DE1208420B - Vorrichtung zur Erzeugung eines Strahlenbuendels von Ionen oder Elektronen bei der wenigstens zwei gleichartige Ionen- bzw. Elektronenquellen hintereinander angeordnet sind - Google Patents
Vorrichtung zur Erzeugung eines Strahlenbuendels von Ionen oder Elektronen bei der wenigstens zwei gleichartige Ionen- bzw. Elektronenquellen hintereinander angeordnet sindInfo
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Description
DEUTSCHES
PATENTAMT
AUSLEGESCHRIFT
Int. α.:
HOSh
Deutsche Kl.: 21g-21/01
Nummer: 1 208 420
Aktenzeichen: S 82505 VIII c/21 g
Anmeldetag: 20. November 1962
Auslegetag: 5. Januar 1966
Unter der Bezeichnung »Duoplasmatron« sind Ionen- und Elektronenquellen bekanntgeworden, die
sich zur Erzeugung von Elektronenströmen bis etwa 10 A und, bei Speisung mit Wasserstoff, von Ionenströmen
bis etwa 1A im Dauerbetrieb eignen. Für manche technische Anwendungen, z. B. in Hochvakuumschmelzöfen
für hochschmelzende Metalle, ist eine höhere Elektronenergiebigkeit erwünscht. Beispielsweise werden Schmelzofen bis zu 600 kW
Leistung gebaut, die bei den üblicherweise verwendeten Spannungen von 20 kV drei Quellen mit drei
Beschleunigungs- und Vakuumsystemen erforderlich machen. Andererseits ist die Ergiebigkeit von Ionen
für spezielle Zwecke, wie etwa Ionenantriebe in der Raumfahrt, unzureichend. Es ist daher schon vorgeschlagen
worden, zur Erzeugung höherer Ionenströme gerade oder ringförmige Emissionsschlitze im
Duoplasmatron vorzusehen. Derartige Formen sind aber für technische Anwendungen des Duoplasmatrons
als Elektronenquelle meist nicht brauchbar. Außerdem ist es schwierig, Kathoden entsprechender
Form, Leistungsfähigkeit, Lebensdauer und Betriebssicherheit für eine solch ausgedehnte Bogenentladung
in der Quelle zu bauen, da Bogenströme von etwa J 00 A bewältigt werden müssen.
Zur Erzielung höherer Ergiebigkeit von Ladungsträgerquellen kommt nun allgemein auch eine Kaskadenschaltung
gleichartiger Quellen in Betracht. Solche Vorrichtungen zur Erzeugung eines Strahlenbündel
von Ionen oder Elektronen weisen gewöhn-Hch wenigstens zwei gleichartige Ionen- bzw. Elektronenquellen
auf, die auf einer gemeinsamen Symmetrieachse bei gleicher Emissionsrichtung hintereinander
angeordnet sind. Eine bekannte derartige Elektronenquelle weist mehrere elektronenemittierende
Hohlkörper auf, die so an Potentiale gelegt sind, daß nur die zum Hochheizen der Hohlkörper
erforderliche Anzahl an Elektronen auftreffen kann.
Von einem solchen Kaskadenprinzip ist zunächst nicht zu erwarten, daß es sich auf das Duoplasmatron
übertragen läßt. Die Wirkungsweise des Duoplasmatron beruht nämlich darauf, daß im Kanal
einer zwischen Kathode und Anode angeordneten Zwischenelektrode sich durch Ionenverluste infolge
von Wandrekombination eine die Ladungsträger beschleunigende Doppelschicht ausbilden kann. Man
müßte nun erwarten, daß bei einem reichen Ionenangebot in der nachfolgenden Kaskadenstufe keine
Doppelschicht zustande kommen kann. Überraschenderweise hat sich aber gezeigt, daß mit einer Kaskadenschaltung
des Duoplasmatron jede weitere Kaskadenstufe etwa im gleichen Maß wie die erste Stufe
Vorrichtung zur Erzeugung eines Strahlenbündels von Ionen oder Elektronen bei der wenigstens
zwei gleichartige Ionen- bzw. Elektronenquellen
hintereinander angeordnet sind
zwei gleichartige Ionen- bzw. Elektronenquellen
hintereinander angeordnet sind
Anmelder:
Siemens-Schuckertwerke Aktiengesellschaft,
Berlin und Erlangen,
Erlangen, Werner-von-Siemens-Str. 50
Als Erfinder benannt:
Dr. Heinz Fröhlich, Erlangen
zur Ladungsträgerverstärkung beiträgt, was für das Zustandekommen der Doppelschicht spricht.
Demzufolge besteht die Erfindung darin, daß Duoplasmatronquellen in der Weise hintereinander angeordnet
sind, daß jeweils die durch Fokussierung der Elektronen in der Anodenöffnung eines in Strahlrichtung
gesehen vorangehenden Duoplasmatron entstehende Raumladung die virtuelle Kathode für
das folgende Duoplasmatron ist.
Durch Absaugvorrichtungen, die positiv bzw. negativ vorgespannt sind, lassen sich die Elektronen bzw.
positiven Ionen aus dem Strahl der Kaskade aussondern. Die Entladungsströme der Kaskade nehmen
unter Ausnutzung der Volumenionisation von Stufe zu Stufe zu. In der ersten Stufe der Kaskade ist dann
nur eine Kathode üblicher Größe für einen Emissionsstrom in der Größenordnung von 10 A erforderlich,
während der Endstufe der Kaskade mehrfach höhere Ströme entnommen werden können.
Zum besseren Verständnis der Erfindung sei ihr Grundprinzip zunächst an Hand der Fig. 1 erläutert,
in der der Oberteil eines normalen Duoplasmatron dargestellt ist. Die Quelle emittiert aus der
durchbohrten Anode 3 Elektronen mit einer Energie bis zu 30 eV. An die Quelle ist ein Entladungsraum
angeschlossen, dessen Gasdruck etwa gleich dem Druck in der Quelle ist. Die von der Quelle bei 1
emittierten Elektronen dienen als virtuelle Kathode der Entladung 2 im Entladungsraum, der mit einer
Zuganode 4 und einem Zylinder 5 abgeschlossen ist. Die Entladung wird von einer Gleichstromquelle 6
gespeist. Bei der Entladung 2 handelt es sich innerhalb eines bestimmten Spannungsbereiches der Zuganode
4 gegenüber der Quellenanode 3 um eine Entladung ohne Kathodenbrennfleck. Da die Elektronen
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mit erheblicher Energie aus der Quelle emittiert wer- tung auf die Emissionsöffnung 13 auf diese Ge-
den, entfällt ferner die Notwendigkeit für die Bildung schwindigkeit beschleunigen.
eines Kathodenfalles. Das bewirkt, daß die Ent- Durch die Einschnürung des Plasmas mittels der
ladung innerhalb des erwähnten Spannungsbereiches magnetischen Polschuhlinse bzw. durch die Wende-
mit positiver Spannungscharakteristik brennt, so daß 5 lung der Elektronen im inhomogenen Magnetfeld der
im Stromkreis kein Ballastwiderstand zur Begrenzung Linse tritt zwischen der Öffnung des Kanals 16 und
der Stromstärke notwendig ist. Die auf die Quellen- der Emissionsöffnung 13 eine starke Ionisierung des
anode 3 auftreffenden Ionen verteilen sich auf deren Gases auf, die zu einem gegenüber der Anode posi-
ganzer Oberfläche. Der oben geschilderte Betriebs- tiven Plasmapotential führt. Es bildet sich daher ein
zustand kann als stabiler Betrieb definiert werden. io positiver Potentialberg mit dem Maximum kurz über
Es wurde nun festgestellt, daß es unter Ausnut- der Kanalöffnung, von dem aus die Ionen in Rich-
zung der Volumenionisation in der Entladung 2 mög- tung Kanal und in Richtung Emissionsöffnung be-
lich ist, in ihr einen Entladungsstrom von der dop- schleunigt werden. Dieser positive Potentialberg ist
pelten bis dreifachen Größe des Emissionsstroms der für die Elektronen eine Potentialmulde, in der die in
virtuellen Kathode 1 innerhalb des stabilen Betriebs 15 diesem Bereich durch Ionisationsakte gebildeten
zu ziehen, wobei der Emissionstrom gleich oder grö- Elektronen pendeln und die Ionisierung noch ver-
ßer ist als der Bogenstrom in der Quelle. Letzterer stärken.
