DE1240199B - Entladungsvorrichtung zum Erzeugen einer energiereichen Bogenentladung - Google Patents

Description

DEUTSCHES PATENTAMT AUSLEGESCHRIFT

F03h

Deutsche Kl.: 21 g - 61/00

Nummer: 1240199

Aktenzeichen: U11711 VIII c/21 g

J 240 199 Anmeldetag: 11.Mai 1965

Auslegetag: 11. Mai 1967

Die Erfindung betrifft eine Entladungsvorrichtung zum Erzeugen einer energiereichen Bogenentladung, bei der eine längliche evakuierte Kammer an ihrem einen Ende eine zur Kammerachse parallele Hohlkathode, an ihrem anderen Ende eine auf freiem Potential liegende ReflektoreIekerode und zwischen der Kathode und der Reflektorelektrode eine längliche, ringförmige, zur Kammerachse gleichachsige Hohlanode aufweist, wobei an das Innere der Kathode eine regelbare, Betriebsgas aus einem Vorratsgefäß zuführende Einrichtung angeschlossen ist, eine Vorrichtung ein zur gemeinsamen Achse paralleles Magnetfeld erzeugt sowie eine Gleichspannungsquelle an Anode und Kathode angeschlossen ist.

Eine Vorrichtung zum Erzeugen und Verwenden von hohlen Gasbögen ist aus der USA.-Patentschrift 2 927 232 bekannt. Nach dieser Patentschrift wird eine Gasentladung auf zwei Wegen durchgeführt. Die eine Art von Gasentladung findet zwischen einer Hohlkathode und einer Hohlanode statt, welche in einem magnetischen Feld hintereinanderliegen. Das Gas wird in dem mittleren Teil der Kathode zugeführt, und die Kathode wird durch Ionenbombardement erhitzt. Durch geeignete Einstellung und Drosselung der Gaszuführung wird erreicht, daß der Bogen an der Innenseite der Kathode ansetzt. Bei höheren Drücken geht er vom Ende der Kathode aus. Ströme in der Größenordnung von 100 Ampere wurden bei einer Spannung von etwa 400 Volt in einem Vakuum von 3 · IO^-3 Torr und bei einer Magnetfeldstärke von 6000 Gauß erhalten.

Die zweite in der obengenannten Patentschrift beschriebene Vorrichtung besteht aus einem Paar von Hohlkathoden und einer koaxial liegenden Hohlanode zwischen den beiden Kathoden. Beiden Kathoden wird Gas zugeführt. Ein in Richtung der Symmetrieachse der Vorrichtung eingerichtetes Magnetfeld ist ebenfalls vorhanden. Die Vorrichtung wurde bei ungefähr 100 Ampere und einer Spannung von etwa 1000 Volt betrieben, wobei die anderen Betriebsbedingungen etwa die gleichen waren wie die im ersten Verfahren beschriebenen.

Die beiden beschriebenen Vorrichtungen ergeben relativ kleine Hohlbogenentladungen, weiche zu vielen Zwecken verwendet werden können. Typische Verwendungszwecke sind: Dissoziationszentren für einen injizierten Molekular-Ionen-Strahl, um das magnetische Einfangen eines Plasmas zu bewirken; ein Ionenschild, um das Einfließen neutraler Teilchen in ein Plasma zu verhindern; und die Bildung von raumladungsneutralisierten Ionenstrahlen für Antriebe, für Hochenergieinjektionen usw. Es bestand jedoch gen; Entladungsvorrichtung zum Erzeugen einer
energiereichen Bogenentladung

Anmelder:

United States Atomic Energy Commission,
Germantown, Md. (V. St. A.)

Vertreter:

Dr.-Ing. W. Klose, Patentanwalt,
Mannheim, Rathenaustr. 6

Als Erfinder benannt:

John Wilson Flowers, Gainesville, Fla. (V. St. A.) Beanspruchte Priorität:

V. St. v. Amerika vom 3. Mai 1964 (376266)--

ein Hauptproblem: Die zugeführte Energie muß hoch sein, um die Stabilität der Bogenentladung aufrechtzuerhalten. Auch war die Gasausnutzung bei den oben beschriebenen Entladungen gering.

Unter Berücksichtigung der Grenzen, die den oben beschriebenen Bogenentladungen gesetzt sind, ist es die erste Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zu geben, in der hohle Bogenentladungen relativ großen Durchmessers erzeugt werden können, wobei die Energieerfordernisse für die Stabilität des Bogens geringer sind und der Gasnutzeffekt bedeutend verbessert ist.
Eine andere Aufgabe dieser Erfindung besteht darin, eine Anordnung zur Erzeugung einer Hohlentladung zu schaffen, deren Durchmesser je nach der Stellung ihrer Kathode verändert werden kann.
Zu diesem Zweck ist erfindungsgemäß die Hohlkathode in radialem Abstand von der Kammerachse innerhalb des inneren Durchmessers der Hohlanode angebracht.

Die Erfindung wird an Hand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 einen Längsschnitt durch eine Entladungsvorrichtung zum Erzeugen von Hohlbogenentladun-

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1

F i g. 2 einen Längsschnitt durch eine andere Ausführungsform und

F i g. 3 eine graphische Darstellung der gemessenen Beziehung zwischen der Lichtbogenspannung und dem Lichtbogenstrom für verschiedene Arbeitsbedingungen der Vorrichtungen nach F i g. 1 oder 2.

Gemäß F i g. 1 weist eine zylindrische Vakuumkammer 1 nach außen vorstehende Flansche 2,2' auf. Das eine Ende der Kammer 1 ist durch einen die Kathode tragenden Block 3 verschlossen, der vom Flansch 2 mit einem Paar hohlzylindrischer Isolatoren 4 und 5 getrennt ist. Zwischen diesen Isolatoren ist ein radialer, scheibenförmiger Schirm 6 angebracht. Die Struktur der Antikathode oder des Reflektorendes der Kammer 1 ist ähnlich ausgebildet, wobei die Reflektorelektrode durch einen Block 7 gebildet ist, welcher vom Flansch 2' durch zwei Isolatoren 8 und 9 getrennt ist. Ein zweiter radialer Schirm 10 wird zwischen den Isolatoren 8 und 9 gehalten. In der Kammer 1 ist eine ringförmige Anode 11 ange- ao bracht, die ungefähr gleich weit von den Flanschen 2 und 2' entfernt ist. Wenigstens eine kleine Hohlkathode 12 ist senkrecht zum Kathoden-Halterungsblock 3 derart befestigt, daß ihre Achse parallel zur Achse der Kammer 1 liegt, aber nicht mit ihr zusammenfällt. Die Kathode liegt auf einem kleineren Radius in der Kammer 1 als die innere Oberfläche der Anode 11 oder als die Innendurchmesser der Schirme 6 und 10. Es ist zu bemerken, daß die Abmessungen des Radius der Innenoberfläche der Anode 11 und der Innendurchmesser der Schirme 6 und 10, wie sie in F i g. 1 dargestellt sind, nur ein Beispiel sind. Diese Abmessungen können größer sein als die in F i g. 1 dargestellten, falls dies nötig ist, und die Kathode 12 kann dann auf einem größeren Radius liegen, um dadurch den Durchmesser der Hohlentladung zu vergrößern, die durch diese Vorrichtung erzeugt werden soll.

Der Kathoden-Halterungsblock 3, der Reflektorblock 7 und die Kammer 1 sind mit Kühlmitteln versehen, wie z. B. mit dem Rohrsystem 13, durch welches man Wasser oder ein anderes Kühlmittel fließen läßt. Die Kammer 1 wird evakuiert mittels einer Vakuumpumpe 14, welche über eine Leitung 15 mit der Kammer in Verbindung steht. Außerdem sind nicht dargestellte Mittel vorgesehen, um in der Kammer 1 auf eine an sich bekannte Art ein axiales magnetisches Feld zu erzeugen.

Eine Gaszuführung ist vorgesehen, um ein Gas, wie Argon, oder Wasserstoff der Kathode 12 von einem Vorratsgefäß 16 durch eine Zuführungsleitung 17 zuzuführen. Eine Spannungsquelle 18 ist vorgesehen, um der Anode 11 und der Kathode 12 über Leitungen 19 und 20 die gewählte Spannung zuzuführen. Der Reflektor 7 liegt normalerweise elekirisch auf einem freien Potential. Auch kann die Kammer 1 mit einem nicht dargestellten Zugang versehen sein, durch weichen Ionen, Neutralteilchen usw. zur Reaktion mit der Hohlentladung injiziert werden können.

Die Vorrichtung von F i g. 2 unterscheidet sich nur wenig von der der F i g. 1. Insbesondere ist in dem Kathoden-Halterungsblock 3 eine Öffnung 21 zur axialen Injektion von Ionen oder Elektronen in die Hohlentladung vorgesehen. Außerdem befindet sich im Reflektorblock 7 eine öffnung 22 zur axialen Entnahme von Ionen usw. aus der Hohlentladung. Die öffnung 22 kann mit einem Einsatz 23 ausgekleidet 199

sein, der der von den durchtretenden Ionen od. dgl. erzeugten Hitze widersteht. Wegen der besonderen Betriebsart dieser Ausführungsform sollte diese in einer besonderen Vakuumkammer betrieben werden; deshalb sind keine Vorrichtungen zur Herstellung eines Vakuums in der Kammer dargestellt.

