DE1238586B - Verfahren zum Betrieb eines Neutronengenerators und Einrichtung zum Ausueben dieses Verfahrens - Google Patents

Description

DEUTSCHES WJ9$S& PATENTAMT AUSLEGESCHRIFT

H Ol j; H 05 h
Deutsche Kl.: 21 2 - 21/01

Nummer: 1 238 586

Aktenzeichen: J 20718 VIII c/21;

Anmeldetag: 25. Oktober 1961

Auslegetag: 13. April 1967

Die Erfindung betrifft Verfahren zum Betrieb eines Neutronengenerators zur Erzeugung von Neutronenimpulsen durch Beschuß eines Deuterium und/oder Tritium enthaltenden Targets mit Deuterium- und/ oder Tritiumionen, bestehend aus einem Vakuumgefäß, in dem sich das die Ionen liefernde Gas unter vermindertem Druck befindet und in dem eine hohle Anode mit einer zu dem auf der Kathode aufliegenden Target weisenden Öffnung angeordnet ist, sowie einer an die Anode und die Kathode angeschlossenen Hochspannungsquelle, die Hochspannungsimpulse liefert. Ferner betrifft die Erfindung Einrichtungen zum Ausüben solcher Verfahren.

Es sind Neutronen liefernde Röhren bekannt, die in einem abgeschlossenen Kolben sowohl eine Ionenquelle, als auch ein Beschleunigungssystem enthalten. Als Ionenquellen werden beispielsweise Penning-Entladungen, Bogenentladungen zwischen mit Deuterium beladenen Titanscheiben, Plasma-Ionenquellen mit Elektronenanregung u. a. m. verwendet. Die Beschleunigung erfolgt zwischen zwei Elektroden der Röhre, an die eine Gleich- oder Impulsspannung in der Größenordnung von 100 bis 200 kV angelegt wird. Der Abstand der Beschleunigungselektroden wird einerseits nach unten durch den Minimalabstand begrenzt, bei dem Feldemission zu befürchten ist, und nach oben durch die mit wachsendem Abstand größer werdende Durchschlagsneigung infolge einer Stoßionisation durch Elektronen und Ionen. Die Verhältnisse in der Röhre entsprechen dem Bereich auf der linken Seite des Minimums der Paschenkurve (Abhängigkeit der Zündspannung einer Gasentladung vom Produkt aus Druck und Elektrodenabstand). Solche Anordnungen sind beschrieben in Rev. Sei. Instr., 30, S. 315 (1959); 31, S. 235 (1960); 31, S. 241 (6960): Nucleonics, 18. Nr. 12, S. 69 bis 76 (1960).

Es ist außerdem noch eine Röhre dieser Art bekanntgeworden, deren Anode aus einem halbkugelförmigen Metallteil besteht, das an ein Glasrohr angeschmolzen ist. Am anderen Ende des Glasrohres befindet sich eine Targetanordnung, von der in geringem Abstand eine Gitterelektrode angeordnet ist. Diese Gitterelektrode wird gegenüber dem Target negativ vorgespannt und verhindert, daß die am Target gebildeten Sekundärelektronen zur Anode gelangen. Unmittelbar auf die Anodenkappe ist ein Impulstransformator mit offenem Magnetkern aufgesetzt, der an diese einen Hochspannungsimpuls liefert, welcher die Gasfüllung der Röhre inonisiert. Für das Funktionieren der Röhre dürften die beträchtlichen magnetischen Streufelder wesentlich sein, Verfahren zum Betrieb eines
Neutronengenerators und Einrichtung zum
Ausüben dieses Verfahrens

ίο Anmelder:

Institut für Plasmaphysik
Gesellschaft mit beschränkter Haftung,
Garching bei München

Als Erfinder benannt:
Dr. Ewald Fünfer,

Dipl.-Phys. Benedikt Kronast, München

die die Ionisierungswahrscheinlichkeit im Bereich der Anode vergrößern. Eine solche Röhre ist beschrieben im Rev. Sei. Instr., 32, S. 178 (1961).

