DE1230147B - Method and device for the production of a bundle of rays of electrically conductive gaseous matter in a vacuum chamber - Google Patents

Method and device for the production of a bundle of rays of electrically conductive gaseous matter in a vacuum chamber

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DE1230147B
DE1230147B DEE25556A DEE0025556A DE1230147B DE 1230147 B DE1230147 B DE 1230147B DE E25556 A DEE25556 A DE E25556A DE E0025556 A DEE0025556 A DE E0025556A DE 1230147 B DE1230147 B DE 1230147B
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Marcel Haegi
Charles Maisonnier
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European Atomic Energy Community Euratom
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European Atomic Energy Community Euratom
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    • C23C14/22—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the process of coating
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    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
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    • H01J37/32—Gas-filled discharge tubes
    • H01J37/32009—Arrangements for generation of plasma specially adapted for examination or treatment of objects, e.g. plasma sources

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLANDFEDERAL REPUBLIC OF GERMANY

DEUTSCHESGERMAN

PATENTAMTPATENT OFFICE

AUSLEGESCHRIFTEDITORIAL

Int. Cl.:Int. Cl .:

H05hH05h

Deutsche Kl.: 21g-61/00German class: 21g-61/00

Nummer: 1230147Number: 1230147

Aktenzeichen: E 25556 VIII c/21 gFile number: E 25556 VIII c / 21 g

Anmeldetag: 20. September 1963 Filing date: September 20, 1963

Auslegetag: 8. Dezember 1966Opening day: December 8, 1966

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Strahlenbündels elektrisch leitender gasförmiger Materie in einer Vakuumkammer, bei dem zuerst ein Strahl aus kondensierter Materie erzeugt und danach die Materieteilchen in dem Strahlenbündel verdampft und ionisiert werden, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
. Bekanntlich ist für zahlreiche wissenschaftliche und gewerbliche Anwendungen die Herstellung einer Materie im Vakuum erforderlich, deren Form, elekirische Leitfähigkeit, Dichte, chemische und isotopische Zusammensetzung bestimmte Werte haben müssen.The invention relates to a method for producing a beam of electrically conductive gaseous matter in a vacuum chamber, in which a beam of condensed matter is first generated and then the matter particles in the beam are evaporated and ionized, and a device for carrying out the method.
. It is well known that numerous scientific and industrial applications require the production of a material in a vacuum, the shape, electrical conductivity, density, chemical and isotopic composition of which must have certain values.

Insbesondere für Dichten in der Größenordnung von 1 g/cm3 läßt sich diese Materie ausgehend vom festen Aggregatzustand der zu behandelnden Substanz erzielen, sofern die entsprechenden thermodynamischen Bedingungen in diesem Zustand zufriedenstellend sind. Für Dichten unter 10~10 g/cm3 lassen sich geradlinige Materieanordnungen mittels Molekülbündeln erzeugen.In particular, for densities of the order of magnitude of 1 g / cm 3 , this matter can be obtained starting from the solid state of aggregation of the substance to be treated, provided that the corresponding thermodynamic conditions are satisfactory in this state. For densities below 10 ~ 10 g / cm 3 , straight arrangements of matter can be created by means of molecule bundles.

Zwischen diesen beiden Dichtegrenzen kann man entweder einen Gasstrahl von Überschallgeschwindigkeit, dessen Länge vor dem Verschwinden infolge der praktischen Unmöglichkeit des Erzielens einer über etwa 10 liegenden Mach-Zahl stark eingeschränkt ist und dessen Dichte infolge der begrenzten Pumpleistung der das System evakuierenden Vakuumpumpen nur gering sein kann, oder eine Einheit aus festen oder flüssigen Teilchen verwenden, wobei dann die gewollte Dichte mittels geeigneter Wahl der Abmessungen und der Konzentration der Teilchen erzielt wird.Between these two density limits one can either use a gas jet at supersonic speed, its length before disappearing due to the practical impossibility of achieving an over Mach number lying around 10 is severely limited and its density due to the limited pump power the vacuum pumps evacuating the system can only be small, or one unit Use solid or liquid particles, then the desired density by means of a suitable choice of Dimensions and the concentration of the particles is achieved.

