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Plasmaerzeuger zur Erzeugung eines kontinuierlichen Plasmastrahls
Die Erfindung bezieht sich auf einen Plasmaerzeuger zur Erzeugung eines kontinuierlichen
Plasmastrahls mit Hilfe einer Bogenentladung hoher Intensität, bestehend aus einer
hohlzylindrischen Anode, die auf einer Seite von einer ersten Kaihode abgeschlossen
ist und bei der auf der gegenüberliegenden Seite eine zweite hohlzylindrische Kathode
angeordnet ist mit etwa gleich großem Innendurchmesser wie die Anode, und mit einer
mit dem Anodenraum in Verbindung stehenden Einrichtung zwecks Einführung von zu
ionisierendem Gas und Einrichtungen zur Erzeugung eines Magnetfeldes, dessen Kraftlinien
axial durch den Anodenraum hindurchgehen.
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Die Technik zur Erzeugung von Ionen, d. h. das Abtrennen eines oder
mehrerer Hüllenelektronen von einem Atom oder Molekül einer elementaren Substanz
wurde bereits eingehend untersucht, so daß in der Technik zahlreiche Ionenquellen
oder -erzenger bekanntgeworden sind. Die ausgedehnte Anwendungsmöglichkeit von Ionenquellen
hat zur Entwicklung von Beschleunigern für geladene Teilchen, Massenspektrometern,
Lecksuchern, Manometern und verschiedenen anderen elektrischen Vorrichtungen geführt,
bei welchen magnetische und elektrische Felder zur Beeinflussung geladener Teilchen,
beispielsweise von Ionen, verwendet werden, um die Wirkung des geladenen Teilchens
unter sich verändernden besonderen Bedingungen beobachten zu können oder um besondere
Endergebnisse mit dem geladenen Teilchen zu erzielen. Obwohl bei vielen bekannten
Ionenquellen Lichtbogenplasmen als Ionenreservoir verwendet werden, aus denen Ionen
extrahiert werden, ist durch die neueren Entwicklungen bekanntgeworden, daß Plasmen
auch für andere Zwecke als zur Erzeugungl von Ionen verwendet werden können, wie
z. B. zur Erzeugung eines kontinuierlichen Plasmastrahls, der aus dem Erzeuger austritt.
Dieser kann zur Schaffung einer Ionen- und Elektronenquelle dienen oder beispielsweise
in einer Vorrichtung zum Erhitzen und Verdichten von Gas verwendet werden.
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Für die Klarstellung der Beschreibung der Erfindung soll der Begriff
»Plasma« in dem Sinne, in dem er hier zu verstehen ist, definiert werden. Unter
Plasma ist ein hochionisiertes Gas zu verstehen, das aus atomaren oder molekularen
Teilchen zusammengesetzt ist, von denen eine oder mehrere Hüllenelektronen weggenommen
sind, so daß sie Ionen bilden sowie eine ausreichende Anzahl relativ freier Elektronen
für den Ausgleich der elektrischen Ladung der Ionen, wodurch das resultierende Plasma
im wesentliehen elektrisch neutral oder, mit anderen Worten, raundadungsneutralisiert
ist.
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Plasmen können durch elektrische und magnetische Felder beeinflußt
werden, da das Plasma aus positiv und negativ geladenen Teilchen zusammengesetzt
ist. Eine Verwendungsmöglichkeit des Plasmas liegt auf dem Gebiet der Herbeiführung
von Kernreaktionen, da es möglich ist, ein Plasma zu verdichten, beispielsweise
durch ein magnetisches Feld, und dadurch die einzelnen Teilchen in diesem zu beschleunigen
und das Plasma dadurch so weit aufzuheizen, daß Wechselwirkungen zwischen Ionen
innerhalb des Plasmas Kernumwandlungen zur Folge haben können. Bei solchen Kernreaktionen
können Neutronen erzeugt werden, die selbst wieder zur Beschießung bestimmter Stoffe
verwendet werden können, um in diesen Umwandlungen hervorzurufen.
