DE2314093A1

DE2314093A1 - ATOMION SOURCE, IN PARTICULAR FOR ION ACCELERATORS

Info

Publication number: DE2314093A1
Application number: DE19732314093
Authority: DE
Inventors: Karl Ing Nowak
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1972-03-30
Filing date: 1973-03-21
Publication date: 1973-10-04
Also published as: ATA275272A; AT344287B

Description

Atomionenquelle, inebes. für lonenbeschleuniger. Atomic ion source, inebes. for ion accelerators.

Die Erfindung betrifft eine Atomionenquelle, inebesondere für Atomionenbeschleuniger , vorzugsweise für Atomkernfusion mittels gegeneinandergeführten Atomionen-Plasmastrahlen, bei welcher eine Gasentladung und eine durchbrochene Kathode verwendet wird. Erfindungagemäß ist eine gitterförmige Glühkathode vorgesehen, deren Ausdehnung senkrecht zum Entladungsquerschnitt größer ist als in diesem und die vorzugsweise aus senkrecht zum Entladungsquerschnitt stehenden, also in der Entladungsrichtung sich erstreckenden Kathodenplatten, oder Durchlässen1 mit Elektronen emittierendem Belag besteht. Vorzugsweise wird eine Niederdruck-Gasentladung in Deuteriumgas verwendet, etwa mit einer Stromstärke von lo bis 100 Amp. oder darüber, aus der durch die Kathodendurchlässe die Atomionen austreten. The invention relates to an atomic ion source, in particular for atomic ion accelerators , preferably for atomic nucleus fusion by means of atomic ion plasma jets directed against one another, in which a gas discharge and a perforated cathode is used. In accordance with the invention a grid-shaped hot cathode is provided, the extent of which is perpendicular to the discharge cross-section is greater than in this and preferably from perpendicular to the discharge cross-section standing, i.e. cathode plates extending in the discharge direction, or Passages1 with an electron-emitting coating exist. Preferably a Low pressure gas discharge in deuterium gas used, approximately with an amperage of lo to 100 amp. or above, from which the atomic ions through the cathode passages step out.

FUr verschiedene Zwecke, besonders für Einrichtungen zur Energiefreisetzung durch kontrollierte Atomkernfusion mittels Gegeneinanderführung beschleunigter Atomtal ionen-Plasmastrahlen ( vgl. Österr. Datentanmeldungen A 4534/70 und 9335/71 ), besteht das Bedürfnis nach hochleistungsfähigen Atomionenquellen, insbes. für Deuteriumionen (Deuteronen). Der Erfindungsgegenstand soll diesem Bedürfnis abhelfen. Die erfindungsgemäße Atomionenquelle soll vorzugsweise den Bau von größeren Einheiten von Kernfusionsanlagen ermöglichen. Zur Atomionenerzeugung durch Ionisierung von Deuteriumgas dient mit Vorteil eine Niederdruck-Niederspannungs-Gesentladung mit Glühkathode, wobei die Atomionen durch die mit Durchbrechungen ausgeführte Kathode austreten und mittels einer Extraktionselektrode beschleunigt und so einem Beschleuniger zugeführt werden. Da der Atomionenatrom einige Prozent des Stromes der Gasentladung betragen kann, der wieder in der Größenordnung lo bis loo Amp. oder darüber liegen kann, so sind leomionenströme in der Größenordnung Ampere und darüber erzielbar. Es ist das eine Frage der Bemessung des die Atomionen liefernden Entladungsgefäßes und seiner Glühkathode. For various purposes, especially for energy release devices Accelerated atomic valley through controlled atomic nucleus fusion by means of juxtaposition ion plasma jets (cf. Austrian data registrations A 4534/70 and 9335/71) the need for high-performance atomic ion sources, especially for deuterium ions (Deuterons). The subject matter of the invention is intended to remedy this need. The inventive Atomic ion source should preferably build larger units of nuclear fusion facilities enable. Also serves to generate atomic ions by ionizing deuterium gas Advantage of a low-pressure, low-voltage discharge with a hot cathode, whereby the Atomic ions escape through the perforated cathode and by means of accelerated by an extraction electrode and thus fed to an accelerator will. Since the atomic ion atom can amount to a few percent of the current of the gas discharge, which can again be in the order of magnitude of lo to loo amps or more Ion currents in the order of magnitude of amperes and above can be achieved. It is the one Question of the dimensioning of the discharge vessel supplying the atomic ions and its hot cathode.

