DE1206095B - Vorrichtung zum Herbeifuehren von Kernreaktionen an einer Prallelektrode, insbesondere zum Erzeugen von Neutronen-impulsen (Neutronenblitzroehre) - Google Patents

Vorrichtung zum Herbeifuehren von Kernreaktionen an einer Prallelektrode, insbesondere zum Erzeugen von Neutronen-impulsen (Neutronenblitzroehre)

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DE1206095B
DE1206095B DESCH28395A DESC028395A DE1206095B DE 1206095 B DE1206095 B DE 1206095B DE SCH28395 A DESCH28395 A DE SCH28395A DE SC028395 A DESC028395 A DE SC028395A DE 1206095 B DE1206095 B DE 1206095B
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    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01JELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J27/00Ion beam tubes
    • H01J27/02Ion sources; Ion guns
    • H01J27/16Ion sources; Ion guns using high-frequency excitation, e.g. microwave excitation
    • HELECTRICITY
    • H05ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05HPLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H3/00Production or acceleration of neutral particle beams, e.g. molecular or atomic beams
    • H05H3/06Generating neutron beams

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Description

  • Vorrichtung zum Herbeiführen von Kernreaktionen an einer Prallelektrode, insbesondere zum Erzeugen von Neutronenimpulsen (Neutronenblitzröhre) Für viele neutronenphysikalische und kerntechnische Messungen benötigt man eine starke instationäre Neutronenquelle, die es erlaubt, hohe momentane Neutronen-Quellstärken zu erzielen. Für Anwendungen dieser Art wurden bekanntlich bisher fast ausschließlich Beschleunigungsanlagen nach Art der Kaskadengeneratoren benutzt, in denen man Deuteronen der Energie von 105 bis 106 eV erzeugt, die dann auf einer Prallplatte an leichten Atomkernen nach Art der Reaktionen D (d, n) He3, T (d, n) He4 , Be9 (d, n) B10 Neutronen erzeugen.
  • Der Aufwand dieser Anlagen ist relativ hoch, und diese Anlagen können insbesondere zur stoßweisen Erzeugung von hohen Neutronenquellstärken nur in beschränktem Maße Anwendung finden, da infolge des langen Strahlweges die erreichbaren Strahlstromstärken der zu beschleunigenden Teilchen auf 10-2 bis 10-1 A beschränkt sind. Dies ist im wesentlichen eine Folge der Tatsache, daß der infolge der Isolation des Beschleunigungsrohres erforderliche lange Strahlweg ein hohes Vakuum im Beschleunigungsraum voraussetzt, wohingegen die Erzeugung der Ionen bei einem um mehrere Zehnerpotenzen höheren Gasdruck der Ionenquelle stattfindet. Zum Übertritt der Teilchen aus der lonenquelle in den Hochspannungs-Nachbeschleunigungsraum ist dabei eine enge kanal- oder blendenförmige Öffnung notwendig, die für den Gasstrom einen erheblichen Strömungswiderstand darstellt und die erforderliche Druckdifferenz zwischen dem ständig evakuierten Hochvakuum-Nachbeschleunigungsraum und der mit dem Gas (z. B. Deuteriumgas) beschickten Ionenquelle aufrechterhält.
  • Diese enge kanal- oder blendenförinige Öffnung begrenzt nun aber auch in erheblichem Maße den der Ionenquelle maximal entnehmbaren Ionenstrom, der sich auch im Impulsbetrieb nicht wesentlich steigern läßt, da infolge der Raumladungswirkung eines Ionenstrahles spezielle ionenoptische Bedingungen eingehalten werden müssen, die den wirklich auf der Prallplatte erzielbaren Ionenstrom begrenzen.
  • Andere bekannte Anlagen sind von der Überlegung ausgehend entworfen worden, daß zwischen dicht benachbarten Elektroden höhere Spannungen ohne Durchschlag aufrechterhalten werden können, wenn die freien Weglängen für die Ionisation im Gasraum durch die Elektronen groß gegen die Elektrodenabstände sind, da sich dann keine selbständige Entladung ausbilden kann.