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Eine bekannte Ionenquelle zum Erzeugen eines kontinuierlichen Ionenstrahls
hat eine als Hohlzylinder ausgebildete Anode, die an ihren Stirnseiten von zwei
Kathoden begrenzt ist. Eine dieser Kathoden weist eine Öffnung auf, um den Austritt
von Ionen aus der Säule des Plasmabogens durch elektrostatische Anziehung einer
Sonde oder eines anderen Entnahmebauteils zu ermöglichen. In dieser bekannten Einrichtung
wird ebenfalls ein Magnetfeld aufrechterhalten, dessen Kraftlinien in axialer Richtung
durch den Anodenhohlraum verlaufen, so daß geladene Teilchen,
die
in Bewegungsrichtung eine Komponente senkrecht zu dem axial gerichteten Magnetfeld
besitzen, daran gehindert werden, die Anode zu beauf schlagen. Bei diesen bekannten
Ionenquellen wird durch den Abzug des Plasmas vom Erzeuger der Lichtbogen zum Erlöschen
gebracht.
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DerErfindung liegt die Aufgabe zugrunde, im Gegensatz zu den pulsierenden
Plasmastrahlen bekannter Anordnungen einen kontinuierlichen Plasmastrahl zu erzeugen.
Dies wird erreicht, indem die magnetische Feldstärke innerhalb des Anodenraums ein
Maximum hat und die Magnetfeldstärke in Richtung auf die beiden Kathoden hin abnimmt.
Hierdurch wird bewirkt, daß, solange Gas in die Plasmakammer eingeleitet wird, geladene
Teilchen gegen die Kathode zu beschleunigt werden und diese beaufschlagen, um auf
diese Weise Sekundärelektronen zu erzeugen, die zur weiteren Ionisierung des Gases
dienen, das durch die Mittelöffnung der Kathode eingeleitet wird. Ein Teil des Plasmas
wird durch den angegebenen Magnetfeldverlauf zwischen der ersten Kathode und dem
Feldmaximum zurückgehalten, wodurch der Bogen aufrechterhalten und das eintretende
Gas fortlaufend ionisiert wird. Der übrige Teil des Plasmas wird fortlaufend durch
das Feldmaximum hindurch zum Verbraucher geleitet. Ein großer Vorteil des vorliegenden
Plasmaerzeugers besteht darin, daß ein sehr hoher Prozentsatz des erzeugten Plasmas
dem Verbraucher zur Verfügung steht. Darüber hinaus kann in einfacher Weise durch
eine Steuerung des Magnetfeldgradienten die Menge des ausgestoßenen Plasmas leicht
geregelt werden.
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An Hand der Figuren soll die Erfindung beispielsweise erläutert werden,
und zwar zeigt Fig. 1 eine Ansicht im Längsschnitt durch die Mittellinie einer bevorzugten
Ausführungsform des Plasmaerzeugers mit der dazugehörigen elektrischen Schaltanordnung,
Fig. 2 eine schematische Darstellung der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform mit
an die gesonderten Teile .derselben angeschalteten elektrischen Stromkreisen und
Fig. 3 eine graphische Darstellung der Abhängigkeit der Intensität des magnetischen
Feldes über die axiale Länge des Erzeugers.
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Wie in Fig. 1 gezeigt, weist .der Plasmaerzeuger einen mittigen Anodenzylinder
11 auf, der an seinebi rückwärtigen Ende mit einem Flansch 12 versehen ist und ,an
seinem vorderen Ende mit einem Flansch 13.
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.Diese Anodenzylinderflansche 12 und 13 erstrekken sich von den offenen
Enden des Anodenzylinders nach außen und sind gegeneinander geneigt, so daß sie
jeweils eine zur Mitte des Anodenzylinders geneigte konische Außenfläche haben.
