DE2029571C3

DE2029571C3 - Ionenquelle für ein Zyklotron

Info

Publication number: DE2029571C3
Application number: DE19702029571
Authority: DE
Inventors: Friedhelm 7501 Liedolsheim Schulz
Original assignee: Kernforschungszentrum Karlsruhe GmbH
Current assignee: Forschungszentrum Karlsruhe GmbH
Priority date: 1970-06-16
Filing date: 1970-06-16
Publication date: 1980-09-11
Also published as: NL150610B; NL7108271A; FR2097902A5; DE2029571B2; DE2029571A1; GB1309366A

Description

Beschreibung:

Die Erfindung betrifft eine Ionenquelle für ein Zyklotron mit einem durch Gleichstrom beheizten Metalldrahtbügel als Glühkathode und einem Reflektor, der an der einen Stirnseite eiiier zylinderförmig ausgebildeten Brennkammer isoliert angebracht ist, in der eine Niederdruck-Gasentladung stattfindet, die mittels eines Magnetfeldes zusammengeschnürt ist, und bei der die erzeugten Ionen senkrecht zur Richtung des Magnetfeldes durch eine Öffnung in der Brennkammerwandung entweichen.

Es sind bereits lonenquellen für Zyklotrons bekannt, die alle auf der von Livingston und Jones (»The Review of Scientific Instruments« Volume 25, Number 6, June 1954, S. 552-557 oder Flügge: »Handbuch der Physik«, Bd. XXXIII, S. 83) entwickelten Ionenquelle aufbauen. Bei einer dieser lonenquellen dient ein Wolframdrahtbügel, der mit 100—300 A Gleichstrom beheizt wird, als Glühkathode. Die Niederdruck-Gasentladung brennt bei einem niedrigen Gasdruck (z.B. 10- ²Torr Deuteriumgas) zwischen der Glühkathode und der aus Graphit gedrehten Brennkammer bei einer bestimmten Brennspannung. Das Entladungsplasma wird durch ein in der oder parallel zur Ebene des Wolframdrahtbügels liegendes starkes Magnet^feld zu einer mehr oder weniger gut begrenzten Säule zwischen der Glühkathode und einem gegen die Brennkammer isolierten Reflektor für Elektronen zusammengeschnürt. Der Reflektor lädt sich bei Betrieb negativ auf. Die Ionen werden durch eine HF-Spannung in einem Beschleunigungssektor quer zum Magnetfeld aus einem Schlitz in der Brennkammer abgesaugt.

Derartige lonenquellen liefern Strahlströme bis 100 uA Deuteronen — bei Verwendung von Deuteriumgas für Niederdruck-Gasentladung — und haben eine maximale Lebenszeit von 0,5-1,0 mAh. Eine Erhöhung der lonenausbeute durch eine Erhöhung der Erwärmung der Glühkathode der Ionenquelle, des Gasdruckes in der Brennkammer oder von Entladungsspannungen ist nur möglich auf Kosten einer noch kürzeren Lebensdauer der Ionenquelle. Weiterhin verhindern die relativ große Fläche des Wolframdrahtbügels als ίο Emissionsfläche für die Elektronen und die des Reflektors eine Erhöhung der Elektronendichte im Entladungsplasma, erschweren eine möglichst dekkungsgleiche Zentrierung zueinander und gestatten keine weitere Annäherung des Reflektors und der Glühkathode aufgrund einer mechanisch ausgebildeten Einschnürung der Brennkammer der Ionenquelle im Bereich des Schlitzes zum Absaugen der Ionen.

Die der Erfindung gestellte Aufgabe besteht darin, eine Ionenquelle für ein Zyklotron mit langer Lebensdauer der Kathode und großer Ionenausbeute anzugeben.

Die Lösung dieser Aufgabe besteht darin, daß der Bereich der Glühkathode, der dem Reflektor in der offenen Stirnseitenöffnung der Brennkammer gegenüberliegt zu einem Kegel oder Zylinder ausgebildet ist, der aus einem hochschmelzenden Metall oder Metallkarbid besteht. Der Kegel oder der Zylinder ist vorzugsweise mit der Glühkathode elektrisch leitend verbunden. Diese Formen der Glühkathode und die vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung, bei der auch der Reflektor die Form eines Zylinders aufweisen kann, erlauben eine wesentliche Verkürzung des Abstandes der Glühkathode zum Reflektor und eine erhebliche bessere Justierung dieser beiden Elemente zueinander. Die Ionenquelle arbeitet optimal, da sie sehr gleichmäßig abbrennt und bei Verwendung von z. B. Hafniumkarbid als Material für den Kegel oder den Zylinder die Austrittsarbeit für die Elektronen herabgesetzt ist und damit der Grad der Aufheizung der Glühkathode (weniger elektrischer Strom durch den Schwermetallbügel) verringert werden kann. Zumindest diese Maßnahme erhöht die Lebensdauer der Glühkathode bzw. des Reflektors beträchtlich. Die Lebensdauer, die bei den erfindungsgemäßen lonenquellen festgestellt würde, liegt bei über 400 h im Betrieb zur Erzeugung von Deuteronen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels mittels der eine Ionenquelle schematisch darstellenden Figur näher erläutert.
In der Ionenquelle 1 für ein Isochronzyklotron werden in einer Niederdruck-Gasentladung von ungefähr 0,2—0,4 Torr Deuterium-, Wasserstoff- oder Heliumgas, insbesondere im Brennkammerhals 2 der Brennkammer 3 der Ionenquelle 1, Ü2⁺, D⁺, Hl2⁺ oder He₄ ⁺ +-Ionen erzeugt Die Entladung brennt zwischen einer Glühkathode 4 und der Brennkammer 3 bei einer Brennspannung zwischen 100—250 V. Die Brennkammer 3 selbst ist aus zwei Teilen gefertigt, wobei der die Glühkathode 4 umfassende erweiterte Unterteil 5 aus Molybdän und der engere Brennkammerhals 2 aus Tantalkarbid besteht. Das Entladungsplasma zwischen der Glühkathode 4 und einem an der Glühkathode 4 gegenüberliegenden Ende der Brennkammer 3 angeordneten und gegenüber der Brennkammer 3 mittels eines Isolators 6 isolierten Reflektor 7 wird durch ein starkes Magnetfeld von ungefähr 10 kG zu einer scharf !■"grenzten Säule im Brennkammerhals 2 zusammengeschnürt. Das Magnetfeld liegt in oder parallel zur