  • Daraus ergab sich die Möglichkeit, Beschleunigungssysteme zu bauen, die bei gleichem Druck wie bei der Niederdruckentladung betrieben werden können. Bekanntgewordene Anlagen dieser Art erzeugen Ionen in einer Gleichstrom-Niederdruck-Gasentladung im Magnetfeld (Penning-Entladung). Die Ionen werden in einem einstufigen Beschleunigungssystem auf etwa 100 kV beschleunigt und lösen an einer Prallplatte Kernreaktionen aus. Das System ähnelt dem einer Röntgenröhre, wird abgeschmolzen betrieben und hat sehr geringe Ionenströme.
  • Ebenfalls bekannt sind instationäre Systeme, die im Stoßbetrieb (Impulsbetrieb) arbeiten. Bei diesen wird das Plasma auch durch eine stationäre Niederdruck-Gleichstromentladung im Magnetfeld (Penning-Entladung mit Glühkathode) erzeugt. Es wird ein kurzzeitiger Hochspannungsimpuls an die Prallelektrode gelegt, der einen Teil der Plasmaionen auf die Prallelektrode zu beschleunig Es werden Impulsströme von mehreren Ampere erzeugt, die erreichbaren Impulsdauern sind bei den in der Penningentladung erzielten Plasmadichten durch das Zurückweichen der ioneneinittierenden Plasmagrenze vor der Prallelektrode auf wenige 10-11 Sekunden beschränkt, und die im Impuls erzielten Ionen-Ladungsmengen sind dementsprechend niedrig, so daß der Nutzeffekt derartiger Anordnungen klein bleibt. Sie haben sich als technische Lösungen bisher nicht durchsetzen können. Ihr Anwendungsgebiet liegt bei extrem kurzen Zeitskalen spezieller Messungen.
  • Es sind auch schon Hochfrequenz-Ionenquellen für Neutronengeneratoren vorgeschlagen worden, die jedoch verhältnismäßig kompliziert »mit Extraktionskanälen u. dgl. aufgebaut sind und entweder mit geringem Gasdruck im Ionisierungsraum arbeiten, dann aber keine hohen Ionenströme erlauben oder aber zur Erzielung hoher Ionenströme mit relativ hohem Gasdruck im Ionisierungsraum arbeiten. Im letzteren Falle muß aber der Beschleunigungsraum laufend von dem durch die Emissionsöffnung aus dem Ionisierungsraum eintretenden Gas (kontinuierlich durchlaufender Gasstrom) evakuiert werden. Ein solcher Druckunterschied zwischen Ionisierungs- und Beschleunigungsraum ist jedoch für viele Zwecke hinderlich, da er sich nicht für eine von Vakuumpumpen unabhängige Einrichtung eignet.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, instationäre Neutronenquellen hoher Impulsquellstärken mit relativ kleinem Aufwand herzustellen, die auch als abgeschmolzene Neutronenblitzröhren betrieben werden können und mittlere Quellstärken liefern.
  • Das wird nach der Erflndung in überraschend einfacher Weise durch eine Vorrichtung zum Herbeiführen von Kernreaktionen an einer Prallelektrode (Target), insbesondere zum Erzeugen von Neutronenimpulsen mit einem Gasentladungsgefäß, das mit'einer Einrichtung zum Erzeugen einer auf einen definierten Bereich innerhalb des Gefäßes begrenzten Hochfrequenz-Gasentladung ausgestattet ist und innerhalb desselben zwei einander hinsichtlich ihrer Oberflächenschwerpunkte praktisch diametral zum Mittelpunkt des durch die Hochfrequenz-Gasentladung erzeugten Plasmas gegenüberliegende Elektroden, die an einen Hochspannungsgenerator angeschlossen sind und zur Extraktion der Ionen aus den Plasma dienen. erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß die eine der beiden Elektroden das Target ist, dessen Abstand von der Plasmagrenze höchstens von der Größenordnung des doppelten Durchmessers des Ionenstrahlbündels am Ort der Targetoberfläche ist. Die konstruktive Bestimmung, daß die Oberflächenschwerpunkte der beiden Elektroden praktisch zum Mittelpunkt des durch die Hochfrequenz-Gasentladung erzeugten Plasmas gerichtet sein sollen, ist dahingehend zu verstehen, daß die zum Auftreffen von Ladungsträgern bestimmten Flächen im wesentlichen senkrecht zur gedachten Verbindungslinie zwischen der Ladungsträgerquelle und den Flächenelementen ausgerichtet sein sollen, so daß sich eine möglichst große Fläche für die auftreffenden Ladungsträger ergibt. Hierbei können die Elektrodenflächen selbstverständlich auch eben und daher im wesentlichen senkrecht zum Plasma ausgerichtet sein. Die außer dem Target mindestens noch vorgesehene zweite Elektrode (Anode) kann grundsätzlich auch eine stiftförmige oder ähnlich geartete Elektrode sein, da ihre wesentliche Funktion in der erfindungsgemäßen Einrichtung darin besteht, das Plasma auf das Gegenpotential zum Targetpotential zu legen, sie wird jedoch für höhere Impulsfolgen normalerweise flächig ausgebildet, da sie dann die vom Target durch den Ionenbeschuß ausgelösten Sekundärelektronen aufnehmen muß.
