DE1489777B1 - Device for generating a beam of positively charged ions of high energy - Google Patents
Device for generating a beam of positively charged ions of high energyInfo
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Description
1 21 2
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung angeordneten Öffnungen, deren Querschnitt etwa
zur Erzeugung eines Strahlenbündels positiv gelade- dem Querschnitt des Plasmastrahls entspricht,
ner Ionen hoher Energie durch Aussonderung der c) einer zur Erzeugung eines elektrischen Feldes
Ionen aus einem Plasmastrahl unter der Wirkung zwischen den Lochblenden vorgesehenen Gleichelektrischer Felder. 5 Spannungsquelle, deren positiver Pol mit der der
The invention relates to a device arranged openings, the cross-section of which corresponds approximately to the generation of a beam of positively charged cross-section of the plasma jet,
ner ions of high energy by separating out the c) one for generating an electric field ions from a plasma beam under the action between the pinhole diaphragms of constant electric fields. 5 voltage source whose positive pole corresponds to that of the
Die Beeinflussung der geladenen Teilchen eines Plasmastrahlquelle zugewandten LochblendeInfluencing the charged particles of a plasma jet source facing the pinhole
Plasmas durch elektrische Felder ist eine geläufige verbunden ist und dieser ein der Energie derPlasmas connected by electric fields is a common one and this one is the energy of the
Technik und hat bereits zu verschiedenen Anwen- negativen Teilchen des Plasmastrahls angemes-Technology and has already been used for various applications.
dungsfällen geführt. senes positives Potential erteilt, das ausreicht,application cases. grants senes positive potential that is sufficient
So ist in der britischen Patentschrift 816 681 eine xo die negativen Teilchen innerhalb des elektrischenThus, in British patent specification 816 681, an xo is the negative particle within the electrical
Vorrichtung beschrieben, bei der mit Hilfe elektri- Feldes zwischen den Lochblenden abzubremsenDevice described in which to brake with the help of an electric field between the apertured diaphragms
scher und/oder magnetischer Felder aus einem und zur positiven Lochblende zurückzuführen,shear and / or magnetic fields from and to the positive pinhole,
Ladungsträger enthaltenden Teilchenstrahl ein Ionen- während die positiven Teilchen durch diesesParticle beam containing charge carriers an ion while the positive particles through this
strahl ausgesondert wird. Ziel dieser bekannten Vor- elektrische Feld beschleunigt durch die Öffnungray is singled out. The aim of this known pre-electric field accelerates through the opening
richtung ist die Erzeugung von Ionenströmen mög- 15 der mit dem negativen Pol der Gleichspannungs-direction, the generation of ion currents is possible with the negative pole of the DC voltage
Iichst hoher Dichte, ungeachtet eines relativ hohen quelle verbundenen anderen Lochblenden hin-Very high density, regardless of a relatively high source connected other pinhole diaphragms.
Vakuums in einer Ionenkammer, und dieses Ziel wird durchtreten.Vacuum in an ion chamber, and that goal will pass through.
bei der bekannten Vorrichtung dadurch erreicht, daß Bei einer bevorzugten Ausführungsform dieserachieved in the known device that In a preferred embodiment of this
ein Gasstrahl mit hoher Geschwindigkeit durch eine Vorrichtung ist als Einrichtung zur Beschleunigunga high velocity gas jet through a device is used as a means of acceleration
Ionisierungsstrecke geschickt wird und die dabei er- 20 des Plasmastrahls ein elektromagnetischer Beschleu-Ionization path is sent and the 20 of the plasma jet generates an electromagnetic acceleration
zeugten Ionen der jeweils gewünschten Polarität mit niger vorgesehen.generated ions of the desired polarity with niger provided.