Es ist ferner eine Röhre zur Erzeugung von 14-MeV-Neutronen bekannt, die ein rohrförmiges Vakuumgefäß enthält, in dessen eine Ende eine stabförmige, wassergekühlte Kathode hineinragt, die auf dem größten Teil ihrer Länge von einem Rippenisolator umgeben ist, an ihrer Stirnseite das Target trägt und zwischen der Stirnseite und dem Beginn des Isolators von einer schalenförmigen Abschirmung umgeben ist, die zur Unterdrückung von Sekundärelektronen, die am Target entstehen, bestimmt ist. Der Kathode gegenüberliegend ist eine aus Graphit bestehende Anode angeordnet, deren der Kathode zugewandte Seite muldenförmig ausgebildet ist. Am Boden der Mulde befindet sich eine Öffnung, die zu einem sich zuerst kegelförmig erweiternden und dann zylindrisch geformten Hohlraum führt, in dem ein Heizfaden angeordnet ist, der einen Teil einer Ionenquelle bildet, durch die das auf der Seite der Anode zugeführte Deuteriumgas im Inneren der Anode ionisiert wird. Die bekannte Röhre wird durch einen Spannungsverdopplerkreis mit einer Spannung von 70 kV gespeist und arbeitet mit einem Strom von etwa 1 mA, also im Dauerbetrieb. Eine Röhre dieser Art ist beschrieben in der USA.-Patent-

709 549/33*

schrift 2 906 903 und im Rev. Sei. Instr., 24, S. 424 (1953).

Allen bekannten Neutronengeneratoren dieser Art ist gemeinsam, daß Druck, Abmessungen und Spannungsverhältnisse so gewählt werden, daß zwar eine Ionisierung der Gasfüllung und eine Beschleunigung der erzeugten Ionen eintritt, nicht jedoch ein Niederdruck - Hochspannungs - Durchschlag. Durchschläge sind bei den bekannten Röhren höchst unerwünscht, da die Entladung dann irgendwo unkontrolliert zwischen Anode und Kathode übergeht, wobei keine Ionen auf das Target beschleunigt werden und die Neutronenausbeute praktisch auf Null sinkt. Im allgemeinen erfolgt der Durchschlag in Form einer Gleitentladung am Glaskolben, da die Entladung in diesem Druck- und Abstandsbereich dem Weg der längsten Feldlinien zu folgen strebt.

An sich hat ein Niederdruck-HochspannungsDurchschlag die erwünschte Eigenschaft, daß viel positive Ionen gebildet werden, ohne daß besondere Ionenquellen erforderlich wären. Diesem Vorteil steht jedoch ein sehr schwerwiegender Nachteil gegenüber, der ein Arbeiten mit Durchschlägen bisher als unmöglich erscheinen ließ. Die Ionisierung erfolgt nämlich hier nicht wie bei Durchschlagen, bei denen das Produkt aus Druck und Elektrodenabstand oberhalb des Paschenminimums liegt, in der Hauptsache durch Elektronen, sondern durch Ionen, da der Arbeitsbereich unterhalb des Paschenminimums liegt. Der Schwerpunkt der Ionenerzeugung liegt daher in Kathodennähe und die schließlich auf der Target-Kathode auftreffenden Ionen haben zum größten Teil nur geringe Potentialdifferenzen durchlaufen und ergeben daher geringe Reaktionswirkungsquerschnitte. Die Ausbeute der eingangs genannten Kernreaktionen ist nämlich in dem in der Praxis zur Verfügung stehenden Spannungsbereich sehr stark von der Beschleunigungsspannung abhängig, das Maximum liegt erst bei einer Ionenenergie von etwa 2 MeV.

Eine weitere erwünschte Eigenschaft des Durchschlags ist seine kurze Dauer. Die bekannten gepulsten Neutronenquellen benötigen alle mehr oder weniger aufwendige elektronische Impulsquellen.

