mittel zum Veranlassen von Elektronenemission durch die genannte Kathode einen mode- bzw. phasenverriegelten Laser zum Beleuchten der genannten Kathode während des engen Phasenbereichs des Hochfrequenz-Feldes umfaßt, um die Anzahl der während des engen Phasenbereichs des Hochfrequenz-Feldes von der genannten Kathode emittierten Elektronen zu erhöhen.

12. Elektronenkanone nach Anspruch 1, worin die genannten Mittel zum Veranlassen von Elektronenemmission durch die genannte Kathode, einen mode- bzw. phasenverriegelten Laser zum Beleuchten der genannten Kathode während des engen Phasenbereichs des Hochfrequenz-Feldes umfaßt und worin die Kathode bei einer verringerten Temperatur betrieben wird.

13. Verfahren zum Erzeugen eines gebündelten Strahls, der sich zum Injizieren in einen Linearbeschleuniger eignet, die folgenden Schritte umfassend:

Schaffen eines im allgemeinen kontinuierlichen Stroms von Elektronen bei Energiewerten im Bereich weniger bis einiger Elektronenvolt;

Unterwerfen des Elektronenstroms einem Mikrowellenfeld in einem Bereich, wobei das Mikrowellenfeld entlang einer Achse eine hohe elektrische Komponente aufweist, um die Elektronen entlang der Achse auf relativistische Energien zu beschleunigen, woraufhin ein gegebenes Elektron, wenn es den Bereich des hochelektrischen Feldes verläßt, eine Energie aufweist, die der Phase im Mikrowellenfeld entspricht, bei das das Elektron in den Bereich eintrat; und

Auswählen von so beschleunigten Elektronen in dem Strom, die einen Energiebereich aufweisen, der einem gewunschten Phasenbereich entspricht.

14. Verfahren nach Anspruch 13, worin der Elektronenstrom im allgemeinen in der Zeit konstant ist.

15. Verfahren nach Anspruch 13, worin der Elektronenstrom eine im allgemeinen konstante Komponente und eine erhöhte Komponente umfaßt, die im allgemeinen auf den gewönschten Phasenbereich beschränkt ist.