DE1489777C

DE1489777C - Device for generating a beam of positively charged ions of high energy

Info

Publication number: DE1489777C
Authority: DE
Inventors: Terenzio La Celle Saint-Cloud Seine-et-Oise; Geller Richard Antony Seine; Consoli (Prankreich)
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Strahlenbündels positiv geladener Ionen hoher Energie durch Aussonderung der Ionen aus einem Plasmastrahl unter der Wirkung elektrischer Felder.The invention relates to a device for generating a beam of positively charged rays Ions of high energy due to the separation of the ions from a plasma beam under the effect electric fields.

Die Beeinflussung der geladenen Teilchen eines Plasmas durch elektrische Felder ist eine geläufige Technik und hat bereits zu verschiedenen Anwendungsfällen geführt.The influence of electric fields on the charged particles in a plasma is a common one Technology and has already led to various use cases.

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 dieser bekannten Vorrichtung ist die Erzeugung von Ionenströmen mögliehst 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 Geschwindigkeit 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 dabei 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 für die abzusaugenden Ionen zu bewirken. Die bekannte Vorrichtung ist also energetisch relativ aufwendig, ohne daß sich dies auch auf die Energie der abgesaugten Ionen vorteilhaft auswirken würde.So in the British patent 816 681 a device is described in which with the help of electrical and / or magnetic fields from one. Particle beam containing charge carriers is an ion beam is singled out. The aim of this known device is the generation of ion currents as possible high density, notwithstanding a relatively high vacuum in an ion chamber, and that goal becomes achieved in the known device in that a gas jet at high speed through a Ionization path is sent and the ions of the desired polarity generated in each case With the help of electric and / or magnetic fields. The speed of the sucked Ions is determined by the speed of the gas jet entering the ionization chamber is introduced. The electrical or magnetic field sucking off the ions carries the energy of the sucked off Ions do nothing, but must nevertheless be of a considerable size in order to achieve a sufficient To effect a change of direction for the ions to be extracted. The known device is so energetically relatively expensive, without this having an advantage on the energy of the extracted ions would affect.

Weiter ist aus der deutschen Auslegeschrift 1 021 963 eine Einrichtung zur elektrischen Beladung von in einem Luftstrom suspendierter Materie mittels radioaktiver Präparate bekannt, bei der auf die durch die Kernstrahlung erzeugten Ladungsträger beider Polaritäten ein stark 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 dabei eine gewisse Verlangsamung und damit eine räumliehe Anreicherung der Ladungsträger einer Polarität in dem Gasstrom, wobei die jeweilige Polarität dieser Ladungsträger durch das einer weiteren Elektrode aufgeprägte Potential bestimmt wird. Für die Erzeugung eines gerichteten Strahls von Ladungsträgern einer Polarität mit hoher Energie ist diese bekannte Einrichtung also nicht geeignet.The German Auslegeschrift 1 021 963 also describes a device for electrical charging known from matter suspended in an air stream by means of radioactive preparations, in which on the by the nuclear radiation generated charge carriers of both polarities a highly inhomogeneous electric field comes into play between the radiation source, which is assumed to be punctiform, and a Sieve electrode connected to a flow channel prevails. Another sieve electrode causes it a certain slowing down and thus a spatial enrichment of the charge carriers of one polarity in the gas flow, the respective polarity of these charge carriers being determined by that of a further electrode impressed potential is determined. For generating a directed beam of charge carriers This known device is therefore not suitable for a polarity with high energy.

Ausgehend von diesem bekannten Stand der Technik liegt daher der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Strahlenbündels positiv geladener Ionen anzugeben, mit deren Hilfe unter geringem energetischem Aufwand ein Teilchenstrahl von hoher Energie gewonnen werden kann.On the basis of this known prior art, the invention is therefore based on the object specify a device for generating a beam of positively charged ions, with the Help a particle beam of high energy can be obtained with little energy expenditure can.

Diese Aufgabe wird, ausgehend von einer Vorrichtung der eingangs erwähnten Art, erfindungsgemäß gelöst durch die Kombination folgender Mittel:Based on a device of the type mentioned at the outset, this object is achieved according to the invention solved by a combination of the following means:

a) einer Einrichtung zur Beschleunigung eines Plasmastrahls,a) a device for accelerating a plasma jet,

b) zweier parallel zueinander und senkrecht zur Achse des Plasmastrahls angeordneter Lochblenden im Strahlengang des Plasmastrahls mit koaxial zur Plasmastrahlachse und zueinander angeordneten Öffnungen, deren Querschnitt etwa dem Querschnitt des Plasmastrahls entspricht,
c) einer zur Erzeugung eines elektrischen Feldes zwischen den Lochblenden vorgesehenen Gleichspannungsquelle, deren positiver Pol mit der der Plasmastrahlquelle zugewandten Lochblende verbunden ist und dieser ein der Energie der negativen Teilchen des Plasmastrahls angemessenes positives Potential erteilt, das ausreicht, die negativen Teilchen innerhalb des elektrischen Feldes zwischen den Lochblenden abzubremsen und zur positiven Lochblende zurückzuführen, während die positiven Teilchen durch dieses elektrische Feld beschleunigt durch die Öffnung der mit dem negativen Pol der Gleichspannungsquelle verbundenen anderen Lochblenden hindurchtreten. b) two perforated diaphragms arranged parallel to one another and perpendicular to the axis of the plasma jet in the beam path of the plasma jet with openings 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) a DC voltage source provided for generating an electric field between the apertured diaphragms, the positive pole of which is connected to the apertured diaphragm facing the plasma jet source and this gives a positive potential appropriate to the energy of the negative particles of the plasma jet, which is sufficient to remove the negative particles within the electric field to decelerate between the pinhole and return to the positive pinhole, while the positive particles accelerated by this electric field pass through the opening of the other pinhole connected to the negative pole of the DC voltage source.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform dieser Vorrichtung ist als Einrichtung zur Beschleunigung des Plasmastrahls ein elektromagnetischer Beschleuniger vorgesehen.In a preferred embodiment of this device is used as a device for acceleration An electromagnetic accelerator is provided for the plasma jet.