Hilfe elektrischer und/oder magnetischer Felder ab- Außerdem läßt sich die Vorrichtung dadurch weigesaugt werden. Die Geschwindigkeit der abgesaug- terbilden, daß man zwischen der Einrichtung zur Beten Ionen wird dabei durch die Geschwindigkeit des schleunigung des Plasmastrahls und den Lochblenden Gasstrahls bestimmt, der in die Ionisationskammer 25 eine zusätzliche Einrichtung zur Erzeugung eines pareingeführt wird. Das die Ionen absaugende elektrische allel zur Achse des Plasmastrahls gericheten Magnetoder magnetische Feld trägt für die Energie der ab- feldes anordnet, dessen Stärke in Ausbreitungsrichgesaugten Ionen nichts bei, muß aber dessenungeach- tung des Plasmastrahls abnimmt. Dieses Magnetfeld tet eine erhebliche Größe aufweisen, um eine hinrei- dient dazu, dem größten Teil der negativen Teilchen chende Richtungsänderung für die abzusaugenden 30 des Plasmastrahls eine divergierende Bewegung aufIonen zu bewirken. Die bekannte Vorrichtung ist also zuprägen, auf Grund deren sie auf die vordere Lochenergetisch relativ aufwendig, ohne daß sich dies blende aufprallen. With the help of electrical and / or magnetic fields, the device can also be sucked away will. The speed of the sucked-up form that one between the device for praying Ions are thereby accelerated by the speed of the plasma jet and the pinhole diaphragms Gas jet determined, which is introduced into the ionization chamber 25, an additional device for generating a pair will. The electrical allele that sucks off the ions is directed towards the axis of the plasma jet or Magnetic field contributes to the energy of the field, whose strength is sucked in the direction of propagation Ions do nothing, but regardless of this, the plasma jet must decrease. This magnetic field Tet have a considerable size, sufficient to contain most of the negative particles The corresponding change in direction for the plasma jet to be sucked off causes a diverging movement to effect. The known device is therefore to be stamped, due to which it is relatively expensive in terms of energy on the front hole, without this impinging on the screen.
auch auf die Energie der abgesaugten Ionen vorteil- Zur weiteren Erläuterung der Erfindung und ihreralso on the energy of the extracted ions advantageous- To further explain the invention and its
haft auswirken würde. Vorteile soll nunmehr ein Ausführungsbeispiel fürdetention would affect. Advantages should now be an embodiment for
Weiter ist aus der deutschen Auslegeschrift 35 eine Vorrichtung nach der Erfindung näher beschrie-Furthermore, a device according to the invention is described in more detail from German Auslegeschrift 35
1 021 963 eine Einrichtung zur elektrischen Beladung ben werden, das in der Zeichnung veranschaulicht ist.1 021 963 a device for electrical charging, which is illustrated in the drawing.
von in einem Luftstrom suspendierter Materie mittels Dabei zeigt die einzige Figur der Zeichnung einenof matter suspended in an air stream by means of The only figure in the drawing shows one
radioaktiver Präparate bekannt, bei der auf die durch Schnitt durch die Vorrichtung entlang der Achseradioactive preparations known in the case of the cut through the device along the axis
die Kernstrahlung erzeugten Ladungsträger beider eines Teilchenstrahls, der aus einem von einem elek-the nuclear radiation generated charge carriers of both a particle beam, which from one of an elec-
Polaritäten ein stark inhomogenes elektrisches Feld 40 tromagnetischen Beschleuniger gelieferten beschleu-Polarities a highly inhomogeneous electric field 40 tromagnetic accelerator delivered acceleration
zur Einwirkung kommt, das zwischen der als punkt- nigten Plasma besteht.comes into play, which exists between the as punctured plasma.
förmig anzunehmenden Strahlungsquelle und einer Die dargestellte Vorrichtung enthält einen Be-assumed to be shaped radiation source and a The device shown contains a loading
mit einem Strömungskanal verbundenen Siebelektrode schleuniger 1 zur Beschleunigung eines ionisiertenscreen electrode connected to a flow channel accelerator 1 to accelerate an ionized
herrscht. Eine weitere Siebelektrode bewirkt dabei Gases oder Plasmas. Der Beschleuniger liefert einenprevails. Another sieve electrode produces gas or plasma. The accelerator delivers you
eine gewisse Verlangsamung und damit eine räum- 45 Plasmastrahl 2 von großer Energie. Der elektrisch,a certain slowdown and thus a spatial 45 plasma jet 2 of great energy. The electric
liehe Anreicherung der Ladungsträger einer Polarität im wesentlichen neutrale Plasmastrahl 2 setzt sichLiehe enrichment of the charge carriers of a polarity essentially neutral plasma jet 2 is set
in dem Gasstrom, wobei die jeweilige Polarität dieser aus positiven Ionen und aus Elektronen zusammen.in the gas flow, the polarity of which is composed of positive ions and electrons.