Durch die Erfindung soll ein Verfahren und Einrichtungen zur Erzeugung von Neutronenimpulsen angegeben werden, die die vorteilhaften Eigenschaften von Niederdruck-Hochspannungs-Durchschlägen ausnutzen, deren Nachteile jedoch weitgehend vermeidet. Dadurch wird es möglich, eine besonders einfache Neutronenquelle herzustellen, die intensive Neutronenimpulse sehr kurzer Dauer zu erzeugen gestattet. Bei konstanter Zündspannung ist es zwar nicht möglich, die von schnellen Ionen und Neutralteilchen herrührenden Anteile an dem Energiespektram einen direkten Einfluß auszuüben. An sich ist eine möglichst hohe Zündspannung erwünscht, die Höhe der Zündspannung wird jedoch durch hochspannungstechnische und wirtschaftliche Gesichtspunkte und gegebenenfalls auch Platzfragen begrenzt, da die Schwierigkeiten bei einer Erhöhung der Spannung über etwa 150 kV sehr schnell zunehmen.

Es wurde jedoch gefunden, daß man den von den Elektronen herrührenden Anteil des Energiespektrums sowohl vergrößern als auch zu höheren Energien verschieben kann. Hierbei werden in wesent-

lichem Umfang auch Sekundärelektronen, die am Target entstehen, nutzbar gemacht, im Gegensatz zu den bekannten Anordnungen, bei denen diese Sekundärelektronen durchweg durch besondere Abschirmelektroden vor dem Target von der Anode ferngehalten werden.

Die Ziele der Erfindung werden bei einem Verfahren zum Betrieb eines Neutronengenerators zur Erzeugung von Neutronenimpulsen durch Beschuß

ίο eines Deuterium und/oder Tritium enthaltenden Targets mit Deuterium- und/oder Tritiumionen, bestehend aus einem Vakuumgefäß, in dem sich das die Ionen liefernde Gas unter vermindertem Druck befindet und in dem eine hohle Anode mit einer zu dem auf der Kathode aufliegenden Target weisenden Öffnung angeordnet ist, sowie einer an die Anode und die Kathode angeschlossenen Hochspannungsquelle, die Hochspannungsimpulse liefert, gemäß der Erfindung dadurch erreicht, daß die Hochspannungsimpulse Spannungsdurchschläge erzeugen, wobei das Produkt ρ ■ d, in dem ρ der Gasdruck und d der Abstand zwischen dem Target und dem Vorderende der Anode ist, kleiner gewählt wird als das dem Minimum der entsprechenden Paschenkurve entsprechende Produkt ρ · d.

Eine Einrichtung zur Ausübung dieses Verfahrens enthält in an sich bekannter Weise eine hohle Anode. Im vorliegenden Fall dient die Anode jedoch nicht dazu, eine Ionenquelle mit Heizfaden u. dgl. aufzunehmen, sondern die Höhlung ermöglicht den am oder vor dem Target gebildeten Elektronen, wesentlich längere Wege zu durchlaufen, so daß eine große Anzahl neuer Ionen praktisch auf Anodenpotential gebildet werden. Das Energiespektrum der auf die Kathode auftreffenden Ionen erhält durch diese Maßnahme ein kleineres zweites Maximum, das fast bei der maximal möglichen Energie, die etwa der Zündspannung der Röhre entspricht, liegt.

Der Innenraum der hohlen Anode ist hierfür vorzugsweise in erster Näherung kugelförmig ausgebildet, und seine Tiefe ist so bemessen, daß die in seinem Inneren gebildeten Ionen durch die zwischen Anode und Kathode liegende Spannung zur Kathode beschleunigt werden. Die Anode kann aus einem Hohlzylinder bestehen und sich am vorderen, dem Target zugewandten Ende in an sich bekannter Weise blendenartig verengen.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist im Inneren der Anode ein Reflektorstempel angeordnet, der vorzugsweise in eine zur Kathode hin konkave Scheibe ausläuft.

Die an die Öffnung im vorderen Ende der Kathode angrenzende Innenwand ist vorzugsweise so geformt, daß sie in erster Näherung ein Stück einer KugeI-fläche bildet.

Die Kathode kann vorteilhafterweise aus einem sich in das Innere des Kolbens wölbenden Becher bestehen, dessen Stirnseite das Target trägt.