Materieanordnungen mit einer zwischen 10~10 und 10~6 g/cm3 liegenden Dichte, deren Herstellung erzielt oder vorgeschlagen worden ist, werden entweder durch die Kondensation eines Gases bei seinem Durchtritt durch die gekühlte Düse mit nachfolgender Trennung des Gas-Tröpfchen-Gemisches, wobei dann die Tröpfchen die Materieanordnung mit einer durchschnittlichen Dichte von 1O-10 bis 10~9 g/cm3 bilden, oder durch die Kondensation eines Gases an ionisierten Zentren erzeugt, auf die das Austreiben des Gas-Tröpfchen-Gemisches und danach die Abscheidung des Gases von den Tröpfchen folgt, wobei der Tröpfchenstrahl ebenfalls die Materieanordnung bildet, deren durchschnittliche Dichte zwischen ΙΟ"10 und 10-6 g/cm3 liegt.Arrangements of matter with a density between 10 ~ 10 and 10 ~ 6 g / cm 3 , the production of which has been achieved or proposed, are either produced by the condensation of a gas as it passes through the cooled nozzle with subsequent separation of the gas-droplet mixture, in which case the droplets form the configuration of matter with an average density of 1O -10 to 10 -9 g / cm 3, or generates a gas of ionized centers by the condensation, to which the expulsion of the gas-droplet mixture and then the deposition of the gas followed by the droplets, wherein the droplets beam also forms the configuration of matter, their average density between ΙΟ "10 and 10- 6 g / cm 3.

Es sind auch schon Strahlenbündel elektrisch leitender gasförmiger Materie in einer Vakuumkammer hergestellt worden, indem zuerst ein Strahl aus kondensierter Materie erzeugt und danach die Materie-Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung eines Strahlenbündels elektrisch leitender gasförmiger Materie in einer VakuumkammerThere are also bundles of rays of electrically conductive gaseous matter in a vacuum chamber has been produced by first generating a beam of condensed matter and then the matter process and a device for producing a beam of electrically conductive gaseous rays Matter in a vacuum chamber

Anmelder:Applicant:

Europäische Atomgemeinschaft (EURATOM),European Atomic Energy Community (EURATOM),

BrüsselBrussels

Vertreter:Representative:

Dipl.-Ing. R. Müller-BörnerDipl.-Ing. R. Müller-Borner

und Dipl.-Ing. H. H. Wey, Patentanwälte,and Dipl.-Ing. H. H. Wey, patent attorneys,

Berlin 33, Podbielskiallee 68Berlin 33, Podbielskiallee 68

Als Erfinder benannt:
Marcel Haegi,
Charles Maisonnier,
Grottaferrata, Rom (Italien)Named as inventor:
Marcel Haegi,
Charles Maisonnier,
Grottaferrata, Rome (Italy)

Beanspruchte Priorität:Claimed priority:

Belgien vom 29. Oktober 1962 (498 951)Belgium of October 29, 1962 (498 951)

teilchen in dem Strahlenbündel verdampft und ionisiert werden.. Hierbei wurde von den vorerwähnten durch Kondensation eines Gases erzeugten Materieanordnungen ausgegangen, so daß sich auf diese Weise nur die genannten, sehr geringen Materiedichten im ionisierten Strahlenbündel erreichen lassen.particles are vaporized and ionized in the beam Assumed arrangements of matter generated by condensation of a gas, so that on this In this way, only the mentioned, very low matter densities can be achieved in the ionized radiation beam.

Auch in der deutschen Patentschrift 1180 073 ist ein Verfahren zum Erzeugen eines geradlinigen Materiestrahles im Inneren eines geschlossenen Hochvakuumraumes vorgeschlagen.The German patent specification 1180 073 also describes a method for generating a straight jet of matter Proposed inside a closed high vacuum space.

Ziel der Erfindung ist die Erweiterung der Dichtebereiche dieser bekannten Materiestrahlen, nämlich elektrisch leitender ionisierter gasförmiger Materiestrahlenbündel. Sie betrifft insbesondere die Herstellung elektrisch leitender Materien mit einer unteren Dichte von etwa 10~4 g/cm3.The aim of the invention is to expand the density ranges of these known matter jets, namely electrically conductive ionized gaseous matter beams. It relates particularly to the production of electrically conductive material particles with a lower density of about 10 -4 g / cm 3.

Ein Verfahren zur Herstellung eines Strahlenbündels elektrisch leitender gasförmiger Materie in einer Vakuumkammer, bei dem zuerst ein Strahl aus kondensierter Materie erzeugt und danach die Materieteilchen in dem Strahlenbündel verdampft und ionisiert werden, wird erfindungsgemäß derart durchgeführt, daß das zum Bilden des Strahlenbündels vorgesehene elektrisch leitende Material in Pulverform mit zwei ein Gleichspannungsfeld erzeugenden Elek-A method for producing a beam of electrically conductive gaseous matter in a Vacuum chamber in which a jet of condensed matter is generated first and then the particles of matter are vaporized and ionized in the radiation beam, is carried out according to the invention in such a way that that the electrically conductive material provided for forming the beam is in powder form with two elec-

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troden in Berührung gebracht wird, die dadurch elektrisch geladenen Pulverteilchen in dem Gleichspannungsfeld beschleunigt und zu einem Strahlenbündel formiert und die Teilchen des Strahlenbündels einer elektromagnetischen Strahlung ausgesetzt werden.electrodes is brought into contact, the thereby electrically charged powder particles in the DC voltage field accelerated and formed into a bundle of rays and the particles of the bundle of rays a exposed to electromagnetic radiation.

Das Heraustreiben des Pulvers aus dem Zwischenelektrodenraum kann durch eine in einer der Elektroden angebrachten Öffnung hindurch erfolgen.The driving out of the powder from the interelectrode space can be done by one in one of the electrodes made opening through.

Die Ionisierung der Materie kann vermehrt werden, indem man in der Materieanordnung einen elektrischen Eßlfsstrom fließen läßt.The ionization of matter can be increased by creating an electrical in the arrangement of matter Eßlfsstrom lets flow.

Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine Vorrichtung vorgeschlagen, bestehend aus einer vakuumdichten Kammer mit daran angeschlossenen Vakuumpumpen, die erfindungsgemäß derart ausgebildet ist, daß in der Kammer zwei ebene, horizontale Elektroden mit ungebördeltem Rand in Abstand voneinander angeordnet sind, die an eine elektrische Gleichspannungsquelle angeschlossen sind und von denen die untere mit pulverförmigem elektrisch leitendem Material oberflächlich beladene mit einer zentralen Öffnung versehen ist, und daß seitlich von dem aus der Öffnung der unteren Elektrode austretenden Strahlenbündel in Abstand von den Elektroden eine Anordnung zur Erzeugung eines Lichtbogens angeordnet ist.To carry out the method according to the invention, a device is proposed, consisting from a vacuum-tight chamber with vacuum pumps connected to it, which according to the invention is designed such that in the chamber two flat, horizontal electrodes with unflared Edge are arranged at a distance from each other, which is connected to an electrical DC voltage source and of which the lower one is superficially loaded with powdery electrically conductive material is provided with a central opening, and that laterally from the opening of the lower Electrode exiting beam at a distance from the electrodes an arrangement for generating an arc is arranged.

Insbesondere ist es vorteilhaft zur Vermeidung von Verunreinigungen, wenn die Elektrode zur Erzeugung des Lichtbogens aus einem Material besteht, welches in dem zum Bilden des Strahlenbündels vorgesehenen Pulver enthalten ist.In particular, it is advantageous to avoid contamination if the electrode is used for production of the arc consists of a material which is provided in that for forming the beam Powder is included.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand der beigefügten, beispielsweise jedoch nicht beschränkend eine praktische Ausführungsform der Erfindung darstellenden Zeichnung, deren einzige Figur einen schematischen Querschnitt durch die Vorrichtung zur Herstellung einer elektrisch leitenden Materie nach der Erfindung veranschaulicht, näher erläutert.The invention is described below with reference to the appended, but not restrictive, for example a practical embodiment of the invention showing drawing, the single figure of which is a schematic cross section through the device for producing an electrically conductive material illustrated according to the invention, explained in more detail.

Die Figur zeigt eine mittels einer Vakuumpumpe 2 evakuierte abgedichtete Kammer 1. Diese Kammer 1 enthält zwei einander gegenüberliegend angeordnete flache Elektroden 3 und 4, die über abgedichtete und isolierte Durchtrittsstellen 5 und 6 an eine elektrische Hochspannungsquelle 7 mit einer Spannung von beispielsweise 2 · 104 V angeschlossen sind. Die Elektroden 3 und 4 sind an ihrem Außenumfang mit konvexen Randleisten 8 und 9 versehen, deren Aufgabe nachstehend noch näher zu erläutern ist. Die untere Elektrode 3, auf der das zu ionisierende Pulver 10 angeordnet wird, weist in ihrer Mitte- eine kleine Öffnung 11 auf. Als Pulver kann man beispielsweise Körnchen aus Lithiumhydrid und Aluminiumhydrid (LiAlH4) mit einem Durchmesser von 10~3 cm verwenden. The figure shows a sealed chamber 1 evacuated by means of a vacuum pump 2. This chamber 1 contains two flat electrodes 3 and 4 arranged opposite one another, which are connected via sealed and insulated passage points 5 and 6 to an electrical high-voltage source 7 with a voltage of, for example, 2 · 10 4 V are connected. The electrodes 3 and 4 are provided on their outer circumference with convex edge strips 8 and 9, the task of which will be explained in more detail below. The lower electrode 3, on which the powder 10 to be ionized is arranged, has a small opening 11 in its center. As the powder, for example, granules of lithium hydride and aluminum hydride (LiAlH 4 ) with a diameter of 10 -3 cm can be used.