Ladungsträger durch das einer weiteren Elektrode Die Geschwindigkeit der positiven Ionen ist etwaCharge carrier through the one another electrode The speed of the positive ions is approx
aufgeprägte Potential bestimmt wird. Für die Erzeu- gleich der Geschwindigkeitskomponente der Elektro-impressed potential is determined. For the generation of the speed component of the electrical
gung eines gerichteten Strahls von Ladungsträgern 50 nen in Richtung der Achse X-X des Plasmastrahls 2.generation of a directed beam of charge carriers 50 in the direction of the axis XX of the plasma beam 2.
einer Polarität mit hoher Energie ist diese bekannte Die Bewegungsbahnen der Elektronen im Kern desa polarity with high energy this is known The trajectories of electrons in the nucleus of the
Einrichtung also nicht geeignet. Plasmastrahls 2 sind Schraubenlinien, während dieSo the facility is not suitable. Plasma jet 2 are helical lines, while the
Ausgehend von diesem bekannten Stand der Tech- sich von der Elektronenraumladung mitgenommenen nik liegt daher der Erfindung die Aufgabe zugrunde, positiven Ionen parallel zur Achse X-X des Plasmaeine Vorrichtung zur Erzeugung eines Strahlenbün- 55 Strahls 2 bewegen. Die Energie des den Plasmadels positiv geladener Ionen anzugeben, mit deren strahl 2 bildenden Teilchenstroms ist proportional Hilfe unter geringem energetischem Aufwand ein der elektromagnetischen Leistung des Beschleuni-Teilchenstrahl von hoher Energie gewonnen werden gers 1, die beispielsweise 300 W beträgt. Die Energie kann· der positiven Ionen liegt dabei in der GrößenordnungProceeding from this known prior art technology entrained by the electron space charge, the invention is therefore based on the object of moving positive ions parallel to the axis XX of the plasma, a device for generating a beam 2. To indicate the energy of the positively charged ions of the plasma needle, with their beam 2 forming particle flow is proportional help with little energetic expenditure of the electromagnetic power of the accelerating particle beam of high energy gers 1, which is 300 W for example. The energy can · of the positive ions is in the order of magnitude
Diese Aufgabe wird, ausgehend von einer Vorrich- 60 von 103 eV, die Gesamtzahl der pro Sekunde geliefer-This task is based on a device 60 of 10 3 eV, the total number of delivered per second
tung der eingangs erwähnten Art, erfindungsgemäß ten Teilchen in der Größenordnung von 1019.device of the type mentioned at the beginning, according to the invention, particles of the order of 10 19 .
gelöst durch die Kombination folgender Mittel: Eine koaxial zu dem Plasmastrahl 2 angeordnetesolved by the combination of the following means: one arranged coaxially to the plasma jet 2
a) einer Einrichtung zur Beschleunigung eines Spule 3 erzeugt parallel zur Achse des Plasmastrahls 2 Plasmastrahls, ein statisches Magnetfeld. Die Intensität diesesa) a device for accelerating a coil 3 generated parallel to the axis of the plasma jet 2 Plasma jet, a static magnetic field. The intensity of this
b) zweier parallel zueinander und senkrecht zur 65 Magnetfeldes nimmt in Ausbreitungsrichtung des Achse des Plasmastrahls angeordneter Loch- Plasmastrahls 2 ab.b) two parallel to each other and perpendicular to the 65 magnetic field takes in the direction of propagation of the Axis of the plasma jet arranged hole plasma jet 2 from.