Gemäß einer anderen Weiterbildung der Erfindung ist die Anode von einer im Abstand vom Vakuumgefäß angeordneten Glasstulpe umgeben, deren vorderes Ende die Anode blendenartig umfassen kann und dort eine öffnung hat, die gleich oder vorzugsweise kleiner als die Öffnung der Anode ist.

Außen am Vakuumgefäß kann im Bereich des vorderen Endes der Anode eine Ringelektrode angeordnet sein, die elektrisch leitend mit der Kathode verbunden ist. In die Verbindung zwischen Ring-

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elektrode und Kathode kann eine Induktivität geschaltet sein, die vorzugsweise zu einem Schwingkreis gehört, der auf die Eigenfrequenz des durch den Anodenzylinder und den Reflektorstempel gebildeten Topfkreises abgestimmt ist.

Die Kathode kann andererseits auch ein Teil des Vakuumgefäßes bilden und das targetseitige Ende der Anode umfassen. Das anodenseitige Ende der Kathode ist dann mit einem Ende eines Isolierrohres verschmolzen, an dessen anderem Ende die Anode angeschmolzen ist. Das auf der Innenwand der Kathode angeordnete Target ist konkav ausgebildet, und der radiale Abstand zwischen Anode und Kathode und die Formgebung des targetseitigen Endes der Anode sind so gewählt, daß der Durchschlag zwischen dem vorderen Ende der Anode und dem Target erfolgt.

Das Target wird vorzugsweise bezüglich der Anode derart konkav geformt, daß die am Target entstehenden Sekundärelektronen in die Anodenöffnung fokussiert werden.

Der Stromversorgungsteil für die Röhre nach der Erfindung kann ganz einfach aufgebaut sein, er braucht nur einen Kondensator zu enthalten, der auf eine hohe Spannung aufladbar ist und über einen Schalter, im einfachsten Fall eine Funkenstrecke, an die Röhre angeschlossen werden kann. Da bei der Röhre nach der Erfindung im Gegensatz zu den bekannten Anordnungen mit einem Durchschlag gearbeitet wird, ist man bezüglich der Betriebsspannung wesentlich weniger Einschränkungen unterworfen und kann schon wegen der Einfachheit der Anordnung leichter höhere Spannungen verwenden.

Die Erfindung soll nun an Hand von nicht einschränkend auszulegenden Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung näher erläutert werden; dabei bedeutet

F i g. 1 eine Einrichtung zur Erzeugung von hochintensiven, kurzen Neutronenimpulsen, die gemäß der Erfindung ausgebildet ist,

F i g. 2 ein Diagramm der Energieverteilung der während eines Durchschlags auf dem Target auftreffenden Ionen und

Fig. 3 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Entladungsröhre nach der Erfindung.

Die in Fig. 1 dargestellte Einrichtung enthält einen Glaskolben 1 in Form eines Hohlzylinders, in dessen eines Ende eine ein Target 2 tragende, becherförmig nach innen gewölbte Kathode 3 und in dessen anderes Ende eine Anode 4 vakuumdicht eingeführt ist. Die Anode 4 ist an ihrem dem Target zugewandten Ende 5 blendenartig verengt, wie noch genauer beschrieben werden wird. Innerhalb der Anode 4 kann sich ein Reflektorstempel 6 befinden, der an dem dem Target abgewandten Ende der Röhre leitend mit der Anode verbunden ist und in der Nähe des targetseitigen Endes einen nach vorn konkaven Kopf 7 trägt.

Die Anode 4 ist von einer Glasstulpe 8 umgeben, die an ihrer Stirnwand zwischen Anode und Kathode blendenartig ausgebildet ist.

Die äußere Form des Vorderendes 5 der Anode wird hauptsächlich durch hochspannungstechnische Überlegungen bestimmt, der Krümmungsradius darf nicht zu klein sein, damit kein vorzeitiger Durchschlag infolge Einsetzens der Feldemission eintritt. Die Größe der Öffnung der Vorderseite der Anode

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wird so gewählt, daß sich beim Durchschlag ein Plasmaschlauch genügenden Durchmessers ergibt, um eine genügend große Fläche des Targets 2, das auf der Kathode 3 befestigt ist, zu beaufschlagen. Die Öffnung soll außerdem erlauben, daß sich das Kathodenfeld bis zu einem gewissen Grade in die Anode hinein erstrecken kann, wie die gestrichelt eingezeichneten Äquipotentialflächen zeigen.