In einem der Achse der Öffnung 11 benachbarten Bereich und etwas weiter von ihr entfernt sind zwei Elektroden 12,13, beispielsweise aus Aluminium (da dieses Metall in dem Pulver vorhanden ist), angeordnet, zwischen denen man einen Lichtbogen 14 von sehr hoher Intensität, beispielsweise 2 · 104 A, übergehen lassen kann. Die Speisung dieses Lichtbogens erfolgt über zwei abgedichtete und isolierte Durchtrittsstellen 15,16 mit Hilfe der Entladung eines Kondensators 17, dessen Stromkreis durch eine Funkenstrecke 18 geschlossen wird. Dieser Kondensator hat eine Kapazität in der Größenordnung von einem Mikrofarad und wird mit einer Spannung von etwa 20 kV aufgeladen. Die Zündung des Lichtbogens 14 im Vakuum wird mittels kalter Elektronenemission erzielt.In an area adjacent to the axis of the opening 11 and a little further away from it, two electrodes 12, 13, for example made of aluminum (since this metal is present in the powder), between which an arc 14 of very high intensity, for example 2 · 10 4 A, can pass. This arc is fed via two sealed and insulated passage points 15, 16 with the aid of the discharge of a capacitor 17, the circuit of which is closed by a spark gap 18. This capacitor has a capacitance in the order of one microfarad and is charged with a voltage of around 20 kV. The ignition of the arc 14 in a vacuum is achieved by means of cold electron emission.

Die vorstehend beschriebene Vorrichtung arbeitet wie folgt: Die durch den Kontakt mit der Elektrode 3 aufgeladenen Körnchen des Pulvers 10 werden durch die andere Elektrode 4 angezogen, an der sie ihre Polarität wechseln und (auf die Elektrode 3) zurückfallen. Es entsteht ein stationärer Zustand, bei dem jederzeit die Anzahl der sich pro Zeiteinheit abwärtsThe device described above operates as follows: The contact with the electrode 3 Charged granules of the powder 10 are attracted by the other electrode 4 on which they are Change polarity and fall back (on electrode 3). A steady state arises in which at any time the number of moving downwards per unit of time

ίο bewegenden Teilchen gleich der der sich aufwärts bewegenden Teilchen ist (s. Pfeile f). Die Randleisten 8 und 9 der Elektroden schieben die Teilchen, die über die Ränder hinaus zu entweichen versuchen, auf elektrostatischem und mechanischem Weg in das Innere des Zwischenelektrodenraumes zurück.ίο moving particles is the same as that of the particles moving upwards (see arrows f). The edge strips 8 and 9 of the electrodes push the particles, which try to escape beyond the edges, back into the interior of the space between the electrodes by electrostatic and mechanical means.

Schließlich entweichen die sich abwärts bewegenden Teilchen durch die Öffnung 11 hindurch zum Bilden eines geradlinigen Strahls 19. Die durch den Lichtbogen 14 ausgesandte intensive Strahlung 20Finally, the particles moving downwards escape through the opening 11 to the Forming a rectilinear beam 19. The intense radiation 20 emitted by the arc 14

ao verflüchtigt und ionisiert diesen — durch eine Konstellation von untereinander isolierten Pulverkörnchen gebildeten — Strahl und wandeln ihn somit in eine elektrisch leitende Materieanordnung um, und zwar in einer ausreichend kurzen Zeitspanne, damit die Gasdiffusion keine Zeit hat, die Materieanordnung zu zerstören.ao volatilizes and ionizes it - through a constellation formed by powder grains isolated from one another - and thus convert it into an electrically conductive arrangement of matter, in a sufficiently short period of time, with it the gas diffusion does not have time to destroy the arrangement of matter.