Am rückwärtigen Ende des Anodenzylinders ist eine Endplatte 14 angeordnet, welche
auf ihrer dem Anodenzylinder zugekehrten Fläche eine konische Vertiefung aufweist
und am Anodenzylinder durch Bolzen 16 befestigt ist. Die Endplatte 14 kann so .angeordnet
werden, daß sie sich von denn Anodenzylinder 11 und dessen Endflansch 12 in Abstand
befindet und isoliert ist, für welchen Zweck ein Isolierring 17 zwischen der Endplatte
14 und dem Flansch 12, vorzugsweise in Ringnuten, angeordnet ist, die in jedem dieser
Teile vorgesehen sind. Da die Verbindung zwischen der Endplatte und dem Anodenzylinder
vakuumdicht sein muß, können Dichtungselemente, beispielsweise Dichtungsringe 1$,
auf jeder Seite des Isolierrings 17 vorgesehen werden, wie in Fig. 1 gezeigt. Hinsichtlich
der Verbindungsbolzen 16 wird eine elektrische Verbindung des Anodenzylinders mit
der Endplatte dadurch verhindert, daß Isolierbuchsen 19 in den Anodenzylinderlansch
12 eingesetzt sind, durch die sich die Bolzen 16 erstrecken, so daß sie keinen elektrischen
Kontakt mit dem Anodenzylinderflansch haben.
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Durch die Anode 11 wird eine Plasmakammer 21 begrenzt, die auf einen
verringerten Druck gehalten wird. An dem der Endplatte 14 zugekehrten Ende der Plasmakammer
ist eine Kathode 22 angeordnet, die sich jedoch von den üblichen Kathoden in der
Weise unterscheidet, daß sie nicht unbedingt ein Elektronenstrahler sein muß. Die
Bezeichnung »Kathode« wurde hier gewählt, um sie hinsichtlich der relativen Spannung
im Vergleich zur Anode zu kennzeichnen. Die bei der in Fig. 1 dargestellten bevorzugten
Ausführungsform verwendeten Kathode 22 weist eine Scheibe 23 auf, die mit der Innenfläche
der Endplatte 14 verbunden ist und, dem Ende der Plasmakammer 21 unmittelbar benachbart,
in einer in der Platte 14 vorgesehenen Vertiefung angeordnet ist. Durch die Scheibe
23 werden in ihrer Mitte gasförmige Atome oder Moleküle zur Ionisation innerhalb
der Kammer 21. für die Bildung des gewünschten Plasmas eingeleitet. Für das Einleiten
von Gas in die Plasmakammer durch die Scheibe 23 können verschiedene Mittel vorgesehen
werden, Bei der dargestellten Ausführungsform ist eine Rohrleitung 24 vorgesehen,
die sich durch die Endplatte 14 zur Rückseite der Scheibe 23 erstreckt, die mit
einer Vorratsquelle für das innerhalb der Plasmakammer zu ionisierende Gas und mit
der in der Scheibe 23 vorgesehenen feinen Öffnung 26 in Verbindung steht. Das Gas
wird in die Plasmakammer in deren Achsrichtung an ihrer Achse aus nachstehend näher
erläuterten Gründen eingeleitet.
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Am entgegengesetzten Ende des Anodenzylinders 11 ist eine zweite,
hohlzylindrische Kathode oder Ausgangselektrode 27 vorgesehen, welche die Form eines
hohlen Zylinders mit einer durchgehenden Mittelbohrung 2$ hat, deren Durchmesser
im wesent liehen gleich dem Durchmesser der durch den Anodenzylinder 11 gebildeten
Plasmakammer 21. ist. Die Ausgangselektrode ist an ihrem einen Ende mit einem Flansch
29 ausgebildet, der in Anpassung an den Anodenflansch 13 konisch ist. Zur Verbindung
zwischen der Ausgangselektrode 27 und der Anode 11 sind eine Anzahl Bolzen 31 vorgesehen,
wobei Isolierbuchsen 32 einen elektrischen Kontakt mit dem Anodenflansch 13 verhindern.