Schnittebene der dargestellten Ionenquelle 1. Der Reflektor 7 lädt sich bei Betrieb aufgrund von auftreffenden Elektronen negativ auf, wobei die Elektronen aus der Glühkathode 4 emittiert worden sind, und die Ionenausbeute im Entladungrplasma wird durch die zwischen der Glühkathode 4 und dem Reflektor 7 pendelnden Elektronen erhöht Der Isolator 6 kann aus Bornitrit gefertigt sein und eine (nicht dargestellte) Molybdänplatte gegenüber dem Inneren der Brennkammer 3 tragen, die den Isolator 6 gegen Bedampfung schützt

Die im Entladungsplasma erzeugten Ionen werden von einer Hochfrequenzspannung (ungefähr 40 kV und 33 MHz) an einem Beschleunigungssektor 8 quer zum Magnetfeld aus einem Schlitz 9 in der Brennkammer 3, insbesondere am Brennkammerhals 2, abgesaugt

Die Auswahl geeigneter Materialien und eine spezielle Formgebung der Glühkathode 4 und des Reflektors 7 bringen bei gleicher Größe des Schlitzes 9 der Brennkammer 3 eine Erhöhung der Lebenszeit der Ionenquelle 1 um den Faktor 100 und eine Erhöhung der Ionenausbeute. Dazu wurde erfindungsgemäß die Elektronen emittierende Fläche 10 der Glühkathode (bei bisher verwendeten Glühkathoden war die emittierende Fläche der gesamte gebogene Bereich 14 des die Glühkathode 4 bildenden Metalldrahtbügels 12) und die Elektronen reflektierende Fläche 11 des Reflektors 7 möglichst klein gehalten, um die Elektronendichte im Entladungsplasma zu vergrößern. Diese beiden Flächen 10, 11 müssen deckungsgleich übereinander angeordnet sein und zur weiteren Vergrößerung der lonenausbeute möglichst nahe am Schlitz 9 uer Brennkammer 3 liegen. Zur Erfüllung dieser Bedingungen wurde die Glühkathode 4 besonders ausgebildet. Sie besteht aus einem Wolframdrahtbügel 12 von ungefähr 3 mm Durchmesser, durch den ein Heizstrom von 100-300 A (Gleichstrom) fließt Dieser hohe Gleichstrom erhitzt den Wolframdrahtbügel 12 derart, daß bei einer Bogenspannung von 200 V für das Entladungsplasma ein Bogenstrom von 1,5 A fließen kann, das zusammen eine Bogenleistung von 300 Watt ergibt.

Bei der Glühkathode 4 fließt dieser Bogenstrom von der Fläche 10 des zu einem Kegel oder einem Zylinder 13 geformten gebogenen Bereichs 14 des Wolframdrahtbügels 12 aus zum Reflektor 7. Die Grundfläche dieses Kegels oder dieses Zylinders 13 kann, wie dargestellt, mit dem gebogenen Bereich 14 verbunden sein. Er kann aus einem Hafniumkarbidstück hergestellt werden, das z. B im Heißpreßverfahren (5 min. bei 270O⁰C und 7 Kp/mm²) aus Hafniumpulver und Graphit erzeugt wurde. Das Hafniumkarbid hat eine Schmelztemperatur von 4125°C gegenüber 2500°-2600° bei Wolfram und 2000°—2200⁰C bei reinem Hafnium. Weiterhin ist beim Hafniumkarbid die Austrittsarbeit für Elektronen geringer als bei Wolfram oder Tantal.