  • Zweckmäßig ist als Hochspannungsgenerator ein gepulster vorgesehen. Darüber hinaus ist es vorteilhaft, einen elektrodenlosen, d. h. induktiv oder kapazitiv wirkenden, nicht durch Elektroden direkt mit dem Plasma in leitendem Kontakt stehenden Hochfrequenz-Ionenerzeuger zu verwenden.
  • Die mit der Vorrichtung nach der Erfindung im zeitlichen Mittel erzielbaren Ergebnisse sind durchaus mit denen konventioneller Kaskadenbeschleuniger vergleichbar, übertreffen sie jedoch erheblich im Impulsbetrieb, und zwar um mehrere Größenordnungen. Darüber hinaus ist sie einfacher in ihrem Aufbau und betriebssicherer. Das macht sie besonders als kleine transportable Apparatur für neutronenphysikalische und kerntechnische Messungen geeignet.
  • In der Abbildung ist eine Ausführungsform der Vorrichtung nach der Erfindung dargestellt.
  • Die Abbildung zeigt ein kugelförmiges Entladungsvolumen 1 mit zwei diametral entgegengesetzt angesetzten Elektrodenräumen, und zwar dem Anodenraum 2 und dem Beschleunigungsraum 3.
  • Der Entladungsraum 1 ist von einer Hochfrequenzspule 6 umgeben. Im Beschleunigungsraum 3 befindet sich die flüssigkeitsgekühlte Prallelektrodep, die in einem Isolator! gehaltert ist, sowie eine blendenförmige Elektrode b, die an der metallischen Durchführung d befestigt ist und deren Blendenöffnung am Rande des Entladungsraumes 1 die kreisrunde Ionenemissionsöffnung 4 freigibt, an die sich in Richtung auf die Prallelektrodep die divergierende Beschleunigungsstrecke 5 anschließt. Die Beschleunigungsstrecke (Absaugstrecke) 5 beginnt plasmaseitig am Rande des Entladungsraumes 1 in der von der Blendenelektrode berandeten kugelig gekrümmten Plasmagrenze (strichliniert). Sie endet an der Targetschicht, die auf der Prallelektrode aufgebracht ist und in der die Kernreaktionen ausgelöst werden. Im Anodenraum 2 ist außer der Anode a auch noch eine Gasvorratswendel w vorgesehen, die als elektrisch regulierbarer Gasvorrat der Druckregelung dient.
  • Das ganze System ist im Glasgefäß g vakuumdicht eingeschlossen und kann z. B. über einen an den Anodenraum 2 zusätzlich angesetzten Pumpstutzen an der Pumpe betrieben werden. Bei Verwendung einer Gasvorratswendel w kann jedoch das System im Glasgefäß in abgeschmolzenem Zustand betrieben werden.
  • Das Plasma wird besonders vorteilhaft unter Verwendung einer leistungsstarken, induktiv erregten Hochfrequenz-Niederdruckentladung erzeugt. Eine solche Entladung läßt sich noch bei sehr geringem Druck betreiben. Dazu besteht das Gefäß des Entladungsraumes 1 zweckmäßig aus Keramik oder Glas. Der Vorteil der induktiven Hochfrequenzentladung besteht vor allem darin, daß die Metallelektroden im Plasmaraum nicht benötigt werden. Die Rekombinationswahrscheinlichkeit an Metallelektroden würde vor allem bei Entladüngen in Molekülgasen infolge der Erniedrigung des Atomionenanteils stören. Zum anderen entfallen bei dieser Entladungsart alle zusätzlichen Leistungsverluste durch Kathodenheizung und sonstige Vorgänge an den Elektroden. Die durch die Hochfrequenzentladung erzielbaren Ringströme im Plasma sind um ein mehrfaches höher als die normaler unselbständiger Niederdruckentladungen, deren Ströme im wesentlichen durch die Emissionsfähigkeit der Kathoden gegeben sind.
  • Die günstigste Form des Entladungsgefäßes ist die Kugelform, da die Verluste der Entladung proportional der Oberfläche sind. Der Gefäßradius wird an Hand des Gasdrucks und der Zündbedingung bestimmt. Nach der Zündung bestimmt der Gefäßradius die Elektronentemperatur, während eine Erhöhung der Hochfrequenzleistung die Plasmadichte erhöht; weiterhin ist noch die Zylinderform vorteilhaft.
  • Um ein gleichmäßiges Absaugfeld über die kreisrunde Emissionsöffnung zu erzielen, kann die Prallelektrodep in Weiterbildung der Erfindung ebenfalls gekrümmt sein, wobei ihr Krümmungsmittelpunkt ebenso wie der Krümmungsmittelpunkt der Plasmagrenze am zweckmäßigsten im Zentrum des Entladungsvolumens 1 liegt. Die Blendenelektrode b an der Außenwand des Beschleunigungsraumes sorgt für eine definierte Feldverteilung am Rande des lonenstrahls und außerhalb. Die Emissionsöffnung begrenzt den Strahlrand an der Plasmagrenze. Dort bildet die Blendenelektrode mit dem Strahlrand einen Winkel von 3/, n = 67,5' und sorgt durch ihre übrige Formgebung in Verbindung mit der Prallelektrode für eine Potentialanpassungdes raumladungsbeschwertenInnenraumes an den raumladungsfreien Strahlaußenraum. Die vorgegebene Strahlkante steht dann senkrecht auf den Aquipotentialflächen.
  • Die Einstellung der optimalen Krümmung der Plasmagrenze erfolgt durch Regelung der Senderleistung. Die Form der Plasmagrenze ergibt sich aus der Gleichgewichtsbedingung: lonendilTusionsstromdichte von der Seite des quasineutralen Plasmas = Ionenemissionsstromdichte = Dichte der Ionenströmung im Raumladungspotential der Absaugelektrode. Dabei ist der Ionendiffusionsstrom infolge des radialen Plasma-Dichtegradienten vom Zentrum der Entladung radial nach außen gerichtet, wobei die Ionen infolge des geringen Gasdrucks von ihrem Erzeugungsort praktisch das Plasmapotential in radialer Richtung frei durchfallen und auf die Wandung treffen bzw. an der Plasmagrenze in der Emissionsöffnung das quasineutrale Plasma verlassen, um in der Beschleunigungsstrecke radial auf die Prallelektrode zu beschleunigt zu werden.
  • Die Ionenströmung der Beschleunigungsstrecke 5 ist durch Raumladung begrenzt, es wird ein divergenter, nicht auf die Prallelektrode fokussierter Strahlverlauf erzielt, der für eine gleichförmige hohe Belastung der Targetschicht sorgt. Diametral dem Beschleunigungsraum entgegengesetzt ist am Entladungsgefäß der Anodenraum 2 angesetzt. Eine großflächige Anode erfaßt den gesamten Querschnitt der von der Prallelektrode ausgehenden Sekundärelektronenströmung hoher Energie. Die durch die Ionenströmung an der Prallelektrode ausgelösten Sekundärelektronen sind anfänglich langsam und werden deshalb in der Beschleunigungsstrecke praktisch gradlinig (orthogonal zur Prallelektrode, entgegengesetzt der lonenströmung) bis zum Plasmarand beschleunigt und durchsetzen vermöge ihrer hohen Energie das Plasma nahezu ungehindert, so daß sie auf der Anode ihre gesamte Energie abgeben. Sie bewegen sich innerhalb des zwischen Prallelektrodep und Anode a strichliniert angedeuteten Kegels. Ein zweiter Anteil langsamer Elektronen, der der in der Beschleunigungsstrecke aus dem Plasma angesaugten lonenströmung entspricht, diffundiert von der Plasmakugel des Entladungsvolumens 1 zur Anode a. Dieser Anteil trägt aber infolge seiner geringen Energie nur sehr wenig zur Belastung der Anode bei. Der Anodenraum 2 ist durch eine Einschnürung des Gefäßes g vom Entladungsvolumen 1 getrennt; diese Einschnürung ist so zu wählen, daß die schnellen direkten Sekundärelektronen das Gefäß nicht treffen können.