Die Ausgangselektrode 27 und der Anodenzylinder 11 sind in axialer Ausfluchtung
miteinander und einander unmittelbar benachbart, jedoch ohne elektrischen Kontakt
miteinander angeordnet. Für diesen Zweck ist ein elektrischer Isolator 33 zwischen
dem Anodenflansch 13 und denn Elektrodenflansch 29, vorzugsweise in ringförmigen,
einander zugekehrten Eintiefungen in den Flanschen angeordnet, wobei geeignete Dichtungen,
beispielsweise Dichtungsringe 34, in den Eintiefungen vorgesehen sein können, um
eine vakuumdichte Verbindung zwischen der Elektrode 27 und der Anode 11 herzustellen.
Die Ausgangselektrode 27 weist ferner um ihr Austrittsende herum einen Außenflansch
auf, der zur Verbindung der Ausgangselektrode mit einem Rohr 37 dient, das mit einem
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flanschten Ende 38 versehen ist, welches mit dem Ausgangszylinder durch
Bolzen 39 verbunden ist.
Das Rohr 37 dient als Übergangsrohr zu
einem Gerät zur Verwertung des erzeugten Plasmastrahls und ist in axialer Ausfluchtung
sowohl mit dem Anodenzylinder 11 als auch mit der Ausgangselektrode 27 angeordnet
und hat im wesentlichen den gleichen Durchmesser wie diese. Das Evakuieren der Plasmakammer
21 kann von dem Gerät aus erfolgen, mit dem der Plasmaerzeuger über das Rohr 37
und die Ausgangselektrode 27 verbunden ist, da der ausgesandte Plasmastrahl normalerweise
in einem evakuierten Gerät verwendet wird. Es kann jedoch, falls erforderlich oder
gewünscht, eine gesonderte Absaugeinrichtung vorgesehen werden.
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Als weitere Bauelemente des Plasmaerzeugers sind eine Anzahl Magnetspulen
vorgesehen, die um die vorangehend beschriebenen Elemente angeordnet sind. Diese
Magnetspulen bestehen aus voneinander gesonderten, sich in axialer Ausfluchtung
befindenden und gleichartigen Wicklungen 41 bis 44, welche um den Anodenzylinder
und die Endplatte 14 angeordnet sind, so daß sie die Plasmakammer 21 umgeben. Die
Magnetspulen sind durch geeignete, nicht dargestellte Mittel gleichachsig zur Plasmakammer
angeordnet. Außer den erwähnten Magnetspulen, von denen jede eine begrenzte axiale
Länge aufweist, ist ferner in Ausfluchtung mit diesen eine zusätzliche Magnetspule
46 vorgesehen, die sich vom Ende der Plasmakammer 21 um die Ausgangselektrode 27
und um mindestens einen Teil des Rohrs 37 erstreckt.
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Was die elektrischen Anschlüsse der vorangehend beschriebenen Elemente
betrifft, ist, wie in Fig. 2 gezeigt, eine Gleichspannungsquelle 51 vorgesehen,
deren positive Klemme mit der Anode 11 verbunden ist. Die Kathode 14 und die Ausgangselektrode
27 werden auf dem gleichen elektrischen Potential gehalten, das zum Potential der
Anode 11 negativ ist, was leicht dadurch geschehen kann, daß sowohl die Kathode
als auch die Ausgangselektrode elektrisch geerdet werden. Zur Rückleitung des elektrischen
Stroms ist die negative Klemme der Gleichspannungsquelle 51 geerdet.