Der Durchmesser der Vorderöffnung der Stulpe 8 wird gleich oder etwas kleiner als der Durchmesser der Anodenöffnung gewählt. Die Glasstulpe 8 hat einerseits die Aufgabe, zu verhindern, daß die Entladung an einer unerwünschten Stelle außen an der Anode ansetzt, und andererseits wirkt sie als Linsenelektrode, da sie durch die vom Target austretenden Sekundärelektronen negativ aufgeladen wird.

Bei der Bemessung der Abstände der einzelnen Teile der Röhre müssen folgende Bedingungen berücksichtigt werden: Der Abstand zwischen dem Vorderende 5 der Anode 4 und dem auf der Kathode 3 angebrachten Target 2 soll möglichst klein sein, um Umladungseffekte der von der Anode zum Target beschleunigten Ionen möglichst klein zu halten. Die untere Grenze wird durch das Einsetzen der Feldemission bestimmt. Der Abstand zwischen der Anode 4 und der Glasstulpe 8 muß klein genug sein, um verhindern zu können, daß die Entladung außen am zylindrischen Teil der Anode ansetzt, und darf andererseits nicht zu klein sein, da sonst Feldemission eintreten kann.

Der Abstand zwischen Stulpe 8 und Außenwand 1 wird von ähnlichen Überlegungen bestimmt, bei zu großem Abstand schlägt die Entladung zwischen Stulpe und Röhrenkolben nach oben zu der oberen Abschlußelektrode 11, bei zu kleinem Abstand können unerwünschte Entladungen oder Durchschläge in dem Zwischenraum eintreten, die durch Wandbeladungen und Feldemission verursacht werden. Die Wandstärke der Stulpe muß mindestens der Durchschlagsfestigkeit für die Betriebsspannung entsprechen.

Diese Überlegungen gelten schließlich auch für die Kathode 3. Der Abstand zwischen der zylindrischen Wand der Kathode und dem Glaskolben 1 muß so eng sein, daß die Entladung nicht an der Kathode zwischen ihr und dem Glaskolben ansetzen kann. Um zu verhindern, daß die Entladung im Bereich der Anschmelzung der Kathode an den Glaskolben ansetzt, muß der zylindrische Teil der Kathode genügend lang sein. Es ist außerdem zu bedenken, daß bei den Entladungen Targetmaterial verdampft wird, das sich beispielsweise auf der blendenartigen Verengung der Glasstulpe ansammeln kann, so daß auch an der Glasstulpe eine Feldemission eintreten kann. Auf den Glaswänden können sich im ungünstigsten Fall Aufladungen bilden, die auf dem vollen Anodenoder Kathodenpotential liegen.

Eine praktisch ausgeführte Röhre hatte folgende Abmessungen, die jedoch nicht einschränkend auszulegen sind:

Länge der Anode 4 etwa 300 mm

Durchmesser der Anode etwa 54 mm

Durchmesser der Anodenöffnung etwa 25 mm Durchmesser der Stulpenöffnung etwa 25 mm

Wandstärke der Stulpe etwa 5 mm

Länge der Kathode (axial) etwa 100 mm

Abstände:

Anode 4—Stulpe 8 (radial) 3 mm

Anode 4—Stulpe 8 (axial) 4 bis 5 mm

Stulpe 8—Kolbenl 3 bis 4 mm

Target 2—Stulpe 8 (axial) 17 mm

Kathode 3—Kolben 1 (radial) .. IOmm

Der Durchmesser der Glasblende bestimmt etwa den Durchmesser des sich bildenden Plasmaschlauches und damit die thermische Belastung des Targetbereiches, an dem die Entladung ansetzt. Der Durchmesser der Stulpenöffnung ist vorzugsweise kleiner als der des Targets und der der Anode.

