DE1489776B1 - Device for generating a beam of negatively charged particles, in particular an electron beam, of high energy - Google Patents

Device for generating a beam of negatively charged particles, in particular an electron beam, of high energy

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DE1489776B1 DE19651489776 DE1489776A DE1489776B1 DE 1489776 B1 DE1489776 B1 DE 1489776B1 DE 19651489776 DE19651489776 DE 19651489776 DE 1489776 A DE1489776 A DE 1489776A DE 1489776 B1 DE1489776 B1 DE 1489776B1
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particles
generating
negative
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Description

1 21 2

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung Strahlenbündels elektrisch geladener Teilchen anzu-The invention relates to a device for beaming electrically charged particles to

zur Erzeugung eines Strahlenbündels negativ ge- geben, mit deren Hilfe unter geringem energetischemto generate a bundle of rays given negatively, with the help of which, with little energy

ladener Teilchen, insbesondere eines Elektronen- Aufwand ein Teilchenstrahl von hoher Energie ge-charged particles, in particular an electron expenditure, a particle beam of high energy

strahlenbündels, hoher Energie durch Aussonderung wonnen werden kann.bundle of rays, high energy can be obtained by segregation.

der negativen Teilchen aus einem Plasmastrahl unter 5 Diese Aufgabe wird, ausgehend von einer Vorder Wirkung elektrischer Felder. richtung der eingangs erwähnten Art, erfindungs-of negative particles from a plasma jet under 5 This task is, starting from a fore Effect of electric fields. direction of the type mentioned at the beginning,

Die Beeinflussung der geladenen Teilchen eines gemäß gelöst durch die Kombination folgenderThe influence of the charged particles is solved by the combination of the following

Plasmas durch elektrische Felder ist eine geläufige Mittel:Plasmas by electric fields is a common means:

Technik und hat bereits zu verschiedenen Anwen- a) einer Einrichtung zur Beschleunigung einesTechnology and has already applied to various a) a device to accelerate a

dungsfallen geführt. io Plasmastrahls;traps led. io plasma jet;

So ist in der britischen Patentschrift 816 681 eine b) zweier parallel zueinander und senkrecht zur Vorrichtung beschrieben, bei der mit Hilfe elektri- Achse des Plasmastrahls angeordneter Lochscher und/oder magnetischer Felder aus einem blenden im Strahlengang des Plasmastrahls mit Ladungsträger enthaltenden Teilchenstrahl ein koaxial zur Plasmastrahlachse und zueinander Ionenstrahl ausgesondert wird. Ziel in dieser be- 15 angeordneter Öffnungen, deren Querschnitt etwa kannten Vorrichtung ist die Erzeugung von Ionen- dem Querschnitt des Plasmastrahls entspricht;
strömen möglichst hoher Dichte, ungeachtet eines c) einer zur Erzeugung eines elektrischen Feldes relativ hohen Vakuums in einer Ionenkammer, und zwischen den Lochblenden vorgesehenen Gleichdieses Ziel wird bei der bekannten Vorrichtung da- Spannungsquelle, deren negativer Pol mit der durch erreicht, daß ein Gasstrahl mit hoher Ge- so der Plasmastrahlquelle zugewandten Lochblende schwindigkeit durch eine Ionisierungsstrecke ge- verbunden ist und dieser ein der Energie der schickt wird und die dabei erzeugten Ionen der je- positiven Teilchen des Plasmastrahls angemesweils gewünschten Polarität mit Hilfe elektrischer senes negatives Potential erteilt, das ausreicht, und/oder magnetischer Felder abgesaugt werden. die positiven Teilchen innerhalb des elektrischen Die Geschwindigkeit der abgesaugten Ionen wird da- 25 Feldes zwischen den Lochblenden abzubremsen bei durch die Geschwindigkeit des Gasstrahls be- und zur negativen Lochblende zurückzuführen, stimmt, der in die Ionisationskammer eingeführt während die negativen Teilchen durch dieses wird. Das die Ionen absaugende elektrische oder ma- elektrische Feld beschleunigt durch die Öffnung gnetische Feld trägt für die Energie der abgesaugten der mit dem positiven Pol der Gleichspannungs-Ionen nichts bei, muß aber dessenungeachtet eine 30 quelle verbundenen anderen Lochblende hinerhebliche Größe aufweisen, um eine hinreichende durchtreten.Thus, in British patent specification 816 681 a b) two parallel to each other and perpendicular to the device is described, in which with the help of the electrical axis of the plasma beam arranged hole shears and / or magnetic fields from a diaphragm in the beam path of the plasma beam with charge carriers containing particle beam a coaxial to Plasma beam axis and ion beam to each other is separated. The aim in this arranged openings, the cross-section of which is approximately known device, is the generation of ions - corresponds to the cross-section of the plasma jet;
flow as high a density as possible, regardless of a c) a relatively high vacuum to generate an electric field in an ion chamber, and provided between the perforated diaphragms high speed so the plasma jet source facing perforated diaphragm is connected by an ionization path and this is the energy that is sent and the ions generated in the respective positive particles of the plasma jet given the appropriately desired polarity with the help of electrical senes negative potential, which is sufficient, and / or magnetic fields are extracted. The speed of the extracted ions is slowed down between the perforated diaphragms and returned to the negative perforated diaphragm by the speed of the gas jet, which is introduced into the ionization chamber while the negative particles are passed through it. The electric or magnetic field sucking off the ions accelerated through the opening does not contribute anything to the energy of the sucked off or with the positive pole of the DC voltage ions, but must nevertheless have another pinhole connected to the source of a considerable size in order to be sufficient step through.