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Eine weitere Gleichstromquelle 52 ist für die Erregung der vorangehend
beschriebenen Magnetspulen vorgesehen. Von -der Gleichstromquelle 52 sind zu jeder
der Magnetspulen 41 bis 44 und 46 gesonderte elektrische Verbindungen vorgesehen,
so daß jede Magnetspule gesondert erregt werden kann und der durch jede Magnetspule
fließende Strom gesondert regelbar ist. An der Gleichstromquelle 52 sind geeignete
Mittel zur Regelung der Stromversorgung jeder der Magnetspulen vorgesehen. Es ist
jedoch auch möglich, in bestimmten Fällen die Ausgangsmagnetspule 46, welche um
die Ausgangselektrode 27 angeordnet ist, mit einem konstanten Strom zu speisen,
da es in vielen Fällen nicht erforderlich ist, das durch die Ausgangsmagnetspule
46 erzeugte magnetische Feld zu regeln oder zu verändern.
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Zur Wirkungsweise des vorliegenden Plasmaerzeugers sei zunächst erwähnt,
daß bei eingeschalteter Gleichstromquelle 52 Strom durch jede der Magnetspulen 41
bis 44 und 46 fließt, so daß ein magnetisches Feld in der Achsrichtung der Plasmakammer
21, der Bohrung des Auslaßzylinders 27 sowie des Rohres 37 erzeugt wird. Dieses
magnetische Feld ist ständig so orientiert, daß seine Kraftlinien in Achsrichtung
durch die Plasmakammer verlaufen und aus dem Ende des Plasmaerzeugers heraustreten,
so daß die Kraftlinien senkrecht zur Kathodenscheibe 23 in die Plasmakammer verlaufe.
Eine geonderte oder gemeinsame Veränderung des Stromflusses zu den Magnetspulen
dient nur zur Veränderung der Intensität des magnetischen Feldes innerhalb der Plasmakammer
21 und beeinflußt in keiner Weise die Richtung der Kraftlinien in diesem. Durch.
das Anlegen einer Spannung an die Elektrodenelemente mit Hilfe der Gleichspannungsquelle
51 wird eine hohe Spannungsdifferenz zwischen der Anode und der Kathode an dem einen
Ende und der Ausgangselektrode am anderen Ende erzeugt. Diese hohe Spannungsdifferenz
erzeugt ein starkes elektrostatisches Feld, das auf die in der Plasmakammer jeweils
vorhandenen freien geladenen Teilchen einwirkt. Selbst wenn die Plasmakammer hochevakuiert
ist, sind bekanntlich in dem Restgas immer noch einige wenige geladene Teilchen
vorhanden. Das vorerwähnte starke elektrische Feld wirkt auf diese geladenen Teilchen,
um diese zu beschleunigen, und wenn Gasteilchen durch die Mitte der Scheibe 23 in
die Plasmakammer eintreten, erfahren diese durch die in der Kammer beschleunigten
geladenen Teilchen Ionisierungsstöße, durch die sie ionisiert werden. Durch eine
Kaskadenwirkung wird eine große Menge ionisiertes Gas in der Kammer 21 erzeugt,
das sowohl positiv geladene Ionen als auch elektrisch negative Elektronen aufweist.
Das axiale Magnetfeld durch die Plasmakammer 21 erzwingt eine im wesentlichen axial
gerichtete Bewegung der geladenen Teilchen in der Kammer. Die relativ negative Spannung
an der Ausgangselektrode 27 und an der Kathode 23 hat anfänglich zur Folge, daß
Ionen von der Anode angezogen und Elektronen in die Anode zurückgestoßen werden,
worauf sie weitere Ionisierungsstöße mit dem eintretenden Gas erfahren und schließlich
innerhalb der Kammer 21 ein im wesentlichen völlig ionisiertes Plasma erhalten wird.
Geladene Teilchen, die sich in der Kammer 21 beispielsweise mit einer radialen Geschwindigkeitskomponente
bewegen, erfahren eine Einwirkung durch eine Kraft, die im rechten Winkel zur Bewegungsrichtung
und zur Richtung des magnetischen Feldes erzeugt wird, was durch die bekannte Wechselwirkung
zwischen elektrischen Ladungen und magnetischen Feldern bedingt ist, so daß die
Teilchen gezwungen werden, sich innerhalb der Kammer 21 zu bewegen, und daran gehindert
werden, die Wände der Anode 11 zu erreichen.