Bei Anwendung einer Niederdruck-Niederspannungs-Gasentladung ist auch der Energiebedarf für die Ätomionenfreisetzung nur gering und eine hochleistungsfähige Glühkathode kann lange Lebensdauer besitzen. Eine solche Atomionquelle ist also auch weitgehend betriebssicher.When using a low-pressure-low-voltage gas discharge is also the energy requirement for the release of atom ions is only low and a high-performance one Hot cathode can have a long service life. So there is such an atomic ion source also largely operationally reliable.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Fig. 1 bis 6 der Zeichnung schematisch dargestellt. Embodiments of the invention are shown in FIGS. 1 to 6 of the drawing shown schematically.

Die Fig. 1 zeigt den zweckmäßigen Aufbau der erfindungsgemäßeh Atomionenquelle. In einem mit Deutertumgas gefüllten Entladungsgefäß 1 befindet sich eine Kathode 2 und eine Anode 3. Die Kathode ist als Gluhkathode ausgeführt und besteht aus zum Entladungsquerschnitt senkrecht stehenden Platten mit Zwischenräumen, Die Kathodenplatten sind mit Heizwicklungen versehen und besitzen auf ihren Flächen einen Elektronenemissionsbelag. Zwischen den Kathode 2 und der Anode 3 geht eine Niederdruck-Gasentladung über, der Gasdruck liegt zweckmäßig in der Größenordnung einiger Torr ( z.B. Fig. 1 shows the practical structure of the atomic ion source according to the invention. A cathode is located in a discharge vessel 1 filled with deuterium gas 2 and an anode 3. The cathode is designed as a glow cathode and consists of the Discharge cross-section of perpendicular plates with gaps, the cathode plates are provided with heating coils and have an electron emission coating on their surfaces. A low-pressure gas discharge passes between the cathode 2 and the anode 3, the gas pressure is expediently of the order of a few torr (e.g.

5 bis 30 Torr ), die Stromstärke dieser Gasentladung beträgt z.B. zwischen lo und einigen hundert Ampere, die Brennapapnung etwa 15 bis 20 bis etwa loo Volt, gegebenenfalls auch mehr. Die Anode kann mit Gleich- oder Wechselspannung beaufschlagt sein, je nachdem , ob der gelieferte Ionenstrom schwanken soll bzw. darf oder nicht, Durch die Kathodendurchbrechungen, also durch die Zwischenraume zwischen den tathodenplatten, treten dann Atomionen, also Deuteronen, als Kanal strahlen aus und zwar im Umfange von einigen Prozent des EntladungBetromes, z.B. 5 bis lo %, also Größenordnung Ampere. Diese Ionen werden von einer Extraktionselektrode 4 beschleunigt, die zweckmäßig ein höheres negatives Potential gegenüber der Kathode 2 besitzt, etwa bis loo kV je cm Distanz, meist aber auch wesentlich weniger. Der austretende Atomionenstrom kann zweckmäßig noch durch eine oder mehrere weitere Elektroden beeinflußt werden. Eine Elektrode 5 kann mi+ hohem negativen Potential beschleunigen oder mit positivem Potential bremsend und bündeln wirken. Zur weitgehenden Bündelung des Atomionenstromes ist noch eine umgebende Kontraktions->(agnetspule 6 vorgesehen. Die Atomionen können dann etnem Ionenbeschleuniger zugeführt werden.5 to 30 Torr), the current strength of this gas discharge is e.g. between 10 and a few hundred amperes, the Brennapapnung about 15 to 20 to about loo volts, possibly more. The anode can have direct or alternating voltage be applied, depending on whether the ion current supplied should fluctuate or may or not, through the cathode openings, i.e. through the spaces Atomic ions, i.e. deuterons, then act as a channel between the cathode plates emit to the extent of a few percent of the discharge electricity, e.g. 5 to lo%, i.e. order of magnitude of amps. These ions are captured by an extraction electrode 4 accelerates, which expediently has a higher negative potential compared to the cathode 2 has, about up to 100 kV per cm of distance, but mostly much less. Of the escaping atomic ion stream can expediently also through one or more further Electrodes are affected. An electrode 5 can mi + high negative Accelerate potential or act slowing down and bundling with positive potential. A surrounding contraction -> (agnetspule 6 provided. The atomic ions can then be fed to an ion accelerator.

Weitere Einzelheiten der zweckmäßigen Ausführung sind eine Erweiterung des Röhrenquerschnittes zu einem Vakuumraum V mit Hochvakuum-Absaugvorrichtung durch eine Pumpanordnung, bestehend aus einer Hochvakuumpumpe 8, einem Vorvakuumgefäß 9 und einer zur Druckerzeugung geeigneten Vorpumpe lo. Further details of the expedient implementation are an extension of the tube cross-section through to a vacuum space V with a high vacuum suction device a pump arrangement consisting of a high vacuum pump 8, a fore-vacuum vessel 9 and a backing pump suitable for generating pressure lo.

Verbindet ein Dreiweghahn 11 die Pumpanordnung mit der Atmosphäre, 80 wird der Raum 7 evakuiert. Nach erreichtem Hochvakuum wird der Hahn 11 umgestellt und es wird ein Umlauf-Pumpkreis gebildet; Aus der Röhre 1 in den Raum 7 gelangendes Gas wird durch die i-umpe 8 in das Gefäß 9 geliefert und wird durch die als Verdichter wirkende Pumpe lo wieder dem Entladungsraum 1 zugeführt. Dieser erhält aus einer Gasflasche über einen Druckregler durch die Leitung 12 einen gewünschten konstanten Gasdruck. Wegen des Umlauf-Pumpkreises werden in der Folge nur die unvermeidlichen Gasverluste durch die Gaezuführung 12 ergänzt. Gefäß 9 und Verdichter lo sind gegebenenfalls entbehrlich, wenn die Pumpe 8 selbst auch verdichten kann. Es könnte aber auch auf die Gasrückführung verzichtet und nur evakuiert werde, wenn man die Gasverluste durch die Kathodenkanäle in Kauf nehmen will.If a three-way valve 11 connects the pump arrangement to the atmosphere, 80, room 7 is evacuated. After the high vacuum has been reached, the cock 11 is switched over and a circulation pumping circuit is formed; From the tube 1 in the room 7 coming Gas is delivered through the i-umpe 8 into the vessel 9 and is used as a compressor Acting pump lo is fed back to the discharge space 1. This receives from a Gas bottle via a pressure regulator through line 12 to a desired constant Gas pressure. Because of the circulation-pumping circuit, only the inevitable will follow Gas losses through the gas feed 12 supplemented. Vessel 9 and compressor lo are optionally dispensable if the pump 8 can also compress itself. But it could also be on the gas recirculation is dispensed with and will only be evacuated if one considers the gas losses wants to accept through the cathode channels.

Die Fig.2 zeigt eine Kathodenplatte 13 (der in Fig.1 mit 2 bezeichneten Plattenkathode) mit einer Heizwicklung 14. Die Fig.3 zeigt eine Ausführung, bei welcher die Kathodenpiatte 13 nicht auf ihrer Gesamtfläche mit einem Emissionsbelag versehen ist, sondern nur mit einem streifenförmigen Belag 15. Die Fig.4 zeigt eine Kathodenausführung, bei welcher die Kathodönplstten 13 durch Querstege 16 miteinander verbunden sind, so dass eine Kreuzgitteranordnung entsteht. FIG. 2 shows a cathode plate 13 (the one designated by 2 in FIG Plate cathode) with a heating coil 14. FIG. 3 shows an embodiment in which does not cover the entire surface of the cathode plate 13 with an emission coating is provided, but only with a strip-shaped covering 15. FIG. 4 shows a Cathode design in which the cathode plsts 13 are connected to one another by transverse webs 16 are connected, so that a cross grid arrangement is formed.

Ferner zeigt die Fig. 5 eine Ausführung der Kathode als geheizten Block 17 mit vielen Durchbrechungen 18, die mit Emissionebelag versehen sind. Auch ähnliche Gestaltungen sind möglich. Furthermore, FIG. 5 shows an embodiment of the cathode as a heated one Block 17 with many openings 18 which are provided with emission coating. Even similar designs are possible.

Der Abstand der Kathodenflächen bzw. Durchmesser von runden Kathodendurchlässen iiegt zweckmäßig in der Größenordnung Millimeter bis Zentimeter, also z,B, zwischen 5 und 30 mm, er hängt auch vom Druck der Gasfüllung in der Kanalstrahlröhre 1 ab. Die Abmessung der dazu senkrechten Kathodenflächen, also die Kathodenhöhe, ist zweckmäßig gleich oder größer wählbar, z,B, zwischen lo und loo mm. Die Kathode Gesamtfläche kann nun extreme Werte erreichen, z.B. von der Größenordnung cm2 bis m2. Etwa liegt der Jesamtdurchmesser der Kanalstrahlröhre 1 in der Größenordnung cm bis m, z.B. The distance between the cathode surfaces or the diameter of round cathode passages It is expediently in the order of millimeters to centimeters, i.e. between, for example 5 and 30 mm, it also depends on the pressure of the gas filling in the duct tube 1. The dimensions of the cathode surfaces perpendicular to them, that is to say the cathode height, are appropriate equal or greater can be selected, e.g. between lo and loo mm. The total area of the cathode can now reach extreme values, e.g. of the order of cm2 to m2. About lies the total diameter of the duct beam tube 1 in the order of cm to m, e.g.

zwischen 50 cm und einigen Metern.between 50 cm and a few meters.