Der Kegel oder der Zylinder 13 ist in einer Fassung 15 aus Tantal und über einen an der Unterfläche 16 angeordneten Stift 17, der in einer Bohrung im gebogenen Bereich 14 eingelassen ist, mit dem Wolframdrahtbügel 12 verbunden. Der Verbund erfolgt z. B. bei der ersten Erhitzung r!c- Wolframdrahtbügels 12 und damit auch des Kegels oder des Zylinders 13, da bei diesem Heizvorgang das Hafniumkarbid mit auf der Auflagefläche 18 der Fassung 15 aufgestäubtem Wolframpulver, dem Tantalmetall der Fassung 15, dem zwischen Unterfläche 16 der Fassung 15 aufgebrachten Graphitpulver und dem Wolframmetall des Wolframdrahtbügels 12 eine homogene, hitzebeständige Verschweißung eingeht Es ist aber auch möglich, den Kegel oder den Zylinder 13 aus Wolframmetall herzustellen und nur mittels eines Stiftes, z. B. Stift 17 am Wolframdrahtbügel 12 zu befestigen. Zur besseren Verbindung des Kegels oder des Zylinders 13 und des Wolframdrahtbügels 12 ist es weiterhin denkbar, zwischen seiner Auflagefläche aus reinem Wolfram und der Glühkathode 4 nach dem bereits geschilderten Verfahren mit Graphitpulver eine Wolframkarbidverschiveißung vorzunehmen.

Der Reflektor 7 ist ebenfalls in Form eines Zylinders mit flacher oder abgerundeter Oberfläche 11 ausbildbar. Er kann aus Wolframmetall oder ebenfalls aus Hafniumkarbid hergestellt sein. Die Höhe und der Durchmesser des Reflektors 7 (Brennzapfen) und des Zylinders 13 an der Glühkathode 4 richtet sich nach der gewünschten Lebenszeit, lonenausbeute und der zumutbaren Bogenleistung. Da das Wolframmetall oder Hafniumkerbid des Kegels oder des Zylinders 13 bzw. des Reflektors 7 sehr resistent ist gegenüber einem Ionenbombardement (Kathodenzerstäubung), kann die Ionenquelle 1 optimal in einem Zyklotron eingesetzt werden. Der Kegel oder der Zylinder 13 der Glühkathode 4 brennt gleichmäßig ab, so daß die ionenausbeutende Form sehr gut erhalten bleibt. Die Glühkathode 4 ist mit mindestens bis zu 500 h im Betrieb zur Erzeugung von Deuteronen und mindestens 300 h bei Erzeugung von «-Teilchen einsetzbar. Eine weitere Erhöhung der Lebensdauer ist dadurch erreichbar, daß bei konstant gewünschtem lonenstrom die Heizleistung der Glühkathode 4 herabgesetzt werden kann, da aus der Hafniumkarbidspitze mehr Elektronen bei gleicher Temperatur emittiert werden als z. B. bei einer reinen Wolframspitze (aufgrund der geringen Austrittsarbeit).

Der Brennkammerhals 2 ist, wie bereits beschrieben, aus Tantalkarbid hergestellt. Tantalkarbid hat gegenüber Tantalmetall bei »-Teilchen-Bombardement die doppelte Lebenszeit und bewirkt außerdem eine Reduzierung der störenden Elektronenemission aus der Wandung im Betrieb. Für Deuteriumbrennkammern ist eine Karburierung unbedingt erforderlich. Diese Brennkammern 3 werden mit verschiedenen Abmessungen des Schlitzes 9 je nach Teilchenart und benötigter lonenausbeute gefertigt.

Das Deuterium-, Wasserstoff- oder Heliumgas, das zur Erzeugung der Niederdruck-Gasentladung in der Brennkammer 3 benötigt wird, kann wahlweise einer Gasflasche entnommen oder in einer Elektrolyse-Anlage erzeugt werden. Es wird über ein Rohr (nicht dargestellt) der Brennkammer 3 zugeführt, nachdem es durch ein druckabhängiges elektronisches Nadelventil (nicht dargestellt) dosiert worden ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Ionenquelle für ein Zyklotron mit einem durch Gleichstrom beheizten Metalldrahtbügel als Glühkathode und einem Reflektor, der an der einen Stirnseite einer zylinderförmig ausgebildeten Brennkammer isoliert angebracht ist, in der eine Niederdruck-Gasentladung stattfindet, die mittels eines Magnetfeldes zusammengeschnürt ist, und bei der die erzeugten Ionen senkrecht zur Richtung des Magnetfeldes durch eine Öffnung in der Brennkammerwandung entweichen, dadurch gekennzeichnet, daß der Bereich (14) der Glühkathode (4), der dem Reflektor (7) in der offenen Stirnseitenöffnung (S) der Brennkammer (3) gegenüberliegt, zu einem Kegel oder Zylinder (13) ausgebildet ist, der aus einem hochschmelzenden Metall oder Metallkarbid besteht

2. Ionenquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kegel oder der Zylinder (13) mit der Glühkathode (4) elektrisch leitend verbunden ist

3. Ionenquelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet daß der Kegel oder der Zylinder (13) mit der Glühkathode (4) verschweißt ist.

4. Ionenquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Reflektor (7) die Form eines Zylinders besitzt

5. Ionenquelle nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß der Kegel oder der Zylinder (13) und/oder der Reflektor (7) aus Hafniumkarbid bestehen.