DE2421907A1 - Vorrichtung zur erzeugung eines plasmas - Google Patents

Description

Anmelderin: Stuttgart, den 2· Mai 1974

Hughes Aircraft Company P 2881 S/kg

Centinela Avenue and

Teale Street

Culver City, Calif., V.St.A.

Vorrichtung zur Erzeugung eines Plasmas

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Plasmas als Quelle für geladene !Teilchen, mit einen hohlen Kathodenraum begrenzenden Wänden, von denen eine Wand mit Löchern versehen ist, durch die hindurch dem Kathodenraum geladene Teilchen entzogen werden können, mit einer außerhalb des Kathodenraums angeordneten Beschleunigungselektrode für die aus den Löchern austretenden Teilchen und mit einem die gelochte Wand und die Beschleunigungselektrode enthaltenden Gefäß,

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. in dem ein so weit verminderter Gasdruck herrscht, daß der Zustand zwischen der gelochten Wand und der Beschleunigungselektrode außerhalb des Durchbruchbereichs der Pasohenkurve für das verwendet Gas liegt·

Energiereiche Elektronen- und Ionenstrahlen werden in einer Vielzahl von Geräten benutzt, beispielsweise Bestrahlungsgeräten, TER-Gaslasern und Ionentriebwerken« Für diesen Zweck stehen verschiedene Elektronen- und Ionenquellen zur Verfügung. Ein Glimmentladungsplasma enthält sowohl Ionen als auch Elektronen, wird für die verschiedensten Zwecke in großem Umfang gebraucht und kann auch für diesen Zweck benutzt werden» Wenn ein Glimmentladungsplasma Jedoch in einer Anordnung benutzt wird, in der Beschleunxgungsspannungen benötigt werden, ist im allgemeinen ein Differenzpumpen erforderlich, um den Gasdruck in der Beschleunigungsstrecke niedrig genug zu halten, um in dem unter der hohen Beschleunigungsspannung stehenden Strahl einen Paschendurchbruch zu verhindern.

Zum Stand der Technik wird insbesondere auf die eine hohle Kathode und eine aus dünnem Draht bestehende Anode aufweisende Anordnung hingewiesen, die von Go W. McGlure in "American Physics Letters", Band 2, Nr· 12 vom 15-6.1965, Seite 233» beschrieben worden isto

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs beschriebenen Art zu schaffen, bei der auch bei Anwendung hoher Beschleunigung sspannungen ein Differenzpumpen nicht erforderlich

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ist, um einen Paschendurchbruch zu vermeiden·

Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch, gelöst, daß die Wände eine Anodenwand und eine Kathodenwand umfassen, die zusammen die äußere Begrenzung"für eine Niederdruck-Glimmentladung "bilden, und die Anodenwand so angeordnet ist, daß sie nicht wesentlich in das durch die Glimmentladung erzeugte Plasma eindringt, daß das Verhältnis der Anodenfläche zur Kathodenfläche für die Glimmentladung kleiner als Eins ist und daß im Inneren des Kathodenraumes eine Einrichtung zum Einleiten der Glimmentladung angeordnet ist, von der aus die eingeleitete Glimmentladung auf die Anodenwand übertragen werden kann.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung findet die Gasentladung in der hohlen Kathode bei einem minimalen inneren Gasdruck statt, der darauf zurückzuführen ist, daß das Verhältnis der Kathodenfläche zur Anodenfläche auf ein Maximum gebracht worden ist, soweit es mit der Aufrechterhaltung der Glimmentladung verträglich war, so daß maximale Beschleunigungsspannungen an einen dem Kathodenraum entzogenen Strahl angelegt werden kann, ohne daß ein Paschendurchbruch erfolgt und ohne daß ein Differenzpumpen erforderlich ist«, Die zusätzliche Zündelektrode ist erforderlich, um bei dem im Kathodenraum herrschenden niedrigen Gasdruck eine Glimmentladung auszulösen«

