DE1208420B

DE1208420B - Vorrichtung zur Erzeugung eines Strahlenbuendels von Ionen oder Elektronen bei der wenigstens zwei gleichartige Ionen- bzw. Elektronenquellen hintereinander angeordnet sind

Info

Publication number: DE1208420B
Application number: DES82505A
Authority: DE
Inventors: Dr Heinz Froehlich
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1962-11-20
Filing date: 1962-11-20
Publication date: 1966-01-05
Also published as: NL298175A; GB1060309A; US3315125A; CH412124A

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

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

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

Patentansprüche:

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.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

509 777/335 12.65

ι Bundesdruckerei Berlin