Während des Hochspannungsdurchschlags fliegen Elektronen, die zum größten Teil aus der Kathode durch die auftreffenden Ionen freigesetzt worden sind, in die Hohlanode 4. Infolge der in die Anode hinein verlängerten Wegstrecke haben sie eine höhere Ionisierungswahrscheinlichkeit und bilden Ionen praktisch auf Anodenpotential. Dabei muß jedoch verhindert werden, daß die Ionen in einem so großen Abstand hinter der Anodenöffnung gebildet werden, daß das sich von der Kathode aus in die Anode hinein erstreckende Feld nicht mehr in der Lage ist, die Ionen aus der Anode herauszuziehen und auf das Target zu beschleunigen. Um dies zu erreichen, wird die Tiefe des Anodenhohlraums begrenzt. Der Anodenhohlraum erhält dabei vorzugsweise eine kugel- oder rotationsellipsoidförmige Gestalt. Bei der in F i g. 1 dargestellten Ausführungsform wird diese Gestalt durch die Formung der Innenwand des targetseitigen Endes der Anode und durch einen sich von der Anschlußelektrode 11 koaxial in der Anode nach vorn erstreckenden Reflektorstempel 6 angenähert, der in ein nach vorn konkaves Ende ausläuft. Die auf die Anode und den Reflektorstempel auftreffenden Elektronen werden rückdiffundiert und erleiden Mehrfachreflexionen, wobei ihre Ionisierungswahrscheinlichkeit infolge der geringeren Energie und der großen Weglärige besonders groß ist.

Der Reflektorstempel 6 dient jedoch nicht allein zur Rückdiffusion des in die Hohlanode fokussierten Teils der Elektronen, er wirkt vielmehr zusammen mit der Hohlanode als Hochfrequenztopfkreis, der durch die Spannungsänderungen zwischen Anode und Kathode sowie durch Wechselwirkung mit den eingeschossenen Elektronen zu Eigenschwingungen angeregt wird. Das in der Nähe der Anodenöffnung entstehende hochfrequente Wechselfeld verlängert die Elektronenwege und beschleunigt langsame Elektronen.

Außen am Glaskolben 1 kann außerdem eine mit der Kathode 3 leitend verbundene Ringelektrode 13 vorgesehen sein. Diese Elektrode erzeugt im Bereich des Vorderendes der Anode ein radial verlaufendes elektrisches Feld und trägt dadurch dazu bei, das Entstehen von Gleitfunkenentladungen zwischen den Anschmelzstellen der Anode und der Kathode zu verhindern. Die Ringelektrode 13 kann mit der Kathode 3 über eine Induktivität 12 verbunden sein, so daß ein Schwingkreis gebildet wird; dieser Schwingkreis wird vorzugsweise auf die Frequenz

des Topfkreises aus Anode 4 und Reflektorstempel 6 abgestimmt. Die Ringelektrode 13 und die erwähnten Hochfrequenzschwingungskreise führen außerdem zu einer Erniedrigung des Zünddruckes, was durch die damit verbundene Verringerung von Umladungserscheinungen höchst erwünscht ist. Durch diese Maßnahmen konnte beispielsweise der Zünddruck von 0,14 Torr auf 7 · IO^-2 Torr der Deuteriumfüllung bei 150 kV Betriebsspannung gesenkt werden, ίο Die ganzen Metallteile der Röhre werden vorzugsweise hohl und dünnwandig ausgebildet, um die Neutronenabsorption und -streuung so gering wie möglich zu halten.

Zum Betrieb der oben beschriebenen Röhre kann eine ganz einfache Schaltungsanordnung verwendet werden: An Anode und Kathode wird über einen Hochspannungsschalter, im einfachsten Fall eine Funkenstrecke 10, ein Kondensator 9 geschaltet, der durch eine nicht dargestellte bekannte Anordnung ao auf eine hohe Spannung, z. B. 150 kV oder mehr, aufladbar ist. Die Zündspannung der Funkenstrecke 10 liegt oberhalb der Durchschlagsspannung der Röhre. Der Kondensator 9 kann im einfachsten Fall aus einer Anzahl von parallelgeschalteten Hochspannungskabelstücken bestehen. Die Induktivität der Zuleitungen soll möglichst klein gehalten werden, wenn kurze Neutronenimpulse erwünscht sind.