Effekt beruht ebenfalls auf der Bildung von Elektro- Legt man mit dem Schalter 21 die Zwischeneleknen
durch Ionisationsakte. Erst bei Überschreiten trode über den Widerstand 23 an den Minuspol des
eines gewissen Wertes der Zugspannung geht die 20 Generators 19, so kann man ein stark negatives
Entladung in eine echte Bogenentladung mit nega- Potential der Zwischenelektrode gegenüber der Antiver
Charakteristik über. Man kann diese Erschei- ode erzwingen. Dadurch steigen die Ionenwandvernung
dazu ausnutzen, mehrere Quellen in Kaskade luste im Kanal, und der Ionenstrom vom positiven
hintereinander anzuordnen, wobei jede Quelle als Potentialberg zum Kanal wird größer. Damit nimmt
virtuelle Kathode für die folgende Quelle arbeitet. Es 25 der Plasmagradient zu, und die Elektronen werden
gelingt dadurch eine Vervielfachung des Bogenstro- noch stärker auf die Emissionsöffnung beschleunigt,
mes, ohne daß eine entsprechend große Glühkathode Dabei können nun auch durch Ionisationsakte geerforderlich
wird. bildete Elektronen beschleunigt und emittiert wer-
F i g. 2 zeigt ein zweistufiges Ausführungsbeispiel den, so daß es möglich ist, schon aus der ersten
der Erfindung, das ohne weiteres auf drei und mehr 30 Stufe einen um 30 bis 50% über der Kathoden-Stufen
erweitert werden kann. emission liegenden Elektronenstrom zu entnehmen.
Die erste Stufe enthält einen Kathodenflansch 7 Die Zwischenlektrode hat dabei ein Potential, das
aus nichtmagnetischem Material, beispielsweise Edel- etwa gleich dem Kathodenpotential ist. Es ist vorstahl,
der Isolierbuchsen 8 für die Kathodendurch- teilhaft, den Anodenteller über eine Bohrung 24 mit
führungen 9 mit der Kathode 10 trägt. Die Zwischen- 35 Wasser oder einem anderen geeigneten Kühlmittel
elektrode 11, die von dem äußeren Mantel 12 und zu kühlen. Mit der ersten Stufe läßt sich bei einem
dem Anodenteller mit der Emissionsöffnung 13 Durchmesser der Emissionsöffnung 13 von 1,3 bis
durch einen Isolierring 14 isoliert ist und durch 1,4 mm ein Elektronenstrom von etwa 10 A er-Kühlrohre
15 gekühlt werden kann, bildet mit Hilfe zeugen.
des Kanals 16 in der Zwischenelektrode und dem 40 Dieser Elektronenstrom tritt nun in die zweite
Anodenteller eine magnetische Polschuhlinse zur Stufe ein, die durch einen Isolierring 25 von der
Hindurchführung des Plasmas durch die Emissions- ersten Stufe getrennt ist. Zwischen dem Mantel 12
Öffnung 13. Die Linse wird durch eine Spule 17, die und dem Mantel 26 der zweiten Stufe liegt die Spanaus
einer nicht dargestellten Gleichstromquelle ge- nung des Generators 27, in dessen Stromkreis kein
speist wird, magnetisch erregt. Zwischen der Kathode 45 Ballastwiderstand erforderlich ist. Im übrigen ent-10
und dem Anodenteller mit der Emissionsöffnung sprechen die Bauteile der zweiten Stufe weitgehend
13 brennt eine Niederdruckentladung, wenn über ein denen der ersten Stufe und bedürfen keiner weiteren
Gazuflußrohr 18 ein Gasdruck von mindestens Erläuterung.
10~2 Torr aufrechterhalten wird. Der Abfluß des Wesentlich ist jedoch, daß die Entladung in der
Gases geschieht über die Emissionsöffnung 13 und 50 zweiten Stufe sich von der in der ersten Stufe insoim
gezeichneten Falle schließlich über die Emissions- fern unterscheidet, als sie mit positiver Stromspanöffnung
30. Die Gaszufuhr kann aber auch in der nungscharakteristik brennt. Die Spannung des Geneobersten oder einer beliebigen Zwischenstufe erfol- rators 27 kann nun so eingestellt werden, daß mit
gen. Die Niedruckentladung wird aus einer Strom- Hilfe einer auf negativem Potential gehaltenen Zwiquelle
19, die eine Spannung von 200 bis 300 V 55 schenelektrode 28 (Schalter 29 in unterer Stellung)
haben kann, über einen Stabilisierungswiderstand 20 ein Elektronenstrom aus der Öffnung 30 emittiert
gespeist. Die Zwischenelektrode 11, die zunächst wird, der zwei- bis dreimal größer als der Emissionsüber
den Umschalter 21 und den Widerstand 22 mit strom aus der Öffnung 13 ist. Der Ionenrückstrom
dem Mantel 12 verbunden sei, stellt sich auf ein sol- beaufschlagt den Ionenteller der ersten Stufe auf der
ches, gegenüber dem Mantel negatives Potential ein, 60 ganzen gekühlten Fläche. Das gilt generell für die
daß der Elektronenstrom auf die Zwischenelektrode Anoden aller Stufen, solange der Bogen in ihnen den
gleich dem Ionenstrom ist. In diesem Falle fließt der geschilderten Charakter hat.
