DE1489776C - Vorrichtung zur Erzeugung eines Strahlenbündels negativ geladener Teilchen, insbesondere eines Elektronenstrahlenbündels, hoher Energie - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine 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.

Die Beeinflussung der geladenen Teilchen eines Plasmas durch elektrische Felder ist eine geläufige Technik und hat bereits zu verschiedenen Anwendungsfällen geführt. ίο

So ist in der britischen Patentschrift 816 681 eine "Vorrichtung beschrieben, bei der mit Hilfe elektrischer und/oder magnetischer Felder aus einem Ladungsträger ' enthaltenden - Teilchenstrahl ein Ionenstrahl ausgesondert wird. Ziel in dieser bekannten Vorrichtung ist die Erzeugung von Ionenströmen möglichst hoher Dichte, ungeachtet eines relativ hohen Vakuums in einer Ionenkammer, und dieses Ziel wird bei der bekannten Vorrichtung dadurch erreicht, daß ein Gasstrahl mit hoher Ge- »» schwindigkeit durch eine Ionisierungsstrecke geschickt wird und die dabei erzeugten Ionen der jeweils gewünschten Polarität mit Hilfe elektrischer und/oder magnetischer Felder abgesaugt werden. Die Geschwindigkeit der abgesaugten Ionen wird da- as bei durch die Geschwindigkeit des Gasstrahls bestimmt, der in die Ionisationskammer eingeführt wird. Das die Ionen absaugende elektrische oder magnetische Feld trägt für die Energie der abgesaugten Ionen nichts bei, muß aber dessenungeachtet eine erhebliche Größe aufweisen, um eine hinreichende Richtungsänderung in den abzusaugenden Ionen zu ,bewirken. Die bekannte Vorrichtung ist also energetisch relativ aufwendig, ohne daß sich dies auch ,auf die Energie der abgesaugten Ionen vorteilhaft auswirkt. : -

In der französischen Patentschrift 1281964 ist weiter eine Vorrichtung zum Aussondern eines Elektronenstrahls aus einem Plasmastrahl beschrieben, bei der das angestrebte Ziel durch gleichzeitige Einwirkung eines elektrischen Feldes und eines Magnetfeldes erreicht wird und beachtlich hohe Feldstärken zum Einsatz kommen. Auch in diesem Fall tritt der Plasmastrahl quer zur Feldrichtung in die Vorrichtung ein, und es sind daher wiederum unnötig hohe Energien für die Aussonderung der Elektronen auf- · zubringen, die für deren Energiegehalt nutzlos sind.

Aus der deutschen Auslegeschrift 1021963 schließlich ist eine Einrichtung zur elektrischen Beladung von in einem Luftstrom suspendierter Materie 5°. mittels radioaktiver Präparate bekannt, bei der auf die durch die Kernstrahlung erzeugten Ladungsträger beider Polaritäten ein stärk inhomogenes elektrisches Feld zur Einwirkung kommt, das zwischen der als _: punktförmig anzunehmenden Strahlungsquelle und einer mit einem Strömungskanal verbundenen Siebelektrode herrscht. Eine weitere Siebelektrode bewirkt eine gewisse Verlangsamung und damit eine räumliche Anreicherung der Ladungsträger einer Polarität in dem Gasstrom, wobei die jeweilige PoIarität dieser Ladungsträger durch das einer weiteren Elektrode aufgeprägte Potential bestimmt wird. Für die Erzeugung eines gerichteten Strahles von Ladungsträgern einer Polarität mit hoher Energie ist die bekannte Einrichtung also nicht geeignet.

Ausgehend von diesem bekannten Stand der Technik liegt daher der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Strahlenbündels elektrisch geladener Teilchen anzugeben, mit deren Hilfe unter geringem energetischem Aufwand ein Teilchenstrahl von hoher Energie gewonnen werden kann.