  • Bei kleineren Anodenverlustleistungen (geringe mittlere Belastung) kann die Anode a strahlungsgekühlt betrieben werden, andernfalls ist sie wie im Ausführungsbeispiel ähnlich der Prallelektrode p zu gestalten und mit einer Flüssigkeitszwangskühlung zu versehen.
  • Soll die Einrichtung unabhängig von Pumpe und Gasversorgung betrieben werden, so ist ein Vorrat an Entladungsgas in absorbierter Form vorzusehen. Die Entladung gehrt einen Teil des Gases in dem Metall der Prallelektrode und an den Gefäßwänden auf. So läßt sich z. B, Deuteriumgas und Tritium in Ti- oder Zr-Drähten in ausreichendem Maße speichern. Es wird dann in kontrollierter Weise z. B. durch elektrische Heizung dieser Drähte frei und kann in reversibler Weise zur Regelung des Gasdrucks während des Betriebes dienen. Im dargestellten Ausführungsbeispiel wird der Gasvorrat in der Vorratswendel w gespeichert.
  • Die Verwendung der Gasentladungsröhre nach der Erfindung zum Erzeugen von Neutronen aus der T(d,n)He4#Reaktionen ist es vorteilhaft, beim Betrieb mit abgeschmolzenen Röhren den Gasvorrat aus einer Mischung,von Deuterium und Tritium bereitzustellen. Dies kann in einem gemeinsamen Vorrat oder auch in gesonderten Vorratswendeln geschehen. Auch kann eine Verarmung des Tritiums in der Targetschicht sicher verhindert werden, indem sowohl Tritium als auch Deuterium als Ionen auf das Target geschossen werden, wo sie steckenbleiben und weiterhin als Zielkerne dienen. In diesem Falle kann die Belastung der Targetschicht unter Umständen höhergetrieben werden, da ihr Gehalt an Zielkernen einen stationären Gleichgewichtswert erreicht.
  • Da z. B. für Kernreaktionen mit Deuteronen zur Erzeugung von Neutronen Spannungen von über 100 kV erforderlich sind, wird bei der kurzen Beschleunigungsstrecke die Feldstärke bzw. der Absaugradient sehr hoch -und setzt an der ionenemittierenden Plasmagrenzschicht eine sehr hohe lonenemissionsstromdichte voraus, die im wesentlichen durch die Plasma-Elektronentemperatur und die Ionendichte im Plasma gegeben ist. Es wird also zur Erzeugung der Ionen eine Niederdruckentladung relativ hohen lonisationsgrades verlangt. Infolge der unvermeidlichen Wandverluste des Enladungsraumes setzt eine geeignete Niederdruckentladung eine erhebliche Leistungszufuhr voraus; die hohen Emissionsstromdichten geben in Verbindung mit der hohen Absaugspannung (= Beschleunigungsspannung 100 kV) eine erhebliche Belastung der Prallelektrode. Der an der Prallelektrode entstehende Sekundärelektronenanteil verursacht eine die Belastung der Prallelektrode mehrfach übertreffende Belastung der Anode. Die thermische Belastung eines solchen Systems wäre stationär auf die Dauer nur schwierig tragbar. Deshalb ist es besonders vorteilhaft, das System in an sich bekannter Weise impulsmäßig zu betreiben, wobei sowohl der Hochfrequenzgenerator als auch die Hochspannung der Prallelektrode impulsgetastet werden.
  • Der vorgeschlagene Impulsbetrieb erfordert einen leistungsstarken Hochfrequenzgenerator, der bei Impulsdauern von etwa 10-5 Sekunden etwa 104 bis 101 Watt abzugeben vermag. Die Ankopplung der Hochfrequenzleistung geschieht mittels einer Spule 6, die das Entladungsgefäß umschließt.