Richtungsänderung in den abzusaugenden Ionen zu Bei einer bevorzugten Ausführungsform dieserChange of direction in the ions to be sucked off. In a preferred embodiment this

bewirken. Die bekannte Vorrichtung ist also energe- Vorrichtung ist als Einrichtung zur Beschleunigungcause. The known device is therefore energetic device is used as a device for acceleration

tisch relativ aufwendig, ohne daß sich dies auch auf des Plasmastrahls ein elektromagnetischer Beschleu-table relatively complex, without this also causing an electromagnetic acceleration on the plasma jet

die Energie der abgesaugten Ionen vorteilhaft aus- 35 niger vorgesehen. Außerdem läßt sich diese Vorrich-the energy of the extracted ions is advantageously provided less. In addition, this device can

wirkt. tung dadurch weiterbilden, daß man zwischen derworks. training by choosing between the

In der französischen Patentschrift 1281964 ist Einrichtung zur Beschleunigung des Plasmastrahls weiter eine Vorrichtung zum Aussondern eines Elek- und den Lochblenden eine zusätzliche Einrichtung zur tronenstrahls aus einem Plasmastrahl beschrieben, Erzeugung eines parallel zur Achse des Plasmastrahls bei der das angestrebte Ziel durch gleichzeitige Ein- 40 gerichteten Magnetfeldes anordnet, dessen Stärke in wirkung eines elektrischen Feldes und eines Magnet- Ausbreitungsrichtung des Plasmastrahls zunimmt, feldes erreicht wird und beachtlich hohe Feldstärken Das so erzeugte Magnetfeld gestattet eine Fokussiezum Einsatz kommen. Auch in diesem Fall tritt der rung der negativen Teilchen in der Nähe der Strahl-Plasmastrahl quer zur Feldrichtung in die Vorrich- achse.In the French patent specification 1281964 there is a device for accelerating the plasma jet furthermore a device for separating out an elec- tric aperture and an additional device for the perforated diaphragms electron beam from a plasma beam described, generating a parallel to the axis of the plasma beam in which the desired goal is arranged by a simultaneous magnetic field, whose strength is in the effect of an electric field and a magnet - the direction of propagation of the plasma jet increases, field is achieved and considerably high field strengths. The magnetic field generated in this way allows a focus Use. In this case too, the generation of negative particles occurs in the vicinity of the jet plasma jet across the field direction in the fixture axis.