Es kann aber für das Durchfliegen der Atomionen durch die Kathodenkanäle bzw. deren Extraktion durch eine Beschleunigungselektrode auch vorteilhaft sein, wenn die Abstände der sich in Richtung der Ionenbewegung erstreckenden Kathodenemissionsflächen eine Vergrößerung nach unten aufweisen, also die Kathodenkanäle sich nach unter, erweitern. Eine solche Ausführung zeigt die Fig.6 in seitlicnem Schnitt. Es sind die schrägen Kathodenteile 19 erkennbar, sonst der Kathodengestaltung gemäß den Figuren 1 bis 5 entsprechend. But it can be used for the atomic ions to fly through the cathode channels or their extraction by an acceleration electrode can also be advantageous, when the distances between the cathode emission surfaces extending in the direction of ion movement have an enlargement downwards, i.e. the cathode channels are downwards, expand. Such an embodiment is shown in FIG. 6 in a lateral section. There are the inclined cathode parts 19 can be seen, otherwise the cathode design according to the Figures 1 to 5 accordingly.

Claims

In the arrangement according to Fig.l can expediently a control of the atomic ion flow for the purpose of sending out "ion packets" d.s. limited ion current surges occur as a result, that the anode 3 or in particular electrodes 4 and 5 only with short voltage pulses 0 patent claims: atomic ion source, especially for ion accelerators, preferably for atomic nucleus fusion by means of atomic ion plasma jets directed against one another, in which a gas discharge and a perforated cathode is used, thereby characterized in that a grid-shaped glow cathode (2) is provided, the extent of which perpendicular to the discharge cross-section is greater than in this and which must be predetermined from perpendicular to the discharge cross-section, i.e. in the discharge direction extending cathode plates (13) or passages (18) with electron emitting Coating exists.

2. Ion source according to claim 1, characterized thereby marked

net that a low pressure gas discharge, preferably in deuterium gas, is used, preferably with an amperage of lo - loo amps. or above and a voltage between lo and loo volts, from which through the cathode passages the atom ions escape.

3. Ion source according to claim 1 and / or 2, characterized in that that behind the cathode (2) is a similar in geometric shape, against the cathode is negative acceleration electrode (4), through its passages the accelerated atomic ions continue to lie.

4. Ion source according to claims 1 to 3 or one of the same, characterized in that the vessel cross-section is behind the hot cathode (2) expanded (7 in Fig.1) and a connection for a high vacuum suction device (8) owns.

5. Ion source according to claims 1 to 4 or one of the same, characterized in that a gas circuit is provided (8, 9, lo, 11), in to which the extracted gas is compressed again and fed to the discharge space (1), so that only the one to cover the loss of ions and the inevitable gas losses required operating gas must also be supplied (supply 12)

6. Ion source according to claims 1 to 5 or one of the same, characterized in that that the cathode (2) consists of plate-shaped parts (13) with an electron emission coating and heating coil (14).

7. Ion source according to claims 1 to 6 or one of the same, characterized in that the emission coating of cathode surfaces in longitudinal strips (15) is applied with gaps.

8. Ion source according to claims 1 to 7 or one of the same, characterized in that the cathode with heated cathode parts (13) and weaker Cross parts (16) is designed in a grid shape.

9. Ion source according to claims 1 to 5 and 7 or one the same, characterized in that the cathode as a block (17) with an opening (18) is executed.

lo. Ion source according to the f te-rl scents i to 9 or one of the same, characterized by the fact that the cathode consists of the downwardly narrowing (19) i.e. it is designed with sags widening towards the bottom.

11. Ion source according to claims 1 to 10 or one of the same, characterized in that to the part donating the atomic ions, preferably @@@ inem Ion accelerator, yet another electrode (5) @@ or a contraction coil (6) are provided.

12. Ion source according to @@ en @ chen 1 to 11 or one of the same, characterized by @@ ase in the discharge vessel (1) a filling of @ e @ ter @@ one Maintain pressure between 5 and 30 torr

13. Ion source according to the claims 1 to 12 or one of the same, characterized in that the distance between the cathode surfaces between 5 mm, preferably between 5 and 30 mm

14. Ion source according to d @@@ en @chen 1 to 13 or one of the same, by @en @et that the cathode gas surface is in the order of magnitude of up to m² and the discharge vessel (1) is preferably one Diameter from 50 cm to a few meters au @@@ t.

15. Ion source according to P @@ en @nen 1 to 14 or one of the same, as a result, the cathode depth is between 10 and 100 mm.

16. ion source, drawn as described.