DE2242986A1

DE2242986A1 - Gluehkathode

Info

Publication number: DE2242986A1
Application number: DE2242986A
Authority: DE
Inventors: Friedhelm Schulz
Original assignee: Gesellschaft fuer Kernforschung mbH
Current assignee: Gesellschaft fuer Kernforschung mbH
Priority date: 1972-09-01
Filing date: 1972-09-01
Publication date: 1974-03-07
Also published as: CA1030589A; FR2198249A1; DE2242986B2; IT991864B; SE389255B; US3869632A; DE2242986C3; CH557597A; GB1433238A; FR2198249B1; NL7311915A

Description

GESELLSCHAFT FÜR Karlsruhe, den 31,8»

KERNFORSCHUNG MBH PLA 72/50 Ga/jd

2242988

Glühkathode,

Die Erfindung betrifft eine Glühkathode mit einer Stromzu- und -abführung und die Verwendung dieser Glühkathode.

Es sind Ionenquellen für Zyklotrons bekannt, die alle auf der von Livingston und Jones ("The Review of Scientific Instruments" Volume 25, Number 6,. June 1954, S. 252 - 557) entwickelten Ionenquelle aufbauen. Bei einer dieser Ionenopellen dient ein Wolframdrahtbügel, der mit 1Ö0 bis 300 A Gleichstrom beheizt wird, als Glühkathode, Die Niederdruck-Gasentladung brennt bei einem

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niedrigen Gasdruck (z.B. 10 Torr Deuteriumgas) zwischen der Glühkathode und der aus Graphit gedrehten Brennkammer bei einer bestirnrnten Brennspannung. Das Entladungsplasma wird durch ein in der oder parallel zur Ebene des Wolframdrahtbügels liegendes starkes Magnetfeld zu einer mehr

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ORIGINAL INSPECTED

oder weniger gut begrenzten Säule zwischen der Glühkathode und einem gegen die Brennkammer isolierten Reflektor für Elektronen zu sammeng e- ^: schnürt. Der Reflektor lädt sich bei Betrieb negativ auf. Die Ionen werden durch eine HF-Spannung an einem Beschleunigungssektor quer zum Magnetfeld aus einem Schlitz in der Brennkammer abgesaugt.

Derartige Ionenquellen liefern Strahlströme bis 100 μΑ Deuteronen -bei Ver- ·■ wendung von Deuteriumgas für die Niederdruck-Gasentladung- und haben eine maximale Lebenszeit von 0, 5 - Ij 0 mAh. Eine Erhöhung der Ionenausbeute 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. Weiter* hin verhindern die relativ große Fläche des Wolframdrahtbügels als Emissionsfläche für die Elektronen und die des Reflektors eine Erhöhung der Elektronendichte im Entladungsplasma, erschweren eine möglichst deckungsgleiche Zentrierung zueinander und gestatten keine weitere Annäherung des Reflektors

aufgrund

und der Glühkathode/einer mechanisch ausgebildeten Einschnürung der Brennkammer der Ionenquelle im Bereich des Schlitzes zum Absaugen der Ionen. Auch sind die Wolframdrahtbügel gegen Ionenbeschuß nicht beständig und außerdem nicht stabil genug gegen magnetische Querkräfte.

Die Aufgabe der Erfindung besteht nun darin, eine Glühkathode au schaffen, bei der nur ein festgelegter Teil Elektronen emittiert und bei dem zumindest die direkte Umgebung des emittierenden Teiles auch bei hohen Temperaturen gegen magnetische Kräfte unempfindlich ist, d.h. sich nicht verbiegt,und keinen wesentlichen Beitrag zur Elektronenemission liefert.

Die Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß der Elektronen emittierende Teil der Glühkathode zu einer Pille aus hochschmelzendem Metall oder Metallkarbid ausgebildet ist, und daß diese Pille in einem Bett aus nahezu nichtschmelzendem Material mit hoher

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Elektronenaustrittsarbeit gehaltert ist. In einer bevorzugten Ausführung sform der Erfindung ist das Material Graphit. Bei einer Weiterbildung ist das Bett zu einem Bügel ausgebildet, bei dem der Querschnitt des Bügelbogens kleiner als der der Bügelarme ist, und in den Bügelbogen ist eine Bohrung eingefügt, in der die Pille angeordnet ist. Eine Ausführungsform der Erfindung sieht vor, daß die Bohrung konisch sich verjüngend ausgebildet ist und in einer den Außenmaßen der Pille angepaßten Ausnehmung endet, wobei die öffnung der Bohrung derart eingestellt ist, daß zumindest ein Teil der Oberfläche der Pille freiliegt. Außerdem können in einer Ausführungsart der Erfindung die Bügelarme die Stromzu- und -abführungen bilden, an die Leitungen aus elektrisch leitfähigem Material anschließbar sind. Die Pille weist in bevorzugter Ausführung die Form einer Walze auf. Ein besonderes Verwendungsgebiet der erfindungsgemäßen Glühkathode ist das der Benutzung als Elektronenquelle für die Ionenquelle eines Zyklotrons.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels mittels der Figuren 1 und 2 näher erläutert.

In der Figur 1 ist der untere Teil einer Ionenquelle für ein Isochron-Zyklotron dargestellt, in der in einer Niederdruck-Gasentladung von ungefähr 0,2 bis 0, Torr, insbesondere im Brennkammerhals 2 (nur ein Teil davon dargestellt) einer Brennkammer !,Deuterium- oder Wasserstoffionen erzeugt werden. Die Entladung brennt zwischen einer Glühkathode 3 und der Brennkammer 1, insbesondere aber zwischen der Glühkathode 3 und einem nicht näher dargestellten Reflektor im Brennkammerhals Z; bei einer Brennspannung zwischen loo und 250 Volt. Zwischen der Glühkathode 3 und dem Brennkammerhals befindet sich das Entladungsplasma, welches durch ein starkes Magnetfeld von ungefähr 10 kG zu einer scharf begrenzten Säule zusammengeschnürt wird. Das Magnetfeld liegt in oder parallel zur Schnittebene der dargestellten Vorrichtung. Die im Entladungsplasma erzeugten Ionen werden von einer Hochfrequenzspannung (ungefährt 40 kV und 33 MHz) an einem Beschleunigungs-

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sektor (nicht näher dargestellt) quer zum Magnetfeld aus einem ebenfalls nicht näher dargestellten Schlitz in der Wandung des Brennkammerhalses 2 abgesaugt. Um eine besonders hohe Ausbeute an Elektronen aus der Glühkathode 3 zu erhalten, muß die Glühkathode bis möglichst nah an den Brennkammerhals 2 herangeführt werden. Zur Erfüllung dieser Bedingung ist die Glühkathode 3 zu einer Walze bzw. zu einer Spitze oder einem Zylinder ausbildbar, die von einem Heizstrom von 100 bis 300 A (Gleichstrom) aufgeheizt wird. Dieser hohe Gleichstrom erhitzt die Glühkathode 3 derart, daß bei einer Bogenspannung von ca. 200 V für das Entladungsplasma ein Bogenstrom von 1,5 Ampere fließen kann, das zusammen eine Bogenleistung von 300 Watt ergibt.

Um die Entladung stabil zu halten, muß die Elektronenquelle örtlich stabil sein. Bei der Verwendung einer .Stromzu- oder -abführung für die Glühkathode aus Metall könnte diese örtliche Stabilität nicht erreicht werden, da der Brennfleck bzw. die Emissionsfläche der.Elektronen sowohl von der Glühkathodenspitze 4 als auch von Oberflgchenteilen der die Glühkathode 3 direkt umgebenden Zu- und Abführung gebildet würde. Um dieses nahezu vollständig zu verhindern, ist die Glühkathode 3, die aus, einem Metall oder einem Metallcarbid wie z.B. Hafniumcarbid bestehen kann in einer Stromzu- und -abführung 5 und 6 gehaltert, das aus einem nahezu nichtschmelzenden Material mit hoher Elektronenaustrittsarbeit besteht. Dies ist vorzugsweise Graphit.

