DE2242986B2 - Glühkathode - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Glühkathode mit einer Stromzu- und -abführung, in Form von Bügelarmen, bei der der Elektronen emittierende Teil aus einer Pille aus hochschmelzendem Metall oder Metallcarbid besteht und bei der diese Pille in einem Bett aus nahezu nichtschmelzendem Material mit hoher Elektronenaustrittsarbeit gehaltert ist. Eine solche Glühkathode ist aus der DE-AS 1273076 bekannt.

Es sind weiterhin Ionenquellen für Zyklotrons bekannt, die alle auf der von Livingston und Jones (»The Review of Scientific Instruments« Volume 25, Number 6, Juni 1954, S. 252-257) entwickelten Ionenquelle aufbauen. Bei einer dieser lonenquellen dient ein Wolframdrahtbügel, der mit 100 bis 300 A Gleichstrom beheizt wird, als Glühkathode. Die Niederdruck-Gasentladung brennt bei einem niedrigen Oasdruck (z. B. 1,33 Pa 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 Wolframdraht bügeis liegendes starkes Magnetfeld 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 an einem Beschleunigungssektor quer zum Magnetfeld aus einem Schlitz in der Brennkammer

s abgesaugt

Derartige lonenquellen liefern Strahlströme bis 100 uA Deuteronen - bei Verwendung von Deuteriumgas für die Niederdruck-Gasentladung—und haben eine maximale Lebenszeit von 0,5—1,0 mAh. Eiue 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. Weiterhir verhindern die relativ große Räche des Wolframdrahtbügels als Emissionsfläche für die Elektronen und die des Reflektors eine Erhöhung der Elektronendichte im Entladungsplasma, erschwerer, eine möglichst deckungsgleiche 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. 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 zu 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 in den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1 beschrieben. Ausführungsformen der Erfindung sind in den Ansprüchen 2 u. 3 aufgeführt. Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels mittels der Fig. 1 und 2 näher erläutert.

In der Fig. 1 ist der untere Teil einer Ionenquelle für ein Isochron-Zyklotron dargestellt, in der in einer Niederdruck-Gasentladung von ungefähr 26,6 bis 66,5 Pa, insbesondere im Brennkammerhals 2 (nur ein Teil davon dargestellt) einer Brennkammer 1, Deuterium- oder Wasserstoffionen erzeugt werden. Die Entladung brennt zwischen einer Glühkathode 3 und der Brennkammer 1, insbesondere aber zwischen der Glühkatode 3 und einem nicht näher dargestellten Reflektor im BrennLammerhals 2, bei einer Brennspannung zwischen 100 und 250 Volt. Zwischen der Glühkathode 3 und dem Brennkammerhals 2 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 (ungefähr 40 kV und 33 MHz) an einem Beschleunigungssektor (nicht näher dargestellt)

M) 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- o^er -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 Oberflächenteilen 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 halten. 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.
Die Bügelarme 5 und 6, die genau wie der Bügel-

s bogen 7 aus einem einzigen Graphitstück 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 Fig. 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 ?ie 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 S und 6 besteht darin, daß diese Stifte stabilisierend auf die Bügelarme S und 6 wirken, so daß starke äußere Magnetfelder die beiden Bügelarme 5 und 6 nicht knicken können.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche;

1. a) Glühkathode

b) mit einer Stromzu- und -abführung, in Form von Bügelarmen (S, 6),

c) bei der der Elektronen emittierende Teil aus einer Pille (3)

dj aus hochschmelzendem Metall oder Metallcarbid besteht,

e) und bei der diese Pille (3) in einem Bett (S, 6, 7)

f) aus nahezu nichtschmelzendem Material mit hoher Elektronenaustrittsarbeit gehaltert ist,

dadurch gekennzeichnet, daß

g) das Bett (5, 6, 7) als Bügel ausgebildet ist,

h) dessen Materialquerechnitt zumindest im Ber°'ch einer Bohrung (8, 9) kleiner als der Materialquerschnitt der Bügelarme (5, 6) ist,

i) in den Bügel (7) die Bohrung (8,9) eingefügt ist, und

j) die Pille in der Bohrung angeordnet ist.

2. Glühkathode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

k) die Bohrung (8, 9) konisch sich verjüngend ausgebildet ist

1) und in einer den Außenmaßen der Pille (3) angepaßten Ausnehmung (9) endet,

m) wobei die öffnung (8) und Tiefe der Bohrung derart gewählt <U, daß mindestens ein Teil der Oberfläche der Pille (3) freiliegt.

3. Glühkathode nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß

n) das Material des Bügels (7) und der Bügelarme (5, 6) Graphit ist.