  • Die Frequenz der benutzten Hochfrequenzenergie ergibt sich aus den Bedingungen des optimalen Zündeinsatzes der Entladung und ist zweckmäßigerweise im Bereich von 10 bis 100 MHz zu wählen. Vorteilhaft ist es, das Entladungsgefäß direkt im Anodenkreis eines getasteten Impulssenders anzuordnen, da die Belastungsänderungen während der bei jedem Impuls erneut erfolgenden Zündung sich als beträchtliche Verstimmung des Kreises auswirken.
  • Das Plasma hohen Ionisationsgrades stellt eine sehr niederohmige, mit dem Schwingkreis gekoppelte Sekundärwindung dar. Die von der Spule eingestrahlte Hochfrequenzwelle dringt nur in die Randzonen des Plasmas ein, der Innenraum ist infolge der hohen Leitfähigkeit praktisch feldfrei. Unter diesen Bedingungen entspricht der gerichtete Ringstromanteil im Plasma der Stroms-umme durch die Hochfrequenzspule.
  • Nach der Zündung wird das Maximum der Ion!-sation in wenigen Mikrosekunden (#tsee) erreicht. Zweckmäßig wird der Sender mit einem dreieckförmigen »Nadelimpuls« erregt, der ein stetiges Anschwingen des Schwingkreises bewirkt und ein gleichmäßiges Hochheizen des Plasmas bei geringerer Belastung der Senderöhren erlaubt als ein Rechteckimpuls.
  • Im Maximum der Plasmadichte, praktisch zur Zeit des höchsten Schwingkreisstromes, wird der negative Hochspannungsimpuls an die Prallelektrode gelegt. Die Dauer des Hochspannungsimpulses bemißt sich optimal aus der zulässigen momentanen Belastung der Oberfläche der Prallelektrode, die mit dem Targetmaterial (z. B. Tritium in titangebundener Form zur Neutronenerzeugung) belegt ist. Dabei müssen zu große momentane Temperaturerhöhungen an der wenige Mikron starken aktiven Oberfläche möglichst vermieden werden, da diese die stark temperaturabhängige Absorption des Targetgases zerstören könnten. Es wird daher günstig sein, eine sehr wirksame Kühlung an der aus gut wärmeleitendem Material hergestellten Prallelektrode vorzusehen. Die höchstmögliche Impulsfolgefrequenz richtet sich im -übrigen nach der mittleren Leistung, die durch das bzw. die Kühlsysteme von Prallelektrode und Anode bewältigt werden können. Auch die Temperatur des Gefäßes muß beachtet werden, es wird daher zweckmäßig durch kräftigen Luftstrom gekühlt.
  • Der Hochspannungsimpuls soll möglichst rechteckige Form haben, um die nutzlose Belastung des Targets zu Zeiten der Impulsflanken kleinzuhalten. Es empfiehlt sich, den Hochspannungs-Impulstransformator möglichst dicht am Neutronenblitzrohr anzuordnen und die Isolation der Spannungszuführung organisch an den Hochspannungstransformator anzupassen, um möglichst wenig schädliche Kapazität aufladen zu müssen.
  • Die Röntgen-Bremsstrahlung der Anode läßt sich durch Verwendung eines Materials geringer Ordnungszahl (z. B. Be oder Graphit) für die von den schnellen Sekundärelektronen getroffenen Teile herabsetzen.
  • Die Vorrichtung hat gegenüber dem Kaskadenbeschleuniger neben dem relativ sehr kleinen Aufwand noch weitere große Vorteile: Sie läßt Impulsionenströme von mehreren Ampere zu und benötigt keine lange fokussierende Beschleunigungsstrecke. Dabei ist die mittlere Belastung des Systems durchaus mit der Belastungsfähigkeit der Kaskadenbeschleuniger vergleichbar und richtet sich ebenso wie deren Belastbarkeit im wesentlichen nach der Leistungsfähigkeit der Prallelektrode.
  • Allen bekanntgewordenen instationären Anlagen gegenüber wird durch die impulsgetastete elektrodenlose Hochfrequenzentladung hohen Ionisationsgrades mit der an die Eigenschaften des ionenemittierenden Plasmas elektrisch stationär angepaßten raumladungsbeschwerten Ionenbeschleunigungsstrecke der Vorteil erreicht, daß das Plasma nicht wesentlich von der Prallelektrode zurückweicht, so daß längere Impulsdauern möglich sind.