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Es wird daher innerhalb der Kammer 21 ein sehr dichtes hochionisiertes,
raumneutralisiertes Plasma erzeugt, das sich im wesentlichen bis zur Kathodenscheibe
23 erstreckt, wobei ein nur verhältnismäßig kleiner Verlust an geladenen Teilchen
an die Wände der Anode 11 erfolgt. Durch die Mitte der Kathode 23 wird zusätzliches
Gas in dieses Plasma eingeleitet, worauf dieses Gas ionisiert wird, wobei die Wahrscheinlichkeit,
daß ein nichtionisiertes Teilchen, das sich im allgemeinen regellos innerhalb der
Anode 11 bewegt, deren Ausgangsende erreicht oder in die Ausgangselektrode 27 eintritt,
ohne daß es zuerst durch dichtes Plasma hindurchtritt und in diesem ionisiert wird,
außerordentlich gering ist. Ferner ist hinsichtlich der Ionisationswirkung innerhalb
dieser Vorrichtung zu erwähnen, daß die Anode 11 und die Endelektroden 14 und 27
so zusammenwirken, daß Elektronen in einem gewissen Ausmaß von den Enden der Anode
zurückgestoßen werden und daher eine schwingende Bewegung innerhalb der Anode ausführen,
wodurch sie sehr lange Wege zurücklegen,
weshalb die Wahrscheinlichkeit
eines Ionisierungsstoßes durch das Elektron, bevor es an einer Elektrodenfläche
eingefangen wird, sehr hoch ist. Obwohl diese Wirkung im wesentlichen in der Anfahrperiode
stattfindet, während welcher die anfängliche Ionisation erfolgt, wird durch die
nachfolgende Erzeugung eines stark intensivierten Plasmas innerhalb der Kammer 21
diese Bedingung nicht stark verändert. Von den geladenen Teilchen, welche die seitliche
magnetische Begrenzung überwinden, werden diejenigen in der Nähe der Anodenenden
durch die Schrägform der Flansche daran gehindert, die Isolatoren zu beschädigen,
da es sehr unwahrscheinlich ist, daß die Teilchen den Weg finden, der erforderlich
ist, daß sie die Isolatoren erreichen, bevor sie zuerst auf die Plansche auftreffen.
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Aus der bekannten Theorie für Lichtbogen und Plasmen ergibt sich,
daß ein Lichtbogen oder Plasma das Bestreben hat, das Potential der am stärksten
positiven Elektrode anzunehmen, die zu seiner Bildung dient, und ferner, daß nur
ein sehr geringer Spannungsabfall von dem einen Ende des Lichtbogens zum anderen
erfolgt. Dies geschieht im vorliegenden Falle nach der Anregung des Plasmas und
nachdem dieses eine beträchtliche Dichte erreicht hat. Nach der Anfangsstufe der
Ionisation erstreckt sich das Plasma von in der Nähe der Scheibe 23 durch die Kammer
21 und damit in die sowie durch die Ausgangsbohrung 28. Unter diesen Bedingungen
kann die relativ negative Spannung der Ausgangselektrode 27 das Lichtbogenplasma
bzw. die Plasmagrenzen nicht durchdringen. Daher wird durch die relativ negative
Spannung der Ausgangselektrode 27 das Plasma nicht wesentlich beeinflußt, so daß
dieses ungehindert in die Elektrode 27 eintritt, ohne daß sich die positiven und
negativen Ladungen desselben voneinander trennen.