Weitere Einzelheiten und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung der in der

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Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele_o Die der Beschreibung und der Zeichnung zu entnehmenden Merkmale können bei anderen Ausführungsformen der Erfindung einzeln für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination Anwendung finden» Es zeigen

Figo 1 eine perspektivische Ansicht einer Vorrichtung nach der Erfindung in Verbindung mit einem Laser, dessen Gas mit Hilfe eines Elektronenstrahles hoher Energie, der von der erfindungsgemäßen Vorrichtung geliefert wird, ionisiert wird,

Figo 2 einen Schnitt längs der Linie 2-2 durch die Anordnung nach Figo 1 in vergrößertem Maßstab und

Fig. 3 einen Querschnitt ähnlich Fig«, 2 durch eine weitere, als Ionenquelle dienende Vorrichtung nach der Erfindung·

In der Anordnung nach Fig. 1 dient eine nach der Erfindung ausgebildete Vorrichtung 10 als Quelle von Elektronen hoher Energie„ Wie dargestellt, ist sie an den Resonator 12 eines Lasers angeschlossen, um das darin enthaltene Gas zu ionisieren. Zu dem Resonator des Lasers gehören Spiegel 14 und 16« Wie aus Fig_e 2 ersichtlich, enthält der Resonator 12 des Lasers eine Elektrode 18, die zum Aufrechterhalten einer eingeleiteten Entladung im Resonator 12 dient und die ein übliches Bauteil eines solchen Lasers bildete Der

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Hesonator 12 ist derjenige eines Gaslasers, beispielsweise eine TEA—Lasers, wie er in der US-PS 3 702 973 beschrieben ist. Einen weiteren Gaslaser offenbart die US-PS 3 577 096. Endlich wird noch auf die US-PS 3 64-1 4-54- verwiesen, aus der hervorgeht,, daß ein Gaslaser durch einen Elektronenstrahl ionisiert werden kann. Letztlich wird auch noch auf einen Aufsatz von A. J. Beaulieu in "Applied Physics Letters", Band 16, 1970, Seite 504·, verwiesen,,

An einer Seite des Laser-Resonators 12 ist das Gehäuse der Elektronenquelle befestigt. Das Gehäuse 20 dient als Umhüllung für die übrige Struktur der Elektronenquelle und dient auch als Vakuumgefäß. An einer Seite des Gehäuses 20 befindet sich eine Wand 22, die das Gehäuse mit dem Resonator 12 gemeinsam hat. Die Wand 22 hat einen von einer dünnen Folie gebildeten Abschnitt 24·, der als elektronendurchlässiges Fenster dient. Die Gehäuse und der Hesonator können aus Metall bestehen. Der das Fenster bildende Abschnitt 24- ist so dünn wie möglich, um einen möglichst freien Durchtritt von Elektronen zu gestatten, jedoch auch ausreichend dicht, um die Vakuumdichte des Gehäuses 20 zu gewährleisten. Der Abschnitt 24- kann mechanisch abgestützt sein, damit er besser der Druckdifferenz zwischen den Innenräumen der beiden Gehäuse standhält. Der Druck innerhalb der Elektronenquelle 10 ist durch die Anwendung des vollständig geschlossenen Gehäuses 20 von der Umgebung unabhängig· Das Gehäuse 20 kann mit einer Vakuumpumpe und/oder einer Gasquelle verbunden sein, um der im Gehäuse 20 herrschenden Atmosphäre den gewünschten Druck und die gewünschte

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Zusammensetzung erteilen zu können. Das Einhalten eines so geringen Gasdruckes im Gehäuse 2O₁ wie es mit dem Aufrechterhalten einer Plasmaentladung vereinbar ist, ist ein Merkmal dieser Erfindung und wird später mehr im einzelnen behandelt. Die Geometrie der verschiedenen !Beile steht in Beziehung zur Aufrechterhai tung des gewünschten niedrigen Druckes· Innerhalb des Gehäuses 20 ist auf geeigneten, