DE1514097A1

DE1514097A1 - Ionisierungsvorrichtung fuer Gase

Info

Publication number: DE1514097A1
Application number: DE19651514097
Authority: DE
Inventors: Carr Barney Joe
Original assignee: Kaman Aircraft Corp
Current assignee: Kaman Aircraft Corp
Priority date: 1964-10-16
Filing date: 1965-10-15
Publication date: 1969-07-24
Also published as: GB1108997A

Description

NEUE UNTERLAGEN FÜR DIE OFFENLEGUNG

Be BjO h r_e_i_b_jüi_n__g

Ionisierungsvorrichtung für Gase

Die Erfindung befaßt sich mit einer Ionisierungsvorrichtung für Gase ohne Verwendung eines Magnetfeldes, mit einer ersten Elektrode, die einen einen Raum umfassenden Wandabsehnitt aufweist, mit einer zweiten, stabförmigen Elektrode, die in dem von der ersten Elektrode umfaßten Raum angeordnet ist, einer Kammer, die das Gas in dem Raum unter einem niedrigen Druck hält und mit einer an die Elektroden angeschlossenen Spannungsquelle, die die eine Elektrode in bezug auf die andere unter einer negativen Spannung hält, die höher ist als die Einsatzspannung der Ionenentladung. 9 0 9 8 3 ö / 0 4 7 6

Patentanwälte Dipl.-Ing. Martin Licht, Dipl.-Wirtsch.-Ing. Axel Hansmann, Dipl.-Phys. Sebastian Herrmann

Oppenauer Büro: PATENTANWALT DR. REINHOLD SCHMIDT Un-.erlagen (Art. 7 § 1 Abs, 2 Nr. 1 Sau 3 des Änderungsges. v. 4. 9

Ionisierungsvorrichtungen für Gase werden in verschiedenen Apparatetypen, beispielsweise Ionenbeschleunigern, Ionenantriebsvorrichtungen, Hochvakuumpumpen und Vakuunmeßgeräten verwendet. Die gegenwärtig zur Verfügung stehenden Vorrichtungen zur Ionisierung solcher Gase, die unter einem sehr niedrigen Druck stehen, weisen bezüglich der pro erzeugtes Ion aufgewendeten elektrischen Energie einen relativ geringen Wirkungsgrad auf. Die mit einem günstigeren Wirkungsgrad arbeitenden Ionisierungsvorrichtungen erfordern zur Herstellung der speziellen, für den normalen Betrieb benötigten Bedingungen eine aufwendige und unwirtschaftliche Hilfsausrüstung. Bei den gebräuchlichen Ionenerzeugern sind zur Einstellung solcher Bedingungen Hochfrequenzfelder, Magnetfelder und/oder Elektronenstrahlen oder andere geladene Teilchenstrahlen von elektrisch beheizten Glühfaden erforderlich.

Im Gegensatz zu den oben beschriebenen, gebräuchlichen Ionenerzeugern findet bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung weder ein Elektronen erzeugender Heizdraht, noch ein Magnet und auch keine Hochfrequenzstromquelle Verwendung. Bei der neuartigen Vorrichtung sind daher alle die Fehlerquellen ausgeschaltet, die bei der Verwendung solcher Einrichtungen auftreten.

Diese neuartige Vorrichtung zur Ionisierung von Gasen kennzeichnet sich erfindungsgemäß dadurch, daß die zweite, stabförmige Elektrode bezüglich der Achse des von der ersten Elektrode umfaßten Raumes exzentrisch angeordnet ist,

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daß die Querschnittsgröße der zweiten Elektrode sehr viel kleiner ist als die Querschnittsfläche innerhalb des Wandabschnitts der ersten Elektrode, daß die Länge der zweiten Elektrode kleiner ist als das Doppelte der Länge des von der ersten Elektrode umfaßten Raumes, und daß die zweite Elektrode von dem Wandabschnitt der ersten Elektrode über zwei Drittel ihrer Länge einen Abstand aufweist, der wesentlich größer ist als die Querschnittsabmessung der zweiten Elektrode.

Die exzentrische Anordnung der einen Elektrode in Bezug auf die andere ist im Vergleich zu den bisher vorgeschlagenen Ionisierungsvorrichtungen, bei denen die Elektroden im allgemeinen koaxial liegen und die äußere Elektrode in geometrischer Hinsicht einen Rotationskörper darstellt, besonders deshalb vorteilhaft, weil die Fläche, durch die die Ionen austreten können, nicht auf einen kleinen Bereich begrenzt ist, der sich unmittelbar rund um die Achse der Ionisierungsvorrichtung erstreckt, sondern einen sehr viel größeren Bereich einnehmen kann. Das hat zur Folge, daß eine Ionisierungsvorrichtung der erfindungsgemäßen Art drei-bis fünfmal soviel Ionen liefert, als die bekannten Ionisierungsvorrichtungen der gleichen Gesamtgröße, die mit konzentrischen Elektroden ausgerüstet sind.

In der folgenden Beschreibung und den Zeichnungen sind einige bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung beispielhalber dargestellt. In der Zeichnung sind:

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Fig. 1 ein Längsschnitt durch eine Ionenquelle bei Verwendung in einem Neutronengenerator,

Fig. 2 ein Querschnitt längs der Linie 2-2 in Figur i,

Fig. 3 eine schematische Ansicht zweier koaxial angeordneter, zylindrischer Elektroden zur Verdeutlichung der Betriebsweise der neuartigen Vorrichtung,

Fig. k eine schematische Ansicht der bei den koaxial angeordneten Elektroden ohne Endplatten auftretenden Kraftfelder und Equipotentiallinien,

Fig. 5 eine schematische Ansicht der gleichen Felder und Linien bei vorhandenen Endplatten,

Fig. 6 ein Diagramm, in dem die Ausgangsspannung als Funktion des Gasdruckes für mehrere Mittelöffnungen in einer Endplatte dargestellt ist,

Fig. 7 ein Diagramm, in dem die Ausgangsspannung der Entladung der in Figur 1 gezeigten Vorrichtung als Funktion des dort herrschenden Gasdruckes für verschiedene Größenverhältnisse der Elektroden dargestellt ist und

Fig. 8, 9 und 10 schematische Darstellungen der verschiedenen exzentrischen Formen, die die neuartige Vorrichtung aufweisen kann.

Figur 1 zeigt einen ganz allgemein mit 10 bezeichneten Generator, der eine innere Elektrode 12 in Form eines dünnen Drahtes, aufweist, die in geeigneter Weise durch den Leiter Ik an eine Spannungsquelle elektrisch angeschlossen ist. Der

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Leiter Ik erstreckt sich durch eine Hochspannungsisolation 16, die sich in einer kreisrunden Verschlußplatte 17 befindet und die eine Stirnwand der hohlen Kathode 18 darstellt. Der Durchmesser des Drahtes 12 ist viel geringer als der Innendurchmesser des kleinsten Wandabschnittes der Kathode 18. Obgleich der Draht vorzugsweise die Funktion einer Anode und die äußere Elektrode die Punktion'einer Kathode ausüben, besteht auch die Möglichkeit, die Vorrichtung so zu betreibenj daß die Elektroden entgegengesetzte Funktionen erfüllen, allerdings ist dafür dann eine sehr viel höhere Durchschlags- oder Ausgangsspannung notwendig.

Die Elektrode 12 ragt aus der Kathode 18 heraus und ist außen an eine Spannungsquelle angeschlossen, wie im folgenden beschrieben wird. Das dem Isolator 16 gegenüberliegende Ende der Kathode weist einen leitenden Schirm oder ein Gitter 20 auf, das aus mit Abstand voneinander angeordneten Drähten besteht. In einiger Entfernung von dem Gitter 20 ist eineAuftreffelektrode 22 angeordnet, die mit einem isolierenden, gasdichten Mantel 2k in dichter Verbindung steht. Der Mantel 24 weist bei 26 auch mit der Kathode eine dichte Verbindung auf. Beim Einsatz der Vorrichtung wird die Anordnung zunächst weitgehend evakuiert und dann mit Hilfe der Gasquelle 28 mit einem unter sehr niedrigem Druck stehenden Gas wieder gefüllt.

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An die Elektrode der Vorrichtung ist eine geeignete Hochspannungsquelle 30 bekannter"Art angeschlossen, und zwar der positive Pol 32 an die Anode i2 und der negative Pol 34 an die Kathode 18. Die Auftreffelektrode 22 steht mit dem negativen Pol 36 in Verbindung, der diese Elektrode unter eine höhere negative Spannung setzt als die Kathode

Die eigentliche Ionisierungsvorrichtung besteht aus der Anode 12 und der wandartigen Kathode 18, zusammen mit deren Stirnwänden, einschließlich des Gitters 20. Der Raum zwischen dem Gitter oder Schirm 20 und der Auftreffelektrode 22 ist ein Antriebsraum, in dem die in der Ionisierungsvorrichtung erzeugten Ionen zur Vergrößerung ihrer Energie beschleunigt werden, bevor sie auf die Elektrode 22 auftreffen. Bei Verwendung der in Figur 1 gezeigten Vorrichtung findet ein Durchschlag und eine sich selbst erhaltende Ionenerzeugung statt, die eine Glimmentladung bewirkt, sobald die zwischen der Anode und der Kathode bestehende Spannung genau so groß ist wie die bei dem gewählten Druck innerhalb des Ionenerzeugers benötigte Einsatzspannung. Wenn beispielsweise der Ionenerzeuger mit Deuterium gefüllt ist, und die Auftreffelektrode 22 mit Tritium beladen ist oder Tritium enthält, so werden die erzeugten Deuterium-Ionen in Richtung auf die Elektrode 22 beschleunigt, treffen auf diese auf und setzen Neutronen frei. Selbstverständlich kann auch sowohl in der Auftreffelektrode als auch dem Ionenerzeuger Deuterium verwendet werden, wie auch andere Kombinationen des Auftreff-

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elektrodenmaterials und der Gasfüllung möglich sind, einschließlich der Verwendung von Tritium im Ionenerzeuger und Deuterium als Beladung der Auftreffelektrode.

Im folgenden wird erläutert, in welcher Weise die neuartige Vorrichtung betrieben werden muß, damit bei solch niedrigen Drücken und mit solch relativ geringen Einsatzspannungen die Entladung erfolgt. Zur Vereinfachung der Beschreibung wird auf Figur 3 Bezug genommen, bei der eine äußere Kathode von einem hohlen, vollständig runden Zylinder C und eine innere Anode von einem vollständig runden, zylindrischen Körper A gebildet werden. Obgleich bei dieser Betrachtung zum Zwecke der Erläuterung vorausgesetzt wird, daß die zylindrischen Körper der Anode und der Kathode vollständig kreisrund sind, läßt sich die neuartige Vorrichtung selbstverständlich auch dann betreiben, wenn die Elektroden andere Formen besitzen. Im Gegensatz zu den bekannten Vorrichtungen dieser Art, bei denen zur Erreichung eines guten Wirkungsgrades die Kathode die Gestalt eines Rotationskörpers haben muß und bei denen die Anode ein relativ dünner Stab sein muß, der in der Nähe der Kathodenachse liegt und sich zu dieser parallel erstreckt, wie dies in den Figuren 8 und 9 gezeigt ist, wurde gefunden, daß der neuartige Ionenerzeuger in vorteilhafter Weise arbeitet, wenn seine Anode A innerhalb der Kathode C exzentrisch angeordnet ist, die kein Rotationskörper zu sein braucht, wenn bestimmte Bedingungen erfüllt

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sind. Diese Bedingungen bestehen darin, daß die Länge la der Anorde A kleiner ist als die doppelte Länge Ic der Kathodenkammer C und daß der Abstand d zwischen der Anode und der Kathodenwand größer ist als der Durchmesser der Anode A, d.h. also d> dw, und daß ferner der Abstand d zwischen der Anode und der Kathode nicht geringer ist als 2/3 der Länge ia der Anode. Voraussetzung für diese Bedingungen ist jedoch, daß ein Zylinder mit einheitlicher, kreisrunder Form Verwendung findet. Die Bewegungsgleichungen unter Verwendung zylindrischer Koordinaten r, θ, ζ in einem elektrischen Feld, das durch eine Potentialfunktion V (r, Θ, z) dargestellt wird, lauten:

m d²r - mr (d»²) = - e ^V_ (l)

dt^{2 dt ά Γ}

dt~ (^mr ~dt) ⁼ ~ ^e Τθ" (2)

d²z _a 6 V
—ö = - ^e TT
dt^{2 6 z}

Bei der Anordnung nach Figur 3 ist das Feld offensichtlich symmetrisch, und es wird angenommen, daß die Kathode bezüglich der Anode eine negative Gleichstromspannung aufweist, so daß die Elektronen durch die elektrischen Kräfte nach innen gezogen werden. Wird die z-Koordinatenachse in die

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■■-. .1.5-HÖ97

— Q _

Elektrodenachse gelegt, so ist das Potential V wegen der angenommenen Symmetrie der Elektrode unabhängig von -Θ- . Demzufolge kann die oben aufgeführte Gleichung (2) integriert werden, und man erhält die Grundgleichung:

in derP eine Konstante der Bewegung darstellt und unter Verwendung der ursprünglichen Bedingungen wie folgt ausgedrückt werden kann:

P _ _mr2 (M) (z)

' ' *'■ ~ ^mro dt V'--

Mit Hilfe der Gleichung (4) läßt sich der Ausdruck -ττ— aus der Gleichung (l) eliminieren, und man erhält:

^d2r - ^p ■ -* ^v -O- -^V + eV(r,z)\ (6)

+ eV(r, z)\

Die Gleichungen (3) und (6) genügen zur Bestimmung von r.-(t) und ζ (t) mit Hilfe der ursprünglichen Bedingungen, und sobald r (t) bekannt ist, kann durch Integration nach der Zelt aus der Gleichung (5) θ (t) erhalten werden. Für den vorliegenden Zweck sind jedoch keine einzelnen Bahnbestimmungen erforderlich. Die gewünschten Angaben lassen sich auch durch partielle Integration der Gleichungen (3) und (6) gewinnen, die die folgende Gleichung liefert:

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E =

^dz

dt

(r,z)

(7)

In dieser Gleichung ist E eine Konstante der Bewegung und läßt sich unter Verwendung der ursprünglichen Bedingungen in der folgenden Form schreiben:

dr

dt

rdZ

dt

2mr

eV (r_o,z_o) (8)

In dieser Gleichung bezeichnet der Index ο die Anfangsbedingungen.

Bei der Betrachtung der Gleichungen (3) und (6) erkennt man, daß die Bewegung in der r, ζ -Ebene durch ein wirkendes Potential VT (r,z) bestimmt ist, das wie folgt definiert ist:

W(r,z) =

2mr

+ eV(r,z)

(9)

¥ ist tatsächlich eine potentielle Energie, in der rz-Ebene, während der andere Teil von Gleichung (&) die kinetische Energie in dieser Ebene darstellt.

Es ist offensichtlich, daß die Bewegung nicht in irgendeinem Teil der rz-Ebene stattfinden kann, in dem die kinetische Energie negativ ist. Mit anderen Worten, die Punkte r,z sind nur erreichbar, wenn E'^ (gleich, oder größer als) W (r, z) (lO)

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Aus dem Vorhergehenden folgt aber auch, daß jeder Punkt unerreichbar ist, wenn

W(r, z) ^ E (Ii)

Wird der Radius der Anode mit a_ angenommen, so ist die allgemeine Bedingung dafür, daß die Anode unerreichbar ist :

^P > E (12)

2
2ma

(Es wurde angenommen, daß das elektrostatische Potential V an der Anode Null ist. Diese Annahme gilt solange, wie nur zylindrische Anoden betrachtet werden und daher V =0 bei r = a ist).

Das Potential V (r) für eine lange, zylindrische Kathode, wie sie in Figur 3 gezeigt ist, beträgt, da die ζ-Abhängigkeit von V vernachläßigt werden kann: >(r) = V(b) (in -fr¹.' in § (13)

Dabei ist a der Anoden- und b der Kathoden-Radius und V(b) das Potential der Kathode gegenüber der Anode.

Die Punktion W(r)kann zeichnerisch dargestellt werden, und es ergibt sich, daß sie bei einem Radius r ein Minimum hat, wenn P nicht gleich Null ist. Wenn dieser Radius zwischen der äußeren Oberfläche der Anode und der

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inneren Oberfläche der Kathode liegt, existiert eine Reihe von Ε-Werten, bei denen jedes in dem Raum zwischen der Anode und der Kathode befindliche Elektron nicht die Kathode erreichen kann. Diese Werte werden durch die folgende Gleichung bestimmt:

P²

W (r ) ^ E<¥(b) = + i-—₂ + eV(b) ^m

Außerdem ist eine Reihe von Ε-Werten vorhanden, bei deraera die Teilchen nicht die Anode erreichen können. Diese Werte werden durch die folgende Gleichung beschrieben:

,2

W(r_B) ^ E<W(a) = + ^P

2ma

Wenn die beiden Ungleichungen (14) und (15) erfüllt sind, kann das Elektron keine der beiden Elektroden erreichen und ist dann auf einer Kreisbahn eingefangen· Derjenige Bereich der rz-Ebene, für den die durch die Gleichung gegebene, für die Erreichbarkeit der Elektroden notwendige Bedingung zutrifft, wird "erlaubte Zone" genannt.

Die Anwendung der oben genannten Gleichungen und die daraus zu ziehenden Schlußfolgerungen bezüglich der Deutung des augenblicklichen Betriebszustandes der neuartigen Vorrichtung läßt sich durchführen, wenn man ein Elektron betrachtet, das beispielsweise durch Ionisierung an einer in Figur 3 bezeichneten Stelle Q freigegeben wird und die⁷

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anfänglichen r- und z-Lagen r und ζ besitzt und eine Anfangsgeschwindigkeit v_Q unter einem WinkeIcC relativ zur rz-Ebene aufweist. Unter diesen Bedingungen ist

P = mr v„sinoc oo

E = |mv² _o ■+ eV (_V

(16)

(17)

Die Substitution dieser Gleichungen in der Ungleiohung (12) ergibt die folgende Gleichung:

sinoi. > since. . = tr

C i

eV(r_o,z_o)

i 2 Έ ^mv ο

+ 1

1/2

(18)

In dieser Gleichung ist der Winkel oc der kritische Emissionswinkel eines Elektrons bezüglich der r,z-Ebene, bei dessen Überschreitung das Elektron nicht auf die Anode trifft. Wenn angenommen wird, daß die Elektroden lang sind und einheitliche Kreiszylinder darstellen, kann die z-Abhängigkeit von V im ganzen Raum vernachlässigt werden, so daß V durch die Gleichung (13) gegeben ist. Setzt man diesen Wert in die Gleichung (18) ein und geht man von der Voraussetzung aus, daß die in dem Baum zwischen den Elektroden erzeugten typischen Sekundär-Elektronen eine

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Anfangsenergie von l/2 mv = 10 eV haben, wobei V(b) zu 1000 Volt gewählt wird und das Verhältnis des Kathoden radius zum Anodenradius b/a = 1000 sein soll, so ergeben sich für verschiedene Abstände zwischen der Anode und der Kathode die folgenden Werte fUr ot .

Tabelle

r„ sin oC oc

0 c c

10 0.577 35°

20 0.329 19°

50 0.151 9°

100 0.082 5°

200 0.044 3°

500 0.0193 1°

1000 0.010 35'

Die Überprüfung dieser kritischen Winkel zusammen mit einer entsprechenden Tabelle kritischer Winkel für die Unerreichbarkeit der Kathode, der die Gleichung (14) zu Grunde liegt, läßt erkennen, daß durch Ionisation entstehende 10 eV Sekundärelektronen, die über 90% des Raumes zwischen der Anode und der Kathode ausgesendet werden, in mindestens 90% der Ionisierungsfälle radial eingefangen werden, voraus-

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gesetzt, daß die anfänglichen Bewegungsrichtungen willkürlich sind. Sind die Sekundärelektronen auf diese Weise radial eingefangen, so bewegen sich die Elektronen auf Kreisbahnen üb die Anode und legen dabei außerordentlich lange Wege zurück, Ms sie durch Zusammenstoß mit Gasmol ekiilen abgelenkt werden. Durch einen solchen Zusammenstoß wird das Primärelektron oft nur in eine andere Kreisbahn abgelenkt, während das aus einem Ionisierungsvorgang entstehende Sekundärelektron eine radial eingefangene Kreisbahn einnimmt. Sobald ein einzelnes Elektron eine große Anzahl von Ionisationen auslöst, ergibt dies einen Kaskadenprozeß, da die ausgelösten Ionisationen ihrerseits eine noch größere Anzahl von Ionisierungsvorgängen bewirken, wodurch ein Durchbruch oder eine Entladung erfolgt. Diese Art von Kaskadenprozeß wird "Orbitalkaskade" genannt. Es wurde gefunden, daß sich das mathematische Bestimmungsverfahren in fast der gleichen Weise auch auf die Anordnung anwenden läßt, bei der die Anode exzentrisch angeordnet ist.

Die meisten der durch das Bombardement der Kathode durch positive Ionen entstehenden Elektronen fliegen einmal auf einer Kreisbahn um die Anode herum und kehren dann zur Kathode zurück, wodurch der Stromabfluß in der Vorrichtung vermindert und ihr Wirkungsgrad gesteigert wird.

Die Wahrscheinlichkeit dafür, daß der Einfangseffekt eintritt und die daraus entstehende Vergrößerung der Ionisierungswahrscheinlichkeit, wird - wie festgestellt wurde -

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durch Veränderung des Abmessungsverhältnisses der Kathode zur Anode unmittelbar betroffen. Wenn in derselben Gleichung (18) ein b/a Verhältnis von 100 verwendet und eine Tabelle, ähnlich der Tabelle I, abgeleitet würde, so würde deutlich werden, daß die kritischen Winkel sehr viel größer sind als aus der Tabelle hervorgeht. Man würde jedoch auch erkennen, daß bei einem solchen Verhältnis ein radialer Einfang erfolgt; wenn aber das Verhältnis auf einen noch kleineren Wert reduziert würde, dann müßte man damit rechnen, daß die Wahrscheinlichkeit einer Verstärkung der Ionisierung durch den Einfangseffekt sehr schnell abnimmt.

Aus Figur 4 ist zu entnehmen, daß das elektrische Kraftfeld die die Anode auf Kreisbahnen umfliegenden Elektronen durch das Ende der Kathode hinausdrückt, wenn die Kathode an ihren axialen Enden geöffnet ist. Im Gegensatz dazu haben die vergleichbaren Kraftvektoren bei den in Figur 5 vorhandenen, eine axiale Begrenzung bildenden Endplatten das Bestreben, diejenigen Elektronen, die sich den axialen Enden der Kathode genähert haben, in Richtung auf die Raummitte innerhalb der Kathode zurückzudrängen. Diese Wirkung wird durch die Endplatten erreicht, die Teile der Kathode bilden und mit dieser verbunden sind. In diesen Platten befinden sich Öffnungen, die beispielsweise dazu verwendet werden können, den Anodendraht zu begrenzen und mit ihm eine Verbindung mit einer außerhalb der Kathode befindlichen Spannungsquelle herzustellen.

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Diese Öffnungen können aber auch dafür benutzt werden, um die innerhalb der Kathode durch die Ionisierung freigesetzten positiven Ionen aus dem Raum herauszudrücken, so daß sie außerhalb verwendet werden können. Die Größe dieser Öffnungen ist, wie gefunden wurde, für den Betrieb der neuartigen Vorrichtung von großer Bedeutung. Je größer nämlich die Öffnung ist, desto kleiner ist die Wirkung der Kräfte, die die sich auf Kreisbahnen bewegenden Elektronen am Verlassen des Kathodenraumes hindern, was zur Folge hat, daß die Wahrscheinlichkeit dafür, daß solche Elektronen eine Ionisierung bewirken, sehr stark zurückgeht. Aus Figur 6 geht dieser Effekt hervor, wobei die Einsatzspannung, bei der die Entladung erfolgt, als Funktion des in mm Hg gemessenen Gasdrucks für verschiedene Öffnungsdurchmesser in den Stirnwänden zeichnerisch dargestellt ist. Man erkennt, daß die Kurven A, B und C, entsprechend l/8, l/h und 3/8 des Kathodendurchmessers, im allgemeinen die gleiche Form aufweisen, wobei die Einsatzspannung allmählich ansteigt, sobald die Öffnungsgröße zunimmt. Die Kurve D jedoch, der eine Öffnung zu Grunde liegt, die nur i/2 so groß wie der Kathodendurchmesser ist, zeigt einen gänzlich verschiedenen Verlauf, aus dem hervorgeht, daß in diesem Fall eine sehr viel höhere Einsatzspannung zur Auslösung der Entladung erforderlich ist. Aus der Lage der Kurve E ist zu entnehmen, daß die Wirkung weitaus ungünstiger ist, wenn überhaupt keine Stirnwände verwendet werden. Ein Vergleich dieser

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Kurven ergibt, daß jede aus dem Kathodenraum führende Öffnung vorzugsweise nicht größer sein soll als das l/2-fache der Querschnittsfläche, die von der zylindrischen Kathodenwand gebildet wird.

Wie jedoch aus Obigem hervorgeht, läßt sich die nachteilige Wirkung jeder größeren Öffnung durch Verwendung einer Hilfselektrode, die an dieselbe Spannungsquelle oder an eine solche mit einem noch negativeren Potential als die Kathode angeschlossen und außerhalb einer solchen Öffnung angeordnet ist, wenigstens teilweise kompensieren» So kann beispielsweise bei der Ausfiihrungsform, bei der die Auftreffelektrode 22 bezüglich des Gitters 20 negativ geladen ist, das Gitter entfernt werden und damit die Elektrode 18 eine vollständig geöffnete Stirnseite erhalten. In diesem Fall würde dann die Auftreffelektrode dazu dienen, anstelle des Gitters die kreisenden Elektronen in das Innere der Elektrode 18 zu drängen.

Die in Figur 7 dargestellten Kurven sind als "Paschen-Kurven" bekannt und stellen den funktioneilen Zusammenhang zwischen der Einsatzspannung der Gasentladung und dem innerhalb der Elektrode herrschenden Gasdruck dar. Die gezeigten Kurven beziehen sich auf eine Ionisierungsvorrichtung mit einer zylindrischen Kathode, deren Innendurchmesser 4,7 cm und deren Länge 5»! cm betragen. Die die Elektrode verschließenden Stirnwände sind mit mittig angeordneten Löchern von 0,6j5 cm Durchmesser versehen. Als

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Entladungsgas wurde in diesem Fall Deuterium verwendet.

Der mit den Paschen-Kurven für andere Elektrodenformen vertraute Fachmann wird sofort erkennen, wenn er den Bereich der dargestellten Einsatzspannungen betrachtet, daß die Kurven in einer Zone sehr viel niedrigeren Druckes liegen als diejenigen, die gewöhnlich und insbesondere mit einer Elektrodenanordnung aus parallelen Platten vergleichbare ,Abmessungen erhalten werden. Das heißt, bei der neuartigen Vorrichtung ist eine Entladung bei den üblichen Potentialen von etwa 2000 Volt oder weniger möglich, hierfür sind jedoch sehr viel niedrigere Drücke erforderlich als bei anderen Elektrodenanordnungen und -formen. Der außerordentlich geringe Betriebsdruck ist ein wesentliches Merkmal der erfindungsgemäßen Vorrichtung, da er den gerätetechnischen Zusammenbau der Ionenquelle mit dem Strömungsraum eines Ionenbeschleunigers ermöglicht, der bei demselben niedrigen Druck arbeitet, ohne daß dabei ein wesentlicher Energieverlust des Ionenstrahls infolge des einen Ladungsaustausch bewirkenden Zusammenstosses der Ionen von der Ionenquelle mit den Gasmolekülen im Strömungsraum eintritt. _r .

Die Voraussetzung, die erfüllt sein muß, damit durch diese in dem Strömungs- oder auch Abtriebsraum erfolgenden Zusammenstöße die Wirkungsweise eines Neutronen erzeugenden Besehleunigers nicht wesentlich vermindert wird, ist die, daß das Produkt ps, bei dem ρ den im Beschleunigungsraum herrschenden Gasdruck in mm Hg und s die Länge des Abtriebsraumes in cm darstellen, Weiner als Vx 10 ist.

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Andererseits nuß die Abtriebsraumlänge s größer als 2 cm sein, damit verhindert wird, daß bei hohen Potentialen (100 bis 200 KY) des Abtriebsraumes, die für eine optimale Neutronenausbeute benötigt werden, quer durch den Abtriebsraum eine unechte, das Vakuum durchschlagende Funkenbildung entsteht· Die obige Bedingung bezüglich des Produktes ps kann jedoch nur erfüllt werden, wenn ρ kleiner als 2 χ 10~⁵ mm Hg ist. Ia Gegensatz zu den meisten bekannten lonisierungsvorrichtungen arbeitet der hier beschriebene Ionenerzeuger bei diesem Druck nicht nur schnell sondern auch bei einem viel tieferen Druck, ohne daß dabei Schwierigkeiten auftreten. Demzufolge läßt sich bei Verwendung der neuartigen Ionisierungsvorrichtung diese Vorrichtung mit einem Neutronen erzeugenden Beschleuniger maximalen Wirkungsgrades kombinieren, ohne daß eine Gaspumpe eingebaut werden muß, die zwischen dem Ionenerzeuger und dem Abtriebsraum eine Druckdifferenz herstellt.

Obgleich eine vergleichbare Betriebsweise auch durch Verwendung einer Ionenquelle des Penning Typs (es wird dabei eine kalte Kathodenentladung durch Einsatz eines Magnetfeldes bewirkt) erreicht werden kann, erfordert diese Art Quelle jedoch die Anwendung eines Magnetes. Bei der hier beschriebenen Vorrichtung sind keine Magnete notwendig, so daß ein beträchtlicher Fortschritt erzielt wird, insbesondere dann, wenn ein System minimaler Größe, geringsten Gewichts und niedriger Kosten gewünscht wird.

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Aus den Kurven in Figur 7 ist auch die Auswirkung einer Durchinesserveränderung der Anode zu entnehmen, wenn für die Kathode Größe und Form, wie angegeben, beibehalten werden. Die mit a bezeichnete Kurve wurde mit einer Vorrichtung gewonnen, die mit einer Drahtanode von 0,0254 mm Durchmesser ausgerüstet war. Die Kurve b veranschaulicht die Wirkung, die eine Vergrößerung des Anodendurchmessers auf 0,127 mm mit sich bringt. Die Kurven a und b gleichen sich dahingehend, daß ihre Einsatzspannung über einen beträchtlichen Druckbereich nur geringfügig variiert. Vird jedoch der Anodendurchmesser auf 0,508 mm vergrößert, so ist die Einsatzspannung bei dem geringsten Druck etwa achtmal so groß wie die Einsatzspannung bei dem entsprechenden Druck, bei der eine Entladung mit der 0,025^ dicken Anode erzielt wird. Dieses Ergebnis ist der Kurve c zu entnehmen. Bei der Aufstellung dieser Kurve war es unmöglich, eine Entladung bei Drücken zu erreichen, die unter dem in der Kurve gezeigten Druckminimum lagen.

Die mathematische Schlußfolgerung für das Ansteigen des Druckminimums, bei dem noch eine Entladung erzielt werden kann, wenn die Größe der Anode bezüglich derjenigen der Kathode wächst, läßt sich aus den oben genannten Gleichungen ableiten. Die physikalische Erklärung für das auftretende Phänomen ist die, daß die Anode die kreisenden Elektronen in früheren Abschnitten ihrer Kreisbahnen abfängt, wenn sich der Anodendurchmesser vergrößert. Der gesamte von dem einzelnen Elektron zurückgelegte Weg wird dadurch verkürzt

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und die Wahrscheinlichkeit eines Zusammenstosses mit einem Gasmolekül entsprechend verringert. Deshalb ist bei einen gegebenen Potential ein höherer Druck erforderlich, um die Anzahl der vorhandenen Gasmoleküle zu vergrößern und damit die Wahrscheinlichkeit für einen die Ionisierung bewirkenden Zusammenstoß zu steigern, durch die das Einsetzen der Entladung damit ebenfalls in stärkerem Maße auftreten kann. Der Orbitalkaskadenprozeß in der erfindungsgemäßen Ionisierungsvorrichtung wird sehr stark gehemmt, wenn der Drahtdurchmesser der Anode größer ist als ein Hundertstel des Durchmessers der zylindrischen Kathode. Allerdings gibt es Fälle, in denen durchaus ein Drahtdurchmesser von etwa einem Zehntel des Kathodendurchmessers verwendet werden kann. Ein solcher Fall ist beispielsweise dann gegeben, wenn eine sehr hohe Ionenausbeute gewünscht wird, und der Energiewirkungsgrad von zweitrangiger Bedeutung ist. Aber auchin einem solchen Fall gehen die oben beschriebenen Wirkungen der Orbitalkaskade keinesfalls verloren.

Aus der oben durchgeführten mathematischen Analyse ergibt sich, daß der verlängerte Weg des Elektrons, der in dem Elektronenkreisbahnphänomen in Verbindung mit der Anode begründet ist, die Wahrscheinlichkeit dafür, daß ein Elektron einen eine Ionisierung bewirkenden Zusammenstoß mit einem Gasmolekül erleidet, wesentlich vergrößert. Dieses Merkmal ermöglicht, daß sich die Entladung in dem erfindungsgemäßen Ionenerzeuger bei Drücken selbständig

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- ; - 23 - ■.-■■.

aufrechterhält, die so niedrig sind, daß die freie Weglänge der Elektronen in der Ionisierungsvorrichtung mehrere Hundert mal so groß ist wie der Abstand zwischen den Elektroden. Selbstverständlich hängt bei der Ionisierung die freie Weglänge der Elektronen sowohl von der Elektronenenergie als auch von dem Gasdruck ab; daher betreffen die sich auf die freie Weglänge, die Größe der Kathode und den Druck beziehenden Merkmale Elektronen mit einer Energie von 100 eV.

Für den Fall einer Kathode in Fora eines Rotationskörpers mit einem koaxial angeordneten Anodendraht ist der erlaubte radiale Bewegungsbereich durch die Anfangsbedingungen festgelegt. Sobald der erlaubte Bereich den Draht und die Kathode ausschließt, stellt sich eine Undefinierte periodische Schwingung ein, die solange von keiner Elektrode abgefangen werden kann, bis eine Zerstreuung zwischen dem Elektron und einem Gasmolekül den erlaubten Bereich verändert. Wenn der erlaubte Bereich den Draht ausschließt, wie dies bei den meisten von der Kathode kommenden Sekundär-Elektronen der Fall ist, andererseits aber einen ITeil Kathode umfaßt, wie dies bei allen von der Kathode kommenden Sekundärelektronen zutrifft, dann stoßt das Elektron niemals auf die Anode, ohne wenigste· ns mit einem Gasmolekül eine Zerstreuung bewirkt zu haben. Bis eine solche Zerstreuung jedoch auftritt, nimmt die Kathode weiter Energie auf. Wenn die Kathode ein unendlich

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- 2k -

langer Zylinder ist, dann kehren die nicht zerstrahlten Sekundärelektronen von der Kathode immer wieder zur Kathode zurück, nachdem sie eine Schwingung um den Anodendraht ausgeführt haben, bis sie mit dem letzteren in Berührung kommen. Sind die Enden bzw. Stirnseiten einer zylindrischen Kathode endlicher Länge mit Öffnungsplatten verschlossen, dann kehrt das Elektron immer zur Kathode zurück, wenn es nicht zerstrahlt, in vielen Fällen können jedoch mehrere radiale Schwingungen auftreten, bevor eine solche Rückkehr stattfindet. Dieser Effekt trägt ebenfalls zur Vergrößerung der Wahrscheinlichkeit bei, daß während der Bewegung eines solchen Elektrons eine Ionisierung erfolgt.

Bei der oben beschriebenen bevorzugten Ausführungsform ist die Kathode ein hohler Zylinder, der an seinem Ende verschlossen ist, um dadurch einen Verlust an Elektronen zu vermeiden, wobei die Anode exzentrisch in dem Zylinder angeordnet ist. Die Lage der Anode ist damit so gewählt, daß die Anode möglichst wenig Elektronen einfängt. Im Gegensatz zu den bekannten Vorstellungen der Fachwelt braucht die Anode nicht nahe an der Achse der Kathode und parallel zu dieser zu liegen, damit dieses Merkmal erfüllt wird. Auch braucht das zwischen der Anode und der Kathode vorhandene elektrische Feld nicht symmetrisch aufgebaut zu sein, um eine ausreichende Bewegung der Elektronen auf Kreisbahnen zu bewirken. Des weiteren werden auch mit einer Kathode, die kein Rotationskörper ist, selbst unsymmetrisch

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sein kann, die verbesserten Ergebnisse erzielt. Als Anode, wird vorteilhafterweise ein Körper gewählt, der so klein wie möglich ist, wobei zwischen dem größeren Durchmesser der Kathodenwand und der Dicke der Anode ein möglichst großes Zahlenverhältnis besteht. Ia Normalfall wird deshalb der dünnste Draht, der bei der erforderlichen Spannung und Dauer der Ionenerzeugung nicht schmilzt, als Anode verwendet.

Selbstverständlich kann die innere Elektrode 12 der bevorzugten Ausführungsform von einem kleinen Isolator getragen werden, der auf der Kathode 18 oder dem Gitter 13 befestigt ist und dadurch eine mechanische Stabilität aufweist. Ebenso ist es möglich, eine lonisierungsvorrichtung herzustellen, die mit einer Reihe hintereinandergeschalteter, exzentrisch innerhalb einer Kathode angeordneter Anoden ausgerüstet ist, ohne Schwierigkeiten hinsichtlich der Halterungseinrichtung herzustellen. Eine solche Zick—Zack-Anodenanordnung ist schematisch in Figur 10 gezeigt, wobei nur die Kathode 18a und die Anode 12a dargestellt sind und die Anode 12a von den Isolatoren 38 getragen wird, die längs der Kathode mit Abstand nebeneinander angeordnet sind. Natürlich müssen auch die anderen Bedingungen erfüllt sein, die sich auf die Länge der Anode bezüglich der Länge der sie umgebenden Kathodenkammer und die Entfernung der Anode von der Kathode unter Berücksichtigung des Anodendurchmessers beziehen, wobei diese Entfernung nicht weniger als 2/3 der Länge der Kathodenkammer betragen soll.

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Die Vorteile des Erfindungsgegenstandes werden as besten dann erreicht, wenn die Abmessungen des Ionenerzeugers und der Druck des in ihm befindlichen Gases so gewählt werden, daß das Produkt pr kleiner ist als die Größe x, wobei χ =: 0,1 ist, wenn als Gas Wasserstoff oder eines seiner Isotope Verwendung findet, und wobei der Druck (p) in mm Hg und der größte Abstand der Kathode (r) in cm gemessen werden. Diese Bedingung entspricht etwa dem Merkmal, daß die freie Weglänge der Elektronen von 100 eV bei der Ionisation größer als der größte Durchmesser der Kathode sein soll. Die Größe χ in der obigen Beziehung verändert sich mit einem Faktor, dessen Maximalwert bei etwa 13 liegt, in Abhängigkeit von der Art des Gases, wenn andere Gase als Wasserstoff und dessen Isotope verwendet werden.

Dem Fachmann wird einleuchten, daß die mit der hier beschriebenen Vorrichtung erzielbare Entladung nicht derjenigen entspricht, die mit dem bekannten Townsend-Typ erreicht wird, da die bekannte Entladung einen Gasdruck erfordert, der viel größer ist als derjenige, mit dem die neuartige Vorrichtung betrieben werden kann.

Die neuartige Vorrichtung läßt sich in vorteilhafter

hoch
Weise z.B. in einer Ultrafvakuumpumpe, einem Vakuummeßgerät oder in einer lonenantriebsmaschine, sowie in dem im einzelnen beschriebenen Neutronengenerator anwenden.

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Bei der Verwendung als Pumpe arbeitet die neuartige Vorrichtung in ähnlicher Weise wie die bekannte Varian Vac—Ionen-Pumpe, allerdings ohne des in einer solchen Pumpe benötigten magnetischen Feldes. Mit anderen Worten, die beschriebene Vorrichtung könnte zur Senkung des Druckes in einem geschlossenen Raum auf einen extrem niedrigen Wert eingesetzt werden, indem solche Erscheinungen, wie Kathodenzerstäubung, Gasbindung und dergl. zur Wirkung . kommen. Versuche haben gezeigt, daß eine Vakuumpumpe, in der die neuartige Vorrichtung angewendet wird, einen Raum von einem Anfangsdruck von 0,01 mm Hg auf einen Enddruck von 0,0001 mm Hg auspumpen kann.

Bei der Verwendung als Vakuummeßgerät würde die Arbeitsweise der hier beschriebenen Vorrichtung auf der Abhängigkeit des Gasdruckes von der Stromspannungscharakteristik der Glimmentladung beruhen, wobei die zwischen den Elektroden herrschende Spannung oder der zwischen ihnen fließende Strom als Indikator für den Druck benutzt werden kann.

Die beschriebene Vorrichtung läßt sieh auch zur Ausführung anderer Funktionen einsetzen, bei denen ein Gas als Ionenquelle dienen soll. Solche Anwendungsmöglichkeiten sind dem Fachmann geläufig, der mit der Gaselektronik und den Grundlagen des Gebietes, in das die beschriebene Vorrichtung fällt, vertraut ist.

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Claims

PATENTANWÄLTE DipUng. M A RTI N LICHT PATENTANWÄLTE LICHT, HANSMANN, HERRMANN Dr. R E I N H O L D S C H M I D T •M°NCHENS-IHE"S11!NT5T43097 MpUVfthdUne.-AXEI.HANSMAN N Dipl.-Phys. SEBASTIAN HERRMANN ZB P 15 14 097.3 Mönchen, den 21. Oktober I968 (K 57 ^08 VIIIc/21g)lhrZeichen UnterZ.tchen Karaan Aircraft Corp. Ke/Wö (Für den Druck der Offenlegungsschrift bestimmt) Patentansprüche

1. Ionisierungsvorrichtung für Gase ohne Verwendung eines Magnetfeldes, mit einer ersten Elektrode, die einen einen Raum umfassenden Wandabsehnitt aufweist, mit einer zweiten, stabförmigen Elektrode, die in dem von der ersten Elektrode umfaßten Raum angeordnet ist, einer Kammer, die das Gas in dem Raum unter einem niedrigen Druck hält und mit einer an die Elektroden angeschlossenen Spannungsquelle, die die eine Elektrode in bezug auf die andere unter einer negativen Spannung hält, die höher ist als die Einsatzspannung

daß

der Ionenentladung, dadurch gekennzeichnet ,/die zweite, stabförmige Elektrode (12) bezüglich der Achse des von der ersten Elektrode (18) umfaßten Raumes exzentrisch angeordnet ist, daß die Querschnittsgröße der zweiten Elektrode (12) sehr viel kleiner ist als die Querschnittsfläche innerhalb des Wandabschnitts der ersten Elektrode (18), daß die Länge der zweiten Elektrode (12) kleiner ist als das Doppelte der Lange des von der ersten Elektrode (l8) umfaßten Raumes, und

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Patentanwälte Dipl.-Ing. Martin Licht, Dipl.-Wirtsch.-lng. Axel Hansmann, Dipl.-Phys. Sebastian Herrmann

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Oppenauer Büro: PATENTANWALT OR. REINHOLD SCHMIDT

Unterlägen {Art7 § I ads. 2 Nr. l Satz 3 des Änderungen* v. 4.:

daß die zweite Elektrode von dem Wandabschnitt der ersten Elektrode über zwei Drittel ihrer Lange einen Abstand aufweist, der wesentlich größer ist als die Quersehnittsabmes-» sung der zweiten Elektrode.

2. lonisierungsvorrichtung für Gase nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck des verwendeten Gases und die Abmessungen des Wandabschnitts der ersten Elektrode (18) so gewählt sind, daß bei der Ionisierung die freie Weglänge der unter einer Spannung von 100 eV stehenden Elektronen in dem Gas größer ist als der größte Innenquerschnitt des Wandabschnitts der ersten Elektrode (18).

3. lonisierungsvorrichtung für Gase nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich wenigstens über einen Teil quer durch den von dem Wandungsabschnitt der ersten Elektrode (18) umfaßten Raum eine Vorrichtung (17, 20, 22) erstreckt, die dazu dient, die an den entgegengesetzten Enden des Baumes befindlichen Elektronen von diesen Ende weg nach innen zu drücken.

4. lonieierungsvorrichtung für Gase nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die die Elektronen abdrängende Vorrichtung eine Hilfselektrode (22) aufweist, die neben dem einen Ende des von dem Wandabschnitt der ersten Elektrode (l8)

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umfaßten Raumes angeordnet ist und bezüglich der anderen der beiden Elektroden wenigstens genauso stark negativ aufgeladen ist wie die eine Elektrode (12, 18).

5. Ionisierungsvorrichtung für Gase nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfselektrode (22) mit einem Material versehen ist, daß Neutronen erzeugt, sobald es von in dem Gas entwickelten positiven Ionen getroffen wird.

6. Ionisierungsvorrichtung für Gase nach Anspruch k oder 5s dadurch gekennzeichnet, daß die die Elektronen abdrängende Vorrichtung auch einen Verschluß (17) aufweist, der das Ende des Raumes, das dem der Hilfselektrode (22) benachbarten Ende entgegengesetzt ist, abschließt, und daß der Raum keine in ihn hineinführende Öffnung oder Öffnungen aufweist, deren Gesamtfläche größer ist als die halbe Querschnittsfläche des Raumes, ausgenommen an dem Ende der ersten Elektrode (18), das der Hilfselektrode (22) benachbart ist.

7. lonisierungsvorrichtung für Gase nach Anspruch 3> dadurch gekennzeichnet, daß die die Elektronen abdrängende Vorrichtung Verschlüsse (17, 20) aufweist, die die Enden des von dem Wandabschnitt der ersten Elektrode (18) umfaßten Raumes im wesentlichen verschließen, wodurch dieser Raum mit Ausnahme einer oder mehrerer Öffnungen, deren gesamte Fläche kleiner ist als die maximale Querschnittsfläche des Saumes,

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vollständig abgeschlossen ist.

8. Ionisierungsvorrichtung für Gase nach einem

der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungsquelle (30) eine Hochspannungsquelle ist, die durch einen Anschluß außerhalb des durch den Wandabschnitt der ersteh Elektrode (18) umfaßten Raumes mit der zweiten Elektrode (12) in Verbindung steht,

9. Ionisierungsvorrichtung für Gase nach einem der Ansprüche 1-8, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Elektrode (18) in Bezug auf die zweite Elektrode (12) unter negativer Spannung steht.

1.0. Ionisierungsvorrichtung für Gase nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Elektrode (18) einen aus von einander getrennten Drähten gebildeten, gitterförmigen Endkörper (20) aufweist.

11. Ionisierungsvorrichtung für Gase nach einem der Ansprüche 1-10, dadurch gekennzeichnet, daß der in mm Hg gemessene Gasdruck (p) und der in cm gemessene größte Abstand (r) zwischen der ersten und der zweiten Elektrode (18,12) so gewählt sind, daß das Produkt p.r kleiner ist als eine Größe X, wobei X = 0,1 für Wasserstoff und seine Isotope ist und in Abhängigkeit von der Art des Gases um einen Faktor variiert, dessen Maximum bei etwa I3 liegt.

12. Ionisierungsvorrichtung für Gase nach einem der Ansprüche 1-11, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Elektrode (12) ein gerader, zylindrischer Draht mit einem solchen Durchmesser ist, daß die größte Innenabmessung des

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durch den Wandabschnitt der ersten Elektrode (18) umfaßten Raumes mehr als einhundertmal größer ist als der Durchmesser der zweiten Elektrode (12).

13. Ionisierungsvorrichtung für Gase nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die größte Innenabmessung des von dem ersten Wandabschnitt der ersten Elektrode (18) umfaßten Raumes mehr als eintausendmal größer ist als der Durchmesser des Drahtes.

14. Ionisierungsvorrichtung für Gase nach einem der Ansprüche 1-11, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Elektrode (12) innerhalb des von dem Yandabschnitt der ersten Elektrode (18) umfaßten Raumes eine Ziek-Zack-Form aufweist.

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