tung ein, und es sind daher wiederum unnötig hohe 45 Zur weiteren Erläuterung der Erfindung und ihrerdevice, and there are therefore again unnecessarily high 45 To further explain the invention and its

Energien für die Aussonderung der Elektronen auf- Vorteile soll nunmehr ein Ausführungsbeispiel einerEnergies for the elimination of the electrons should now be an embodiment of an advantage

zubringen, die für deren Energiegehalt nutzlos sind. Vorrichtung zur Erzeugung eines Strahlenbündelsthat are useless for their energy content. Device for generating a beam

Aus der deutschen Auslegeschrift 1021 963 negativ geladener Teilchen näher beschrieben werden,From the German Auslegeschrift 1021 963 negatively charged particles are described in more detail,

schließlich ist eine Einrichtung zur elektrischen Be- das in der Zeichnung veranschaulicht ist. Dabei zeigtFinally, a device for electrical operation is illustrated in the drawing. It shows

ladung von in einem Luftstrom suspendierter Materie 50 die einzige Figur der Zeichnung einen Schnitt durchCharge of matter 50 suspended in an air stream, the only figure in the drawing is a section through

mittels radioaktiver Präparate bekannt, bei der auf eine derartige Vorrichtung entlang der Achse einesknown by means of radioactive preparations in which on such a device along the axis of a

die durch die Kernstrahlung erzeugten Ladungsträger Teilchenstrahls, der aus einem von einem elektro-the charge carrier particle beam generated by the nuclear radiation, which is generated by an electro-

beider Polaritäten ein stark inhomogenes elektrisches magnetischen Beschleuniger gelieferten beschleunig-of both polarities a highly inhomogeneous electric magnetic accelerator delivered accelerates

FeId zur Einwirkung kommt, das zwischen der als ten Plasma besteht.Field comes into play that exists between the th plasma.

punktförmig anzunehmenden Strahlungsquelle und 55 Die dargestellte Vorrichtung enthält einen Beeiner mit einem Strömungskanal verbundenen Sieb- schleuniger 1 zur Beschleunigung eines ionisierten elektrode herrscht. Eine weitere Siebelektrode be- Gases oder Plasmas. Der Beschleuniger liefert einen wirkt eine gewisse Verlangsamung und damit eine Plasmastrahl 2 von großer Energie. Der insgesamt räumliche Anreicherung der Ladungsträger einer elektrisch neutrale Plasmastrahl setzt sich aus posi-Polarität in dem Gasstrom, wobei die jeweilige PoIa- 60 tiven Ionen und aus Elektronen zusammen. Die Gerität dieser Ladungsträger durch das einer weiteren schwindigkeit der positiven Ionen ist etwa gleich der Elektrode aufgeprägte Potential bestimmt wird. Für Geschwindigkeitskomponente der Elektronen in die Erzeugung eines gerichteten Strahles von Richtung der Achse XX des Strahls. Die Bewegungs-Ladungsträgern einer Polarität mit hoher Energie ist bahnen dieser Elektronen im Kern des Strahls 2 sind die bekannte Einrichtung also nicht geeignet. 65 Schraubenlinien, während sich die von der Elek-The device shown contains a screen accelerator 1 connected to a flow channel for accelerating an ionized electrode. Another sieve electrode for gas or plasma. The accelerator delivers a certain slowing effect and thus a plasma jet 2 of great energy. The overall spatial enrichment of the charge carriers of an electrically neutral plasma beam is made up of positive polarity in the gas flow, the respective positive ions and electrons. The device of these charge carriers is determined by a further speed of the positive ions which is approximately equal to the potential imposed on the electrode. For velocity component of the electrons in the creation of a directed beam from the direction of the axis XX of the beam. The motion charge carriers of one polarity with high energy are the pathways of these electrons in the core of the beam 2, so the known device is not suitable. 65 helical lines, while the elec-

Ausgehend von diesem bekannten Stand der tronenraumladung mitgenommenen Ionen parallelBased on this known level of the electron space charge, the ions carried along in parallel

Technik liegt daher der Erfindung die Aufgabe zu- zur Achse XX bewegen. Die Energie des den Strahl 2Technology is therefore the task of the invention to move to the axis XX. The energy of the ray 2

gründe, eine Vorrichtung zur Erzeugung eines bildenden Teilchenstroms ist proportional der elek-reasons, a device for generating a forming particle flow is proportional to the elec-

ORIGINALORIGINAL

tromagnetischen Leistung des Beschleunigers 1 (die beispielsweise 300 W beträgt); die Energie der Elektronen liegt dann in der Größenordnung von 102eV und die Gesamtzahl der gelieferten Teilchen pro Sekunde in der Größenordnung von 1019.tromagnetic power of the accelerator 1 (which is, for example, 300 W); the energy of the electrons is then in the order of magnitude of 10 2 eV and the total number of particles delivered per second in the order of magnitude of 10 19 .

Eine koaxial zum Plasmastrahl 2 angeordnete Spule 3 erzeugt ein statisches Magnetfeld parallel zur Achse des Plasmastrahls 2; die Intensität dieses Magnetfeldes nimmt in Ausbreitungsrichtung des Plasmastrahls 2 zu.A coil 3 arranged coaxially to the plasma jet 2 generates a static magnetic field parallel to the Axis of the plasma jet 2; the intensity of this magnetic field increases in the direction of propagation of the Plasma jet 2 to.

Zwei kreisförmige Öffnungen 4 und 5 sind koaxial zum Plasmastrahl 2 mit einer Querschnittfläche, die etwa der des Plasmastrahls 2 entspricht, in zwei parallel angeordneten Lochblenden 6 und 7 vorgesehen, die an eine Gleichspannungsquelle 8 angeschlossen sind; die Lochblende 6 ist dabei mit dem negativen Pol dieser Gleichspannungsquelle 8 verbunden.Two circular openings 4 and 5 are coaxial with the plasma jet 2 with a cross-sectional area which corresponds approximately to that of the plasma jet 2, provided in two perforated diaphragms 6 and 7 arranged in parallel, which are connected to a DC voltage source 8; the pinhole 6 is with the negative Pole of this DC voltage source 8 connected.