blenden im Strahlengang des Plasmastrahls mit Zwei parallel angeordnete Lochblenden 6 und 7,screen in the beam path of the plasma jet with two parallel pinhole diaphragms 6 and 7,
koaxial zur Plasmastrahlachse und zueinander die an eine Gleichspannungsquelle 8 angeschlossenconnected to a DC voltage source 8 coaxially to the plasma jet axis and to each other
sind, weisen koaxial zu dem Plasmastrahl 2 zwei kreisförmige Öffnungen 4 und 5 auf, deren Querschnittsfläche etwa der des Plasmastrahls 2 entspricht. Von den Lochblenden 6 und 7 ist die zwischen der Lochblende 7 und der Spule 3 angeordnete Lochblende 6 mit dem positiven Pol der Gleichspannungsquelle 8 verbunden.are, have two circular openings 4 and 5 coaxial with the plasma jet 2, the cross-sectional area thereof corresponds approximately to that of the plasma jet 2. Of the perforated diaphragms 6 and 7 is between the Orifice plate 7 and the coil 3 arranged orifice plate 6 with the positive pole of the DC voltage source 8 connected.
Beim Durchtritt durch die Spule 3 wird jedes in dem Plasmastrahl 2 enthaltene Elektron der Wirkung des von dieser Spule erzeugten Magnetfeldes ausgesetzt. Da sich dieses Magnetfeld in Ausbreitungsrichtung des Plasmastrahls 2 verringert, hat dies zur Folge, daß sich der Radius der von dem jeweils betrachteten Elektron beschriebenen schraubenlinienförmigen Bewegungsbahn ständig vergrößert. Dabei wird die Spule 3 so bemessen, daß sich die Stärke des parallel zu der Achse X-X des Plasmastrahls 2 von links nach rechts gerichteten statischen Magnetfeldes so verkleinert, daß der größte Teil der durch die Spule 3 hindurchtretenden Elektronen nicht durch die Öffnung 4 in der Lochblende 6 hindurchtreten kann, sondern auf den diese Öffnung 4 umgebenden Bereich der Lochblende 6 auftrifft. Die Ionen in dem Plasmastrahl 2 werden durch das von der Spule 3 erzeugten Magnetfeld dagegen nicht abgelenkt, da sie sich parallel zur Richtung dieses Magnetfeldes bewegen. Sie treten daher unbeeinflußt durch die Öffnung 4 in der Lochblende 6 hindurch. Auf diese Weise erfolgt also bereits durch das von der Spule 3 erzeugte statische Magnetfeld eine erste Trennung der in dem Plasmastrahl 2 enthaltenen Ionen von den darin enthaltenen Elektronen.When passing through the coil 3, each electron contained in the plasma jet 2 is exposed to the action of the magnetic field generated by this coil. Since this magnetic field is reduced in the direction of propagation of the plasma jet 2, this has the consequence that the radius of the helical movement path described by the respective electron under consideration increases continuously. The coil 3 is dimensioned so that the strength of the static magnetic field directed parallel to the axis XX of the plasma jet 2 from left to right is reduced so that most of the electrons passing through the coil 3 do not pass through the opening 4 in the aperture 6 can pass through, but strikes the area of the perforated diaphragm 6 surrounding this opening 4. In contrast, the ions in the plasma jet 2 are not deflected by the magnetic field generated by the coil 3, since they move parallel to the direction of this magnetic field. They therefore pass through the opening 4 in the perforated diaphragm 6 without being influenced. In this way, the static magnetic field generated by the coil 3 already results in a first separation of the ions contained in the plasma beam 2 from the electrons contained therein.