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Außer der vorerwähnten Wirkung des magnetischen Feldes, die darin
besteht, geladene Teilchen daran zu hindern, seitlich aus dem Plasma herauszuwandern,
so daß sie die Wand der Anode beäufschlagen, wird das magnetische Feld im vorliegenden
Falle ferner dazu verwendet, Plasma aus der Quelle auszustoßen. Wie sich aus Fig.3
ergibt, wird die Intensität des magnetischen Feldes längs der Achse des Plasmaerzeugers
durch die Gleichstromquelle 52 so eingestellt, daß eine maximale Feldintensität
innerhalb des Anodenzylinders 11. mit einer abnehmenden Stärke des Magnetfeldes
auf den beiden gegenüberliegenden Seiten dieses Zylinders erzeugt wrd. Es läßt sich
daher an einem bestimmten Punkt innerhalb der Anode 11 ein axial in jeder Richtung
abnehmendes Magnetfeld feststellen. Durch diesen Magnetfeldgradienten werden geladene
Teilchen abgestoßen. Im besonderen werden durch den ansteigenden Feldgradienten
den geladenen Teilchen Abstoßungskräfte mitgeteilt, welche das Bestreben haben,
diese in die Nähe eines schwächeren Magnetfeldes zu verdrängen. Dieser in der Physik
bekannte Umstand wird hier dazu ausgenutzt, eine Kraft zu erzeugen, welche das Plasma
aus der Plasmakammer 21 sowie durch die Ausgangselektrode 27 und das an diese angeschlossene
Rohr 37 herausdrängt. Die Größe dieser durch den Magnetfeldgradienten ausgeübten
Kraft ist proportional der Größe des Gradienten, so daß, wenn der Gradient ausreichend
groß gemacht wird, fast keine geladenen Teilchen, die sich anfänglich benachbart
der Kathode befinden, sich in Längsrichtung der Anode und durch den Bereich des
maximalen Feldes bewegen können. Es ist jedoch hier nicht beabsichtigt, Magnetfeldgradienten
von dieser Größe zu verwenden, sondern einen Magnetfeldgradienten, der ausreicht,
eine Kraft auf die geladenen Teilchen auszuüben, ohne daß dadurch der Durchtritt
von geladenen Teilchen durch das Feldstärkemaximum verhindert wird. Hierbei ist
zu erwähnen, daß in einem Plasma, wie es hier gebildet wird, geladene Teilchen das
Bestreben haben, von dessen Enden wegzudiffundieren. Bei dem vorliegenden Plasmaerzeuger
wird der Magnetfeldgradient dazu ausgenutzt, diesen Diffusionsvorgang zu fördern,
so daß sich große Mengen Plasma aus der Plasmakammer heraus durch die Ausgangselektrode
27 bewegen. Wie erwähnt, ist die Gleichstromquelle 52 hinsichtlich des Stroms, der
durch die einzelnen Magnetspulen 41 bis 44 fließt, regelbar, so daß eine Möglichkeit
zur Veränderung des Magnetfeldgradienten innerhalb der Plasmakammer besteht. Ein
Ansteigen dieses Gradienten hat zur Folge, daß auf die geladenen Teilchen innerhalb
der Kammer eine größere Kraft ausgeübt wird; so daß der die Anode je Zeiteinheit
verlassende Plasmastrom zunimmt. Ferner kann die Lage des Punktes maximaler Feldintensität
in Längsrichtung der Anode 11 ebenfalls zu dem Zweck verschoben werden, die aus
dem Erzeuger ausgestoßene Plasmamenge zu regeln.
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Ein weiterer wichtiger Vorteil des vorliegenden Plasmaerzeugers, der
durch das Feldstärkemaximum, beispielsweise bei 53 in Fig. 3, des magnetischen Feldes
erzielt wird, besteht darin, daß ein bestimmter Teil des Plasmas benachbart der
Kathode eingefangen wird. Das von der Kathode weg axial zur Anode zunehmende Magnetfeld
hat das Bestreben, geladene Teilchen zur Kathode zu verdrängen, wodurch eine übermäßige
Abreicherung des Plasmas in diesem Bereich verhindert wird. Diese geladenen Teilchen,
sowohl Ionen als auch Elektronen, die durch den Magnetfeldgradienten zur Kathode
verdrängt werden, beaufschlagen diese, wodurch Sekundärelektronen erzeugt werden,
die zur weiteren Ionisierung des Gases dienen, das in die Anode durch die Mittelöffnung
der Kathode eingeleitet wird. Im Gegensatz zu bestimmten anderen bekannten Plasmaerzeugern
besteht bei dem vorliegenden Plasmaerzeuger eine Sicherung gegen das Abziehen des
Plasmas vom Erzeuger, durch das der Lichtbogen zum Erlöschen gebracht werden kann.