Die Stromzu- und -abführungen 5 und 6 sind dabei als Bügelarme ausgebildet, deren Querschnitt größer ist als der des Bügelbogens 7, damit in diesem Bereich der Widerstand für den Heizstrom für die Glühkathode 3 bzw. die Pille, zu der diese ausgebildet ist, erhöht wird. In dem Bügelbogen 7 ist eine Bohrung 8 eingefügt, die in ihrem oberen Teil konisch sich verjüngend ausgebildet ist und in einer Ausnehmung 9 endet, deren Abmessungen derart ausgebildet sind, daß sie die Pille 3 zumindest teilweise umfasst und diese haltert. Jedoch ist die Bohrung 8 auch derart auszubilden, daß die Spitze 4 der Glühkathode 3 freiliegt. Auch darf das Material des Bügelbogens 7 mit der Pille 3 nicht chemisch reagieren.

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Die Bügelarme 5 und 6, die.genau wie der Bügelbogen 7 aus einem einzigen Giaphitstück hergestellt sein können, sind mit Leitungen 10 und 11 verbunden, bzw. diese Leitungen 10 und 11 sind als Stäbe ausgebildet, die in Ausnehmungen 12 und 13 in den Bügelarmen 5 und 6 eingedreht, geschraubt oder gesteckt sind. Sie dienen als Verbindungsstücke zu einer außen stehenden Stromquelle.

In Figur 2 ist einer der Bügelarme 5 oder 6 dargestellt und ein Teil des Bügelbogens 7. Der Querschnitt des Bügelbogens 7 ist zumindest im Bereich der Ausnehmung 9 mit der darin befindlichen Pille 3 geringer als der der Bügelarme 5 oder 6. Damit die Pille 3 aus der Ausnehmung 9 entfernt und durch eine andere oder neue ersetzt werden kann.ist vorzugsweise eine Bohrung 14 in der Unterseite 15 des Bügelbogens 7 eingefügt, durch die , mit einem Stift die Pille 3 aus der Ausnehmung 9 entfernt werden kann.

Als Material für die Leitungen 10 und 11 zu den Bügelarmen 5 und 6 kann Wolfram oder ein anderes hochschmelzendes Material vorgesehen werden, welches innerhalb der Bügelarme 5 und 6 noch von einem weiteren Material, z.B. Tantal umgeben ist. Dieses Material ist leicht zu bearbeiten und kann insbesondere mit einem Gewinde versehen werden. Der Grund für das Einsetzen der Leitungen 10 und 11 innerhalb der Bügelarme 5 und 6 besteht darin, daß diese Stifte stabilie sie rend auf die Bügelarme 5 und 6 wirken, so daß starke äußere Magnetfelder die beiden Bügelarme 5 und 6 nicht knicken können.

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Claims

Patentansprüche:

f, 1.^Glühkathode mit einer Stromzu- und -abführung, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektronen emittierende Teil(4) der Glühkathode (3) zu einer Pille aus hochschmelzendem Metall oder Metallcarbid ausgebildet ist, und daß diese Pille (3) in einem Bett (7) aus nahezu nichtschmelzendem Material mit hoher Elektronenaustrittsarbeit gehaltert ist.
2. Glühkathode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Material Graphit ist.
3. Glühkathode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Bett (5,6,7) zu einem Bügel ausgebildet ist, bei dem der Querschnitt des Bügelbogens (7) kleiner als der der Bügelarme (5 und 6) ist, und daß in den Bügelbogen (7) eine Bohrung (8, 9) eingefügt ist, in der die Pille (3) angeordnet ist.
4. Glühkathode nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Bohrung (8, 9) konisch sich verjüngend ausgebildet ist und in einer den Außenmäßen der Pille (3) angepaßten Ausnehmung (9) endet, wobei die öffnung (8) der Bohrung derart eingestellt ist, daß zumindest ein Teil (4) der Oberfläche der Pille (3) freiliegt.
5. Glühkathode nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Bügelarme (5, 6) die Stromzu- und -abführung bilden, an die Leitungen (10, 11) aus elektrisch leitfähigem Material anschließbar sind.
6. Glühkathode nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Pille (3) zu einer Walze ausgebildet ist.

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7., Verwendung der Glühkathode nach Anspruch 1 oder einem der folgenden als Elektronenquelle für die Ionenquelle eines Zyklotrons.

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