Diejenigen Elektronen, die trotzdem durch die Öffnung 4 in der Lochblende 6 hindurchtreten, da sich ihr Abstand von der Achse X-X des Plasma-Strahls 2 noch nicht genügend vergrößert hat, werden nach dem Durchtritt durch die Öffnung 4 dem elektrischen Bremsfeld unterworfen, das zwischen den Lochblenden 6 und 7 herrscht. Diese Elektronen werden daher abgebremst, umgelenkt und zur Lochblende 6 zurückgeführt, die sich auf positivem Potential befindet. Auf diese Weise wird der verbleibende Ionenstrahl von allen Restelektronen befreit. Dieser lediglich aus Ionen bestehende Strahl 9 wird dann durch das elektrische Feld im Bereich zwischen den Lochblenden 6 und 7 beschleunigt, so daß sich die Energie, welche die Ionen des Plasmastrahls 2 beim Austritt aus dem Beschleuniger 1 besitzen, noch vergrößert. Die von der Lochblende 6 aufgenommenen Elektronen werden zur Gleichspannungsquelle 8 hin abgeführt.Those electrons which nevertheless pass through the opening 4 in the perforated diaphragm 6, because their distance from the axis XX of the plasma beam 2 has not yet increased sufficiently, are subjected to the electric braking field after passing through the opening 4, which is between the Orifice plates 6 and 7 prevail. These electrons are therefore slowed down, deflected and returned to the perforated diaphragm 6, which is at positive potential. In this way, the remaining ion beam is freed from all residual electrons. This beam 9, which consists only of ions, is then accelerated by the electric field in the area between the perforated diaphragms 6 and 7, so that the energy which the ions of the plasma beam 2 possess when they exit the accelerator 1 is increased. The electrons picked up by the aperture 6 are discharged to the DC voltage source 8.
Da die Energie der in dem Plasmastrahl 2 enthaltenen Ionen bereits sehr groß ist, noch ehe sie durch die Öffnung 4 in der Lochblende 6 hindurchtreten, hat die in der Nähe dieser Öffnung 4 entstehende Elektronenraumladung, die auf das Vorhandensein der zahlreichen von der Lochblende 6 aufgefangenen Elektronen zurückzuführen ist, keinen merklichen Einfluß auf das Ionenstrahlbündel 9.Since the energy of the ions contained in the plasma jet 2 is already very high, even before it pass through the opening 4 in the perforated diaphragm 6, the resulting in the vicinity of this opening 4 has Electron space charge, which is based on the presence of the numerous from the pinhole 6 trapped electrons, no noticeable influence on the ion beam 9.
Der Beschleuniger 1, die Spule 3 und die Lochblenden 6 und 7 sind zweckmäßig in einem in der Zeichnung nicht veranschaulichten dichten Behälter angeordnet, in dem ein Druck in der Größenordnung von 10~8at aufrechterhalten wird, so daß sich die Wahrscheinlichkeit von Zusammenstößen zwischen neutralen Teilchen und positiven Ionen stark verringert. The accelerator 1, the coil 3 and the apertures 6 and 7 are expediently arranged in a sealed container, not shown in the drawing, in which a pressure of the order of 10 ~ 8 at is maintained, so that the likelihood of collisions between neutral Particles and positive ions greatly reduced.
Die Stärke des durch diese Vorrichtung gelieferten Ionenstrahlbündels liegt beispielsweise in der Größenordnung von 30 mA/cm2, der Durchmesser der Öffnungen 4 und 5 bei 1 cm und die Spannung der Gleichspannungsquelle 8 bei 500 V.The strength of the ion beam delivered by this device is, for example, of the order of magnitude of 30 mA / cm 2 , the diameter of the openings 4 and 5 is 1 cm and the voltage of the DC voltage source 8 is 500 V.
Die vorliegende Vorrichtung eignet sich besonders zur Einführung eines energiereichen, beschleunigten Ionenstrahlbündels in eine magnetische Anordnung, beispielsweise eine magnetische Flasche zur Begrenzung eines Plasmas. Die Vorrichtung findet jedoch auch ein wesentliches Anwendungsgebiet für Zwecke der thermonuklearen Kernfusion.The present device is particularly suitable for introducing a high-energy, accelerated Ion beam in a magnetic arrangement, for example a magnetic bottle for confinement of a plasma. However, the device also finds an essential field of application for purposes thermonuclear fusion.
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| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| E77 | Valid patent as to the heymanns-index 1977 | ||
| EHJ | Ceased/non-payment of the annual fee |