Obwohl im vorliegenden Ausführungsbeispiel ein geradliniger Teilchenstrahl dargestellt ist, kann man die Bewegungsbahn des Teilchenstrahls auch krümmen, indem man ihn, falls eine nicht geradlinige Materieanordnung erforderlich ist, der Einwirkung eines elektrischen Hilfsfeldes aussetzt.Although a straight particle beam is shown in the present exemplary embodiment, one can The path of movement of the particle beam can also be bent by moving it, if it is not a straight one Material arrangement is required, exposed to the action of an auxiliary electrical field.

Die Erfindung findet in zahlreichen Fällen auf dem Gebiet der Forschung Anwendung: Speisung von Reaktoren mit Kernfusion, Erzeugung intensiver Magnetfelder, sehr hohe Radiofrequenzen, Plasmakanonen (Plasmatrons), Raumfahrzeugantrieb usw. Die gewerblichen Anwendungen sind ebenfalls sehr bedeutend: Als Beispiel seien schnellwirkende Hoch-Spannungsschalter von hoher Leistung genannt.The invention has numerous applications in the field of research: feeding of Nuclear fusion reactors, generation of intense magnetic fields, very high radio frequencies, plasma cannons (Plasmatrons), spacecraft propulsion, etc. The commercial uses are also very great Significant: Fast-acting high-voltage switches with high performance are mentioned as an example.

Claims (3)

Patentansprüche:Patent claims: 1. Verfahren zur Herstellung eines Strahlenbündels elektrisch leitender gasförmiger Materie in einer Vakuumkammer, bei dem zuerst ein Strahl aus kondensierter Materie erzeugt und danach die Materieteilchen in dem Strahlenbündel verdampft und ionisiert werden, dadurch gekennzeichnet, daß das zum Bilden des Strahlenbündels vorgesehene elektrisch leitende Material in Pulverform mit zwei ein Gleichspannungsfeld erzeugenden Elektroden in Berührung gebracht, die dadurch elektrisch geladenen Pulverteilchen in dem Gleichspannungsfeld beschleunigt und zu einem Strahlenbündel formiert und die Teilchen des Strahlenbündels einer elektromagnetischen Strahlung ausgesetzt werden.1. Process for producing a beam of electrically conductive gaseous matter in a vacuum chamber, in which a jet of condensed matter is generated first and then the particles of matter in the beam are vaporized and ionized, characterized in that, that the electrically conductive material in powder form provided for forming the beam is brought into contact with two electrodes generating a direct voltage field, accelerates the electrically charged powder particles in the DC voltage field and formed into a bundle of rays and the particles of the bundle of rays an electromagnetic one Exposure to radiation. 2. Vorrichtung bestehend aus einer vakuumdichten Kammer mit daran angeschlossenen Vakuumpumpen zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der Kammer (1) zwei ebene, horizontale Elektroden (3, 4) mit umgebördeltem Rand (8, 9) in Abstand voneinander angeordnet sind, die an eine elektrische Gleichspannungsquelle (7) angeschlossen sind und von denen die untere mit pulverf örmigem elektrisch leitendem Material (10) oberflächlich beladene mit einer zentralen Öffnung2. Device consisting of a vacuum-tight chamber connected to it Vacuum pumps for carrying out the method according to claim 1, characterized in that that in the chamber (1) two flat, horizontal electrodes (3, 4) with a flanged edge (8, 9) are arranged at a distance from one another, which are connected to an electrical DC voltage source (7) and of which the lower one with powdery electrically conductive material (10) superficially loaded with a central opening (11) versehen ist, und daß seitlich von dem aus der öffnung der unteren Elektrode (3) austretenden Strahlenbündel (19) in Abstand von den Elektroden eine Anordnung (12, 13) zur Erzeugung eines Lichtbogens (14) angeordnet ist.(11) is provided, and that emerges laterally from the opening of the lower electrode (3) Beam bundle (19) at a distance from the electrodes an arrangement (12, 13) for generating an arc (14) is arranged. 3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode zur Erzeugung des Lichtbogens aus einem Material besteht, welches in dem zum Bilden des Strahlenbündels vorgesehenen Pulver enthalten ist.3. Apparatus according to claim 2, characterized in that the electrode for generating of the arc consists of a material which is provided in that for forming the beam Powder is included. In Betracht gezogene Druckschriften: Zeitschrift für Naturforschung, Bd. 17 a, 1962, Nr. 9, S. 786 bis 789.Publications considered: Zeitschrift für Naturforschung, Vol. 17 a, 1962, No. 9, pp. 786 to 789. Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings 609 730/322 11.66 © Bundesdruckerei Berlin609 730/322 11.66 © Bundesdruckerei Berlin
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