Bei dem vorliegenden Plasmaerzeuger wird durch das magnetische Feld das fortdauernde
Bestehen eines Plasmas innerhalb der Kammer 21 sichergestellt, solange die Bauelemente
des Erzeugers erregt sind und Gas in die Plasmakammer eingeleitet wird. Es kann
daher ein kontinuierlicher Plasmastrahl erzeugt werden, der durch die Wirkung des
Magnetfeldes vom Generator weg beschleunigt wird. Ferner ist zu erwähnen, daß bei
dem vorliegenden Plasmaerzeuger keine Magnetfeldveränderungen erforderlich sind,
um eine Plasmabeschleunigung hervorzurufen, und daß für jede besondere Betriebsbedingung
feste elektrische Spannungen mit unveränderter Magnetspulenerregung verwendet werden.
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Eine weiteres wichtiges Merkmal des vorliegenden Plasmaerzeugers besteht
in dem Aufbau der Ausgangselektrode 27, welcher, wie ersichtlich, von dem ähnlicher,
manchmal in Ionenquellen verwendeter Elektroden wesentlich abweicht. Es wurde festgestellt,
daß hinsichtlich der Verwendung als Ionenquelle die Austrittsstromdichte des ausgestoßenen
Ionenstrahls
nicht proportional finit der Zunahme der Größe der Austrittsöffnung zunimmt. Obwohl
diese Bedingung zweifellos für lonenquellen zutrifft, hat sich jedoch herausgestellt,
daß sie keine Beschränkung bei Plasmaerzeugern oder zumindest bei dem vorliegenden
Plasmaerzeuger bildet. Bei letzterem hängt die Beschleunigung des Plasmas in keiner
Weise von elektrischen Feldern ab, sondern es werden statt dessen Magnetfelder zur
Erzeugung der Beschleunigungskraft auf das entstehende Plasma verwendet, so daß,
je größer die Austrittsöffnung ist, desto größer die Zahl der Teilchen ist, die
durch diese ausgestoßen werden können. Bei dem erfindungsgemäßen Plasmaerzeuger
weist die Ausgangselektrode 27 eine durchgehende Bohrung 28 auf, deren Größe hinsichtlich
der Querschnittsfiäche gleich der der Plasmakammer 21 ist, so daß der Austritt des
Plasmas aus der Plasmakammer durch die Ausgangselektrode27 hindurch in keiner Weise
behindert wird.
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Die vorangehend beschriebene Konfiguration des magnetischen Feldes
innerhalb der Plasmakammer 21 wird manchmal als spiegelmagnetisches Feld oder als
Spiegelfeld bezeichnet, da es das Bestreben hat, die geladenen Teilchen, die sich
ihm nähern, ohne Rücksicht auf die Polarität dieser Teilchen zu reflektieren. Wie
erwähnt, wird hier nur eine verhältnismäßig unvollkommene Spiegelfeldkonfiguration
verwendet, da nicht die maximale Zahl geladener Teilchen von diesem reflektiert
werden soll, sondern lediglich die Zahl der hindurchtretenden geladenen Teilchen
mit dem Zweck geregelt werden soll, daß sie an der Aufrechterhaltung des ionisierenden
Plasmas innerhalb der Kammer 24 sowie der kontinuierlichen Beschleunigung von Plasma
aus der Kammer teilnehmen sollen.