  • Die Vorrichtung wird vorteilhaft wie folgt betrieben: In der Zeit nach Beginn des Hochfrequenz-Leistungsimpulses und nach erfolgter Zündung der Entladung quillt das Plasma aus der Emissionsöffnung hervor, jedoch weicht es beim Einschalten der Beschleunigungs-Hochspannung (zur Zeit der Anstiegsflanke des Hochspannungsimpulses) nur bis an den vorgegebenen Ort in der Blendenöffnung zurück. Dort wird die ionenemittierende Plasmagrenze (Doppelschicht) von der Blendenelektrode berandet. Die Krümmung der Plasmagrenze läßt sich durch Wahl der Hochfrequenzleistung optimal einstellen und bleibt dann während der gesamten Dauer konstanter Impuls-Hochspannung stationär. In dieser Zeit herrschen die vorgegebenen optimalen Bedingungen in der Strahlführung. Diese Verhältnisse werden als »elektrisch stationär« bezeichnet und sind maßgebend für den Erfolg des aufgezeigten Verfahrens. Daß man mit der Vorrichtung auch die Anwendungen umfassen kann, bei denen extrem kurze Zeitskalen Impulse von etwa 10-11 Sekunden voraussetzen, ist ein weiterer allgemeiner Vorteil.
  • Als normale Impulsdauern sind Zeiten in der Größenordnung von 10-6 Sekunden anzusetzen.

Claims (2)

  1. Patentansprüche: 1. Vorrichtung zum Herbeiführen von Kernreaktionen an einer Prallelektrode (Target), insbesondere zum Erzeugen von Neutronenimpulsen, mit einem Gasentladungsgefäß, das mit einer Einrichtung zum Erzeugen einer auf einen definierten Bereich innerhalb des Gefäßes begrenzten Hochfrequenz-Gasentladung (Hochfrequenz-Ionenerzeuger) ausgestattet ist und innerhalb desselben zwei einander hinsichtlich ihrer Oberflächenschwerpunkte praktisch diametral zum Mittelpunkt des durch die Hochfrequenz-Gasentladung erzeugten Plasmas gegenüberliegende Elektroden angeordnet sind, die an einen Hochspannungsgenerator angeschlossen sind und zur Extraktion der Ionen aus dem Plasma dienen, dadurch gekennz e i c h n e t , daß die eine der beiden Elektroden das Target ist, dessen Abstand von der Plasmagrenze höchstens von der Größenordnung des doppelten Durchmessers des lonenstrahlbündels am Ort der Targetoberfläche ist.
  2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen gepulsten Hochspannungsgenerator. 3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch einen elektrodenlosen Hochfrequenz-Ionenerzeuger. 4. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Target (p) außerhalb, zumindest an der Peripherie des kugel- bzw. den Enden des zylinderförmigen Volumens (1) der Hochfrequenz-Gasentladung angeordnet ist. 5. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Target (p) in gesonderten Erweiterungen (3) des Entladungsgefäßes liegt. 6. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die dem Target (p) hinsichtlich ihres Oberflächenschwerpunktes praktisch diametral zum Mittelpunkt des durch die Hochfrequenzgasentladung erzeugten Plasmas gegenüberliegend angeordnete Elektrode (a) (Anode) in einer geson. derten Erweiterung angeordnet ist. 7. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb des Beschleunigungsraumes (5) außer der Prallelektrode (p# noch eine Blende (b) angeordnet ist, die vorzugsweise die Prallelektrode (p) als konkav gekrümmte Fläche teilweise umgibt, plasmaseitig jedoch mit einer Blendenöffnung versehen ist, welche die der Ionenemission dienende Plasmagrenze freigibt und berandet. 8. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Blende (b) und die Prallelektrode (p) so angeordnet und geformt sind, daß das Potential der raumladungsbeschwerten Strömung im Innem an den raumladungsfreien Bereich außerhalb der Ionenströmung so angepaßt sind, daß die Aquipotentialflächen den vorzugsweise geradlinigen Strahlrand weitgehend senkrecht durchsetzen. 9. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Blende (b) mit dem Strahlrand an der Blendenöffnung ungefähr einen Winkel von 67,5' bildet. 10. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die von der Ionenströmung getroffenen Teile der Prallelektrode (p) hohlkugelförinig gekrümmt sind, wobei der Krümmungsmittelpunkt jenseits des Zentrums, insbesondere annähernd im Zentrum des Plasmavolumens, liegt. 11. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Anodenfläche größer als der größte Kreisquerschnitt des gesamten Doppelkegels zwischen Anode und Target ist, wobei der Doppelkegel durch den von der Prallelektrode (p) her durch die Blende (b) bis in den Anodenraum hindurchtretenden Strahlrand gegeben ist und das Zentrum des Doppelkegels im Krümmungsmittelpunkt der Prallelektrode liegt. 12. Vorrichtung nach Ansprach 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die von den schnellen Sekundärelektronen getroffenen Teile der Anode aus einem Material geringer Ordnungszahl, z. B. Be oder Graphit, bestehen. 13. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 12 zum Betrieb mit Molekülgasen, dadurch gekennzeichnet, daß das Entladungsvolumen durch Material geringer Rekombinationswahrscheinlichkeit umgeben ist. 14. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden, insbesondere die Anode (a) und die Prallelektrode (p) mit einer Flüssigkeitskühlung versehen sind. 15. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Gasentladungsgefäß mit einem Gas gefüllt und gasdicht abgeschmolzen ist. 16. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß ein Vorrat an Gas in gebundener oder absorbierter Form im Gasentladungsgefäß vorgesehen ist. 17. Vorrichtung nach Ansprach 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Gasvorrat in reversibler Weise gebunden ist. 18. Vorrichtung nach Ansprach 16 oder 17, gekennzeichnet durch eine Regeleinrichtung, insbesondere eine Heizeinrichtung am Gasvorratsmittel, z. B. einer Vorratswendel (w). 19. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 18 zur stoßweisen Erzeugung von Neutronen aus den Reaktionen H3 (d, n) He 4 J D (d, n) Hes sowie D (t, n) He 4, dadurch gekennzeichnet, daß der in der Vorratswendel (w) gespeicherte Gasvorrat aus einem Gemisch von Deuterium und Tritiumgas besteht. 20. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß zwei oder mehrere Gasvorratswendeln (w) vorgesehen sind, die vorzugsweise jede ein anderes Gas in Vorrat halten. 21. Verfahren zum Betrieb der Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungen impulsmäßig angelegt werden, wobei der Impuls der Beschleunigungsspannung um eine vorbestimmte Zeit nach dem Beginn des Hochfrequenz-Leistungsimpulses erfolgt. 22. Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Blende (b) auf ein Potential in der Nähe des Anodenpotentials gelegt wird. 23. Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß der Impuls der Beschleunigungsspannung im wesentlichen in dreieckiger oder trapezartiger Form gegeben wird. 24. Verfahren nach Anspruch 21 oder 23, dadurch gekennzeichnet, daß der Impuls der Beschleunigungsspannung in möglichst rechteckiger Form gegeben wird. 25. Verfahren nach Ansprach 21, 23 oder 24, dadurch gekennzeichnet, daß der Impuls der Beschleunigungsspannung nur während des Maximums der Plasmadichte gegeben wird. In Betracht gezogene Druckschriften: Französische Patentschrift Nr. 1210 346; The Review of Scientific Instruments, Vol. 24, 1953, Nr. 6, S. 424 bis 427; Le Journal de Physique et le Radium, Bd. 14, Ok- tober, 1953, S. 547 und 548, und Bd. 18, 1957, Nr. 11, S. 644; Zeitschrift für Naturforschung, Bd. 4a, 1949, H. 6, S. 449 bis 455; Journal of Scientific Instruments, Bd. 33, 1956, H. 11, S. 447 bis 448.
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DESCH28395A Pending DE1206095B (de) 1960-08-27 1960-08-27 Vorrichtung zum Herbeifuehren von Kernreaktionen an einer Prallelektrode, insbesondere zum Erzeugen von Neutronen-impulsen (Neutronenblitzroehre)

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR1210346A (fr) * 1958-09-20 1960-03-08 Commissariat Energie Atomique Source d'ions ou d'électrons pulsés à haute intensité

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FR1210346A (fr) * 1958-09-20 1960-03-08 Commissariat Energie Atomique Source d'ions ou d'électrons pulsés à haute intensité

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