Außerdem läßt sich die 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 gericheten Magnetfeldes anordnet, dessen Stärke in Ausbreitungsrichtung des Plasmastrahls abnimmt. Dieses Magnetfeld dient dazu, dem größten Teil der negativen Teilchen des Plasmastrahls eine divergierende Bewegung aufzuprägen, auf Grund deren sie auf die vordere Lochblende aufprallen.In addition, the device can be developed in that there is between the device for acceleration of the plasma jet and the aperture diaphragms an additional device for generating a parallel arranged to the axis of the plasma jet directed magnetic field, its strength in the direction of propagation of the plasma jet decreases. This magnetic field serves to catch most of the negative particles to impress a diverging movement of the plasma jet, on the basis of which it is applied to the front perforated diaphragm bounce.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung und ihrer Vorteile soll nunmehr ein Ausführungsbeispiel für eine Vorrichtung nach der Erfindung näher beschrieben werden, das in der Zeichnung veranschaulicht ist. Dabei zeigt die einzige Figur der Zeichnung einen Schnitt durch die Vorrichtung entlang der Achse eines Teilchenstrahls, der aus einem von einem elektromagnetischen Beschleuniger gelieferten beschleunigten Plasma besteht.To further explain the invention and its advantages, an embodiment for a device according to the invention will be described in more detail, which is illustrated in the drawing. The only figure in the drawing shows a section through the device along the axis a particle beam accelerated from a beam supplied by an electromagnetic accelerator Plasma exists.

Die dargestellte Vorrichtung enthält einen Beschleuniger 1 zur Beschleunigung eines ionisierten Gases oder Plasmas. Der Beschleuniger liefert einen Plasmastrahl 2 von großer Energie. Der elektrisch,, im wesentlichen neutrale Plasmastrahl 2 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 X-X des Plasmastrahls 2. Die Bewegungsbahnen der Elektronen im Kern des Plasmastrahls 2 sind Schraubenlinien, während die sich von der Elektronenraumladung mitgenommenen positiven Ionen parallel zur Achse X-X des Plasmastrahls 2 bewegen. Die Energie des den Plasmastrahl 2 bildenden Teilchenstrorhs ist proportional der elektromagnetischen Leistung des Beschleunigers 1, die beispielsweise 300 W beträgt. Die Energie der positiven Ionen liegt dabei in der Größenordnung von 10² eV, die Gesamtzahl der pro Sekunde gelieferten Teilchen in der Größenordnung von 10¹⁹.The device shown contains an accelerator 1 for accelerating an ionized gas or plasma. The accelerator delivers a plasma jet 2 of great energy. The electrically, essentially neutral plasma beam 2 is composed of positive ions and electrons. The speed of the positive ions is roughly equal to the speed component of the electrons in the direction of the XX axis of the plasma jet 2. The trajectories of the electrons in the core of the plasma jet 2 are helical lines, while the positive ions carried along by the electron space charge move parallel to the XX axis of the plasma jet 2 . The energy of the particle stream forming the plasma jet 2 is proportional to the electromagnetic power of the accelerator 1, which is 300 W, for example. The energy of the positive ions is in the order of 10 ² eV, the total number of particles delivered per second in the order of 10 ¹⁹ .

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

Zwei parallel angeordnete Lochblenden 6 und 7, die an eine Gleichspannungsquelle 8 angeschlossenTwo perforated diaphragms 6 and 7 arranged in parallel and connected to a DC voltage source 8

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, the perforated diaphragm arranged between the perforated diaphragm 7 and the coil 3 is 6 is connected to the positive pole of the DC voltage source 8.

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 jchraubenlinienförmigen 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 w> 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 as 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 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 is reduced so that most of the electrons passing through the coil 3 do not pass through the opening 4 in the perforated diaphragm 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 Restelektrohen 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 even further. 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 contained in the plasma jet 2 Ions is already very large before they pass through the opening 4 in the aperture 6, has the electron space charge arising in the vicinity of this opening 4, which indicates the presence due to the numerous electrons captured by the pinhole 6, none 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 10~⁸ at 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 30mA/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 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 to limit a plasma. However, the device finds also an essential area of application for purposes of thermonuclear nuclear fusion.

Claims

Patent claims:

1. Device for generating a beam of positively charged ions of high energy by separating the ions from a plasma beam under the effect of electric fields, characterized by the combination of the following means:

a) a device (1) for accelerating a plasma jet (2);

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 (4,5) 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) one provided for generating an electric field between the apertured diaphragms DC voltage source (8), the positive pole of which faces that of the plasma jet source Pinhole (6) is connected and this one of the energy of the negative particles of the plasma jet given adequate positive potential that is sufficient for the to decelerate negative particles within the electric field between the pinhole diaphragms and returned to the positive pinhole (6), while the positive particles are accelerated by this electric field through the opening (5) of the connected to the negative pole of the DC voltage source pass through another perforated diaphragm (7).

2. Device according to claim 1, characterized in that that the device (1) for accelerating the plasma jet is an electromagnetic one Accelerator is.

3. Device according to claim 1 or 2, characterized by an additional device (3) to generate a parallel to AChSe (AT-JT) of the plasma jet (2) directed magnetic field between the device (1) for acceleration of the plasma jet and the pinhole diaphragms (6, 7), their strength in the direction of movement of the jet decreases.

1 sheet of drawings