Jedes Elektron in dem Plasmastrahl 2 wird bei seiner Bewegung durch den Innenraum der Spule 3 der Wirkung des von dieser Spule erzeugten Magnetfeldes unterworfen; wenn sich dieses koaxial zum Plasmastrahl 2 verlaufende Magnetfeld in Bewegungsrichtung der Teilchen des Plasmastrahls vergrößert, so hat dies zur Wirkung, daß sich der Radius der schraubenförmigen Bewegungsbahn des betrachteten Elektrons verkleinert. Die Spule 3 wird daher so bemessen, daß die Stärke des parallel zur Achse XX des Plasmastrahls 2 von links nach rechts gerichteten statischen Magnetfeldes so zunimmt, daß die Mehrzahl der durch die Spule 3 geführten Elektronen in der Nähe der Achse des Plasmastrahls 2 konzentriert wird und ein Elektronenstrahlbündel entsteht, das nach der Öffnung 4 hin konvergiert und durch diese Öffnung hindurchtritt. Die Ionen werden durch das Magnetfeld nicht abgelenkt, da sie sich parallel zur Richtung des Magnetfeldes bewegen; sie durchsetzen daher gleichfalls die Öffnung 4 und sind dann der Wirkung des elektrischen Abbremsfeldes ausgesetzt, das zwischen den Lochblenden 6 und 7 herrscht. Dieses elektrische Feld, dessen Kraftlinien etwa parallel verlaufen und von der Lochblende 7 zu der Lochblende 6 gerichtet sind, bremst die Ionen ab und führt sie dann in umgekehrter Richtung zu der Lochblende 6 hin, die sie aufnimmt. Die Wirkung dieser Lochblende 6 besteht somit darin, im Plasmastrahl 2 Ionen und Elektronen zu trennen; nur die Elektronen durchsetzen daher die Öffnung S. Jenseits der Lochblende 7 ist daher ein Elektronenbündel 9 vorhanden, wobei die Energie dieser Elektronen noch durch die Beschleunigung zwischen den Lochblenden 6 und 7 vergrößert ist. Die von der Lochblende 6 aufgefangenen Ionen gelangen durch Stromleitung zur Gleichspannungsquelle 8.Each electron in the plasma jet 2 is subjected to the action of the magnetic field generated by this coil as it moves through the interior of the coil 3; if this magnetic field, which runs coaxially to the plasma jet 2, increases in the direction of movement of the particles of the plasma jet, this has the effect that the radius of the helical movement path of the electron under consideration is reduced. The coil 3 is therefore dimensioned in such a way that the strength of the static magnetic field directed parallel to the axis XX of the plasma jet 2 from left to right increases so that the majority of the electrons passed through the coil 3 are concentrated in the vicinity of the axis of the plasma jet 2 and an electron beam is produced which converges towards the opening 4 and passes through this opening. The ions are not deflected by the magnetic field because they move parallel to the direction of the magnetic field; they therefore also pass through the opening 4 and are then exposed to the action of the electrical decelerating field that prevails between the perforated diaphragms 6 and 7. This electric field, the lines of force of which run approximately parallel and are directed from the perforated diaphragm 7 to the perforated diaphragm 6, decelerates the ions and then leads them in the opposite direction to the perforated diaphragm 6, which receives them. The effect of this aperture 6 is thus to separate ions and electrons in the plasma beam 2; therefore only the electrons pass through the opening S. Beyond the perforated diaphragm 7 there is therefore an electron beam 9, the energy of these electrons being increased by the acceleration between the perforated diaphragms 6 and 7. The ions captured by the perforated diaphragm 6 reach the DC voltage source 8 through a current line.

Die Energie der im Plasmastrahl 2 enthaltenen Elektronen ist bereits sehr erheblich, noch ehe sie durch die Öffnung 4 hindurchtreten; die in der Nähe dieser Öffnung erzeugte Raumladung ist daher ohne merkliche Wirkung auf das Elektronenbündel 9; der nachteilige Child-Langmuir-Effekt wird auf diese Weise vermieden.The energy of the electrons contained in the plasma beam 2 is already very considerable even before it pass through the opening 4; the space charge generated in the vicinity of this opening is therefore without noticeable effect on electron beam 9; the detrimental Child-Langmuir effect is on this Way avoided.

Der Beschleuniger 1 und die Lochblenden 6 und 7 sind im Innern eines in der Zeichnung nicht dargestellten dichten Behälters angeordnet, in dem der Druck auf einem Wert von 10~8 at gehalten wird.The accelerator 1 and the perforated diaphragms 6 and 7 are arranged inside a sealed container, not shown in the drawing, in which the pressure is kept at a value of 10 ~ 8 at.

Die Stärke des von dieser Vorrichtung gelieferten Elektronenstrahlenbündels liegt beispielsweise in der Größenordnung von ΙΑ/cm2; der Durchmesser der Öffnung 4 und 5 beträgt etwa 1 cm und die Spannung der Gleichspannungsquelle 8 etwa 500 V.The strength of the electron beam supplied by this device is, for example, of the order of ΙΑ / cm 2 ; the diameter of the opening 4 and 5 is about 1 cm and the voltage of the DC voltage source 8 is about 500 V.

Wird diese Vorrichtung zusammen mit einer bekannten Einrichtung zur Beschleunigung und Fokussierung eines Elektronenstrahlenbündels verwendet, so lassen sich außerordentlich starke Elektronenstrahlenbündel erzeugen, die beispielsweise eine Schweißung mittels Elektronenbeschuß gestatten, wobei die Nachteile, die bei den bisher verwendeten Elektronenkanonen mit Thermoionenquellen auftreten, vermieden sind.If this device is used together with a known device for acceleration and focusing an electron beam is used, extremely strong electron beams can be generated generate which, for example, allow welding by means of electron bombardment, the disadvantages that occur with the previously used electron guns with thermionic ion sources, are avoided.

Claims (3)

Patentansprüche:Patent claims: 1. Vorrichtung zur Erzeugung eines Strahlenbündels negativ geladener Teilchen, insbesondere eines Elektronenstrahlenbündels, hoher Energie durch Aussonderung der negativen Teilchen aus einem Plasmastrahl unter der Wirkung elektrischer Felder, gekennzeichnet durch die Kombination folgender Mittel:1. Device for generating a beam of negatively charged particles, in particular an electron beam, high energy by separating out the negative particles a plasma jet under the action of electric fields, characterized by the Combination of the following means: a) einer Einrichtung (1) zur Beschleunigung eines Plasmastrahls (2);a) a device (1) for accelerating a plasma jet (2); b) zweier parallel zueinander und senkrecht zur Achse (XX) des Plasmastrahls angeordneter Lochblenden (6, 7) im Strahlengang des Plasmastrahls mit koaxial zur Plasmastrahlachse und zueinander angeordneter Öffnungen (4, S), deren Querschnitt etwa dem Querschnitt des Plasmastrahls entspricht; b) two perforated diaphragms (6, 7) arranged parallel to one another and perpendicular to the axis (XX) of the plasma jet in the beam path of the plasma jet with openings (4, S) arranged coaxially to the plasma jet axis and to one another, the cross section of which corresponds approximately to the cross section of the plasma jet; c) einer zur Erzeugung eines elektrischen Feldes zwischen den Lochblenden vorgesehenen Gleichspannungsquelle (8), deren negativer Pol mit der der Plasmastrahlquelle zugewandten Lochblende verbunden ist und dieser ein der Energie der positiven Teilchen des Plasmastrahls angemessenes negatives Potential erteilt, das ausreicht, die positiven Teilchen innerhalb des elektrischen - Feldes zwischen den Lochblenden abzubremsen und zur negativen Lochblende (6) zurückzuführen, während die negativen Teilchen durch dieses elektrische Feld beschleunigt durch die Öffnung (5) der mit dem positiven Pol der Gleichspannungsquelle verbundenen anderen Lochblende (7) hindurchtreten.c) one provided for generating an electric field between the apertured diaphragms DC voltage source (8), the negative pole of which faces that of the plasma jet source Pinhole is connected and this one of the energy of the positive particles of the plasma jet appropriate negative Potential given sufficient to the positive particles within the electric field to decelerate between the perforated diaphragms and return to the negative perforated diaphragm (6), while the negative particles are accelerated by this electric field through the opening (5) of the one with the positive Pole of the DC voltage source connected to another pinhole (7) pass. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (1) zur Beschleunigung des Plasmastrahls ein elektromagnetischer Beschleuniger ist.2. Apparatus according to claim 1, characterized in that the device (1) for acceleration of the plasma jet is an electromagnetic accelerator. 3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine zusätzliche Einrichtung (3) zur Erzeugung eines parallel zur Achse (XX) des Plasmastrahls gerichteten Magnetfeldes zwischen der Einrichtung (1) zur Beschleunigung des Plasmastrahls und den Lochblenden (6,7), dessen Stärke in Ausbreitungsrichtung des Strahls zunimmt. 3. Apparatus according to claim 1 or 2, characterized by an additional device (3) for generating a parallel to the axis (XX) of the plasma jet directed magnetic field between the device (1) for accelerating the plasma jet and the pinhole (6,7), its Strength in the direction of propagation of the beam increases. Hierzu 1 Blatt Zeichnungen COPY1 sheet of COPY drawings
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