Gesamtbogenstrom bis auf wenige Prozent Verlust Die Geometrie der Polschuhlinsen in der zweiten
von der Kathode 10 durch die Emissionsöffnung 13 und folgenden Stufe kann so ausgebildet werden,
mit einer gerichteten Geschwindigkeit von etwa 65 daß die Stromdichten in den Emissionsöffnungen
30 V. Wie genaue Untersuchungen gezeigt haben, vorgewählte Werte annehmen, beispielsweise kontreten
im Kanal 16 Doppelschichten (Potential- stant bleiben. Je größer die Emissionsöffnung wird,
Sprünge) im Plasma auf, die die Elektronen in Rieh- desto mehr kann man ihr einen kanalartigen Cha-
rakter geben, da die Wandverluste an Elektronen relativ klein werden, und dadurch für bessere Wärmeabfuhr
sorgen. Die Größe des Strahlquerschnitts läßt sich durch passende Wahl der Amperewindungszahl
der Erregerspulen beeinflussen.
Im Gegensatz zu einem normalen einstufigen Duoplasmatron, bei dem Plasmaquerschnitt und Querschnitt
der Emissionsöffnung zur Vermeidung von Neutralgasverlusten möglichst übereinstimmen sollen,
können hier mit mit Ausnahme der obersten Stufe die Querschnitte der Emissionsöffnungen größer
als die Plasmaquerschnitte sein. Dadurch wird die Wärmebeanspruchung der betreffenden Anoden
vermindert und ein Ausgleich des Gasdrucks in den einzelnen Stufen erleichtert.
Die Innenwände der Kanäle der Polschuhlinsen in den Zwischenelektroden können mit zu den Kanalwänden
wärmeisolierten dünnen Metallzylindern versehen sein, die durch Ionenaufprall auf so hohe
Temperatur aufgeheizt werden, daß die Elektronen emittieren. Diese Elektronen tragen zur Erhöhung
der Gesamtemission der jeweiligen Stufe bei. In Fig. 2 ist ein derartiger Metallzylinder 31 mit
Wärmeisolation 32 für die zweite Stufe schematisch dargestellt.
Claims (7)
1. Vorrichtung zur Erzeugung eines Strahlenbündels von Ionen oder Elektronen, bei der
wenigstens zwei gleichartige Ionen- bzw. Elektronenquellen auf einer gemeinsamen Symmetrieachse
hintereinander mit gleicher Emissionsrichtung angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet,
daß Duoplasmatronquellen in der Weise hintereinander angeordnet sind, daß jeweils
die durch Fokussierung der Elektronen in der Anodenöffnung eines, in Strahlrichtung gesehen,
vorangehenden Duoplasmatrons entstehende Raumladung die virtuelle Kathode für das folgende Duoplasmatron ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der zweiten bzw. den folgenden
Stufen die Zugspannung im Sinne der Aufrechterhaltung einer Entladung mit positiver
Stromspannungscharakteristik ohne Kathodenfall eingestellt ist.
3. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß im äußeren Stromkreis
der zweiten bzw. der folgenden Stufen kein Ballastwiderstand angeordnet ist.
4. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß
die Zwischenelektrode gegenüber der Anode stark negativ vorgespannt ist.
5. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß
das Potential der Zwischenelektrode einstellbar und umschaltbar ist.
6. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß
mit Ausnahme des letzten Duoplasmatrons die Querschnitte der Emissionsöffnungen größer als
die Plasmaquerschnitte sind.
7. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß
die Innenwände der Zwischenelektrodenkanäle mit einer wärmeisoliert aufgebrachten dünnen
Metallschicht versehen sind.
In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschrift Nr. 764 127;
deutsche Auslegeschrift Nr. 1 059 581.
Deutsche Patentschrift Nr. 764 127;
deutsche Auslegeschrift Nr. 1 059 581.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
509 777/335 12.65
ι Bundesdruckerei Berlin
Priority Applications (6)
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