Im wesentlichen ist die Arbeitsweise der Vorrichtungen gemäß F i g. 1 und 2 die gleiche. Die Kammer 1 wird bis auf einen Druck von etwa 5· IO^-6 Torr evakuiert und das magnetische Feld auf eine Stärke von etwa 6000 Gauß an der Kathode 12 gebracht. Zwischen Kathode 12 und Anode 11 wird eine Gleichspannung von etwa 300 Volt gelegt, und ein Gas wird durch die Kathode zugeführt und z. B. unter Verwendung eines kurzen Hochfrequenzimpulses, der der Gleichspannung überlagert wird, eine Gasentladung ausgelöst. Obgleich die Bogenentladung von der exzentrisch liegenden Kathode gezündet wird, verursacht die Radialkomponente des elektrischen Feldes, die durch die ringförmige Anode hervorgerufen wird, eine Rotationstrift in der Entladung, so daß symmetrisch zur Achse der Kammer eine Hohlentladung erzeugt wird, deren Radius gleich dem Abstand der Kathode von der Anode ist. Der Radius der hohlen Bogenentladung kann auf Wunsch eingestellt werden, und dies könnte ausgeführt werden mittels nicht dargestellter Mittel zum Einstellen der radialen Stellung der Kathode 12 in bezug auf die Achse der Kammer 1.

Bei einer typischen Betriebsart einer Bogenentladung gemäß der obigen Beschreibung erzeugte eine Kathode von etwa 3 mm Durchmesser mit einem Abstand von etwa 8 mm von der Achse der Kammer eine Entladung von etwa 19 mm Durchmesser. Die Intensität der Entladung war dann steuerbar durch Einstellung der Gaszufuhr zur Kathode und/oder durch Einstellung der Spannung zwischen Kathode und Anode. Als Beispiel ist in der F i g. 3 die Beziehung zwischen Entladungsstrom A, gemessen in Ampere, und der angelegten Spannung V, gemessen in Volt, für verschiedene zugeführte Gase (Al = Argon bei 5 · ΙΟ"⁶ Torr; A2 = Argon bei 4 · 10"» Torr und H = Wasserstoff bei 6 · IO^-6 Torr) dargestellt. Die erhaltenen Entladungen waren sehr stabil sogar bei der benutzten niedrigen Spannung, verglichen mit 1000 Volt, die bei der Vorrichtung nach der obenerwähnten USA.-Patentschrift 2 927 232 erforderlich sind. Weiterhin ist in der vorliegenden Vorrichtung das Gas wirkungsvoller genutzt als bei der bekannten Vorrichtung, da mit niedrigerem Druck gearbeitet wird.

Es ist zu erwähnen, daß stabile hohle Bogenentladungen mit Durchmessern bis zu 50 bis 75 mm mit den Vorrichtungen nach F i g. 1 und 2 unter Verwendung einer einzigen Kathode erzeugt und aufrechterhalten werden könnnen. Für Bogenentladungen mit Durchmessern wesentlich größer als 75 mm wären jedoch zwei oder drei exzentrische Kathoden erforderlich, um die Hohlentladungen aufrechtzuerhalten. Da die Anwendung von mehr als einer Kathode den stabilen Arbeitsbereich einer Bogenentladung einengt, sollte man nur so viele Kathoden verwenden, wie dies zur Aufrechterhaltung der Entladung gerade nötig ist.

Die in F i g. 2 dargestellte Ausführungsform kann als Ionenquelle für 100-kW-Beschleuniger verwendet werden. Dazu ist eine relativ kleine hohle Bogenentladung vom Rückflußtypus vorgesehen, und ein Strom schneller Elektronen wird axial durch die Ent-

Claims (5)

ladung geschickt, um die nötigen Elektronen zur Neutralisierung der Raumladung des Inonenstrahles zu liefern, der der Ionenquelle entzogen wird. Patentansprüche:

1. Entladungsvorrichtung zum Erzeugen einer energiereichen Bogenentladung, bei der eine längliche evakuierte Kammer an ihrem einen Ende eine zur Kammerachse parallele Hohlkathode, an ihrem anderen Ende eine auf freiem Potential liegende Reflektorelektrode und zwischen der Kathode und der Reflektorelektrode eine längliche, ringförmige, zur Kammerachse gleichachsige Hohlanode aufweist, wobei an das Innere der Kathode eine regelbare, Betriebsgas aus einem Vorratsgefäß zuführende Einrichtung angeschlossen ist, eine Vorrichtung ein zur gemeinsamen Achse paralleles magnetisches Feld erzeugt sowie eine Gleichspannungsquelle an Anode und Kathode angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlkathode (12) in radialem Abstand von der Kammerachse innerhalb des inneren Durchmessers der Hohlanode (11) angebracht ist.

2. Entladungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathode auf einem Kathoden-Halterungsblock (3) angebracht ist, und daß an dem Kathoden-Halterungsblock (3) an der Reflektorelektrode (7) und an der Kammer (1) Kühleinrichtungen (13) vorgesehen sind.

3. Entladungsvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl der Kathoden-Halterungsblock (3) mit einer axial gerichteten Öffnung (21) zum axialen Injizieren energiereicher Elektronen als auch die Reflektorelektrode mit einer axial gerichteten Öffnung (22) zur Entnahme eines raumladungsneutralisierten Strahles von Elektronen oder Ionen aus der Kammer versehen sind.

4. Entladungsvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Betriebsgas Wasserstoff oder Argon ist.

5. Entladungsvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kammer auf einen Druck von 5 · IO^-6 Torr evakuiert ist, daß die magnetische Feldstärke etwa 6000 Gauß und die Gleichspannung zwischen Kathode und Anode etwa 300 Volt beträgt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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