Diese Aufgabe wird, ausgehend von einer Vorrichtung der eingangs erwähnten Art, erfindungsgemäß gelöst durch die Kombination folgender Mittel: _ .

a) einer Einrichtung zur Beschleunigung eines Plasmastrahls;

b) zweier parallel zueinander und senkrecht zur Achse des Plasmastrahls angeordneter Lochblenden im Strahlengang des Plasmastrahls mit koaxial zur Plasmastrahlachse und zueinander angeordneter Öffnungen, deren Querschnitt etwa dem Querschnitt des Plasmastrahls entspricht;

c) einer zur Erzeugung eines elektrischen Feldes zwischen den Lochblenden vorgesehenen Gleichspannungsquelle, 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 zurückzuführen, während die negativen Teilchen durch dieses elektrische Feld beschleunigt durch die Öffnung

. _;; der mit dem positiven Pol der Gleichspannungs-

- 'quelle verbundenen anderen Lochblende hindurchtreten.

Bei einer bevorzugten Ausführungsforin dieser Vorrichtung ist als Einrichtung zur Beschleunigung des Plasmastrahls ein elektromagnetischer Beschleuniger vorgesehen. Außerdem läßt sich diese Vorrichtung dadurch weiterbilden, daß man zwischen der Einrichtung zur Beschleunigung des Plasmastrahls und den Lochblenden eine zusätzliche Einrichtung zur Erzeugung eines parallel zur Achse des Plasmastrahls gerichteten Magnetfeldes anordnet, dessen Stärke in Ausbreitungsrichtung des Plasmastrahls zunimmt. Das so erzeugte Magnetfeld gestattet eine Fokussierung der negativen Teilchen in der Nähe der Strahlachse.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung und ihrer Vorteile soll nunmehr ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Erzeugung eines Strahlenbündels negativ geladener Teilchen näher beschrieben werden, das in der Zeichnung veranschaulichtest. Dabei zeigt die einzige Figur der Zeichnung einen Schnitt durch eine derartige Vorrichtung entlang der Achse eines Teilchenstrahls, der aus einem von einem elektromagnetischen ~Beschleüniger~gelief erten beschleunig-.ten Plasma.besteht, j:.:;! ül;ί^:.Π ~v:

Die dargestellte. Vorrichtung enthält einen Beschleuniger 1 zur Beschleunigung eines ionisierten Gases oder Plasmas.' Der Beschleuniger liefert einen Plasmastrahl 2 von großer Energie. Der insgesamt elektrisch neutrale Plasmastrahl setzt sich aus positiven Ionen und aus Elektronen zusammen. Die Geschwindigkeit der positiven Ionen ist etwa gleich der Geschwindigkeitskomponente der Elektronen in Richtung der Achse XX des Strahls. Die Bewegungsbahnen dieser Elektronen im Kern des Strahls 2 sind Schraubenlinien, während sich die von der Elektronenraumladung mitgenommenen Ionen parallel zur Achse XX bewegen. Die Energie des den Strahl 2 bildenden Teilchenstroms ist proportional der elek-

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.

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.

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.

Jedes Elektron in dem Plasmastrahl 2 wird bei seiner Bewegung durch den Innenraum der Spule 3 der Wirkung des von dieser Spule erzeugten Ma- ^ao gnetfeldes 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 betrach- *5 teten 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 5. Jenseits der Lochblende? ist daher ein Elektronenbündel 9 vorhanden, wobei die Energie dieser Elektronen noch durch die Beschleunigung zwischen den so Lochblenden 6 und 7 vergrößert ist. Die von der Lochblende 6 aufgefangenen Ionen gelangen durch Stromleitung zur Gleichspannungsquelle 8.

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.

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.

Die Stärke des von dieser Vorrichtung gelieferten Elektronenstrahlenbündels liegt beispielsweise in der Größenordnung von 1 A/cm¹; der Durchmesser der Öffnung 4 und 5 beträgt etwa 1 cm und die Spannung der Gleichspannungsquelle 8 etwa 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. " -

Claims (3)

Patentansprüche:

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:

a) einer Einrichtung (1) zur Beschleunigung eines Plasmastrahls (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, 5), deren Querschnitt etwa dem Querschnitt des Plasmastrahls entspricht;

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.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (1) zur Be- , schleunigung des Plasmastrahls ein elektromagnetischer Beschleuniger ist.

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.

. Hierzu 1 Blatt Zeichnungen