F i g. 2 zeigt das Energiespektrum während eines Durchschlags. Auf der Ordinate ist in willkürlichen Einheiten die AnzahliV der Ionen aufgetragen, die auf dem Target mit der auf der Abszisse aufgetragenen Energie E auftreffen. Die maximal mögliche Energie (unter Vernachlässigung etwaiger überlagerter Hochfrequenzschwingungen) entspricht der Zündspannung Z. Die gestrichelt gezeichnete Kurve zeigt die Energieverteilung bei einem Durchschlag in einer bekannten Röhre, während die ausgezogen gezeichnete Kurve die Energieverteilung der Ionen in einer Röhre gemäß der Erfindung darstellt. Man sieht, daß die Verteilungskurve in der Nähe der Maximalenergie Z ein Maximum durchläuft, das für die in der Röhre erzeugten Neutronen verantwortlich ist.

F i g. 3 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel einer Röhre, bei der das Target 2' konkav ausgebildet und auf der Innenwand der einen Teil des Röhrenkolbens bildenden metallischen Kathode 3' angeordnet ist. Die Kathodenkappe ist weiter oben in üblicher Weise mit einem Glaszylinder 1' verschmolzen. Sonst entsprechen die Teile der nur zum Teil dargestellten Röhre denen in Fig. 1; entsprechende Bezugszeichen sind mit einem Strich versehen.

Im Betrieb erfolgt der Durchschlag auf dem längstmöglichen Weg, also zwischen dem Vorderende 5' der Anode und dem konkaven Target 2', entsprechend dem linken Bereich der Paschenkurve. Das konkave Target fokussiert dabei die entstehenden Sekundärelektronen in die Anodenöffnung. Ein Überschlag zwischen der Kathode und der nicht dargestellten oberen Anschlußelektrode der Anode wird durch den engen Abstand zwischen Anode und Kathode bzw. Anode und Glaskolben verhindert. Die Abstände dürfen jedoch wieder nicht so gering sein, daß eine Feldemission zu befürchten ist.

Die mit Neutronen zu bestrahlenden Präparate können um die Röhre herum oder direkt außerhalb der Kathode beim Target angeordnet werden. Die in Fig. 3 dargestellte Röhre bringt dabei nicht die räumlichen Beschränkungen mit sich, die durch die

Claims (15)

nach innen gewölbte Kathode 3 in F i g. 1 gegeben sind. Selbstverständlich kann auch in Fig. 3 ein konkaver Reflektorstempel statt des dargestellten ebenen Reflektorstempels verwendet werden. Der Innenraum der Anode kann mit Titan oder einem anderen deuteriumabsorbierenden Werkstoff ausgekleidet sein und wirkt dann als Deuteriumspeicher. Bei der im Durchschlag auftretenden Erhitzung werden dann stoßweise Deuteriumionen freigesetzt. Die Anordnung in Fig. 1 kann ebenfalls ein zur Anode konkaves Target besitzen, um die Sekundärelektronen in die Anodenöffnung zu fokussieren. Um die Inonisierungswahrscheinlichkeit im Anodenhohlraum zusätzlich zu vergrößern, können in an sich bekannter Weise Magnetfelder vorgesehen werden; so ist es z. B. möglich, den Schaft des Reflektorstempels 6 als Dauermagnet auszubilden, oder den Kopf des Reflektorstempels aus einem Dauermagnetwerkstoff mit genügend hohem Curie-Punkt auszubilden. Die beschriebenen Röhren ermöglichen es, mit kleinstem Aufwand sehr kurze Neutronenimpulse hoher Intensität zu erzeugen, die Dauer kann beispielsweise zwischen einigen IO-8 bis IO-7 Sekunden und die Neutronenspitzenquellstärke etwa IO12 Neutronensec^1 bei D(dn) He3-Reaktionen und etwa 3 · IO14Neutronensec""1 bei T(dn)He4-Reaktionen betragen. Da zum Betrieb keine komplizierten elektronischen Einrichtungen erforderlich sind, kann die Betriebsspannung so weit erhöht werden, wie es wirtschaftliche Überlegungen, die zur Verfügung stehenden Hochspannungsquellen und Isolationsprobleme zulassen. 35 Patentansprüche:

1. Verfahren zum Betrieb eines Neutronengenerators zur Erzeugung von Neutronenimpulsen durch Beschuß eines Deuterium und/oder Tritium enthaltenden Targets mit Deuterium- und/oder Tritiumionen, bestehend aus einem Vakuumgefäß, in dem sich das die Ionen liefernde Gas unter vermindertem Druck befindet und in dem eine hohle Anode mit einer zu dem auf der Kathode aufliegenden Target weisenden Öffnung angeordnet ist, sowie einer an die Anode und die Kathode angeschlossenen Hochspannungsquelle, die Hochspannungsimpulse liefert, dadurch gekennzeichnet, daß die Hochspannungsimpulse Spannungsdurchschläge erzeugen, wobei das Produkt ρ ■ d, in dem ρ der Gasdruck und d der Abstand zwischen dem Target und dem Vorderende der Anode ist, kleiner gewählt wird als das dem Minimum der entsprechenden Paschenkurve entsprechende Produkt ρ ■ d.

2. Einrichtung zur Ausübung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Innenraum der hohlen Anode (4) wenigstens in erster Näherung kugelförmig ist und eine solche Tiefe hat, daß die im Inneren gebildeten Ionen durch die zwischen Anode und Kathode (3) liegende Spannung zur Kathode beschleunigt werden.

3. Einrichtung zur Ausübung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Anode (4) aus einem Hohlzylinder

besteht und sich am vorderen, dem Target zugewandten Ende (5) blendenartig verengt.

4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß im Inneren der zylinderförmigen Anode (4) ein Reflektorstempel (6) wenigstens annähernd koaxial angeordnet ist.

5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Reflektorstempel (6) in eine zur Kathode (3) hin konkave Scheibe (7) ausläuft.

6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die an die Öffnung im vorderen Ende (5) der Anode (4) angrenzende Innenwand in erster Näherung ein Stück einer Kugelfläche bildet.

7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathode

(3) aus einem sich in das Innere des Vakuumgefäßes (1) wölbenden Becher (3) besteht, dessen Stirnseite das Target (2) trägt.

8. Einrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Anode

(4) von einer im Abstand vom Vakuumgefäß (1) angeordneten Glasstulpe (8) umgeben ist.

9. Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Glasstulpe (8) das vordere Ende (5) der Anode (4) blendenartig umfaßt und dort eine Öffnung aufweist, die gleich oder vorzugsweise kleiner als die Öffnung der Anode ist.

10. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß außen am Vakuumgefäß (1) im Bereich des vorderen Endes (5) der Anode (4) eine Ringelektrode (13) angeordnet ist, die elektrisch leitend mit der Kathode (3) verbunden ist.

11. Einrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß in die Verbindung zwischen Ringelektrode (13) und Kathode (3) eine Induktivität (12) geschaltet ist.

12. Einrichtung nach Anspruch 4 und 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Induktivität (12) einen Teil eines Schwingkreises bildet, dessen Frequenz auf die Eigenfrequenz des durch die Anode (4) und den Refiektorstempel (6) gebildeten Topfkreises abgestimmt ist.

13. Einrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathode (3') einen Teil des Vakuumgefäßes bildet und das targetseitige Ende (5') der Anode (4') umfaßt, daß das anodenseitige Ende der Kathode mit einem Ende eines Isolierrohres (1') verschmolzen ist, an dessen anderem Ende die Anode (4) angeschmolzen ist, daß das auf der Innenwand der Kathode angeordnete Target (2') konkav ausgebildet ist und daß der radiale Abstand zwischen Anode und Kathode und die Formgebung des targetseitigen Endes (5') der Anode so gewählt sind, daß der Durchschlag zwischen dem vorderen Ende der Anode und dem Target erfolgt.

14. Einrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Target bezüglich der Anode so konkav geformt ist, daß die am Target entstehenden Sekundärelektronen in die Anodenöffnung fokussiert werden.

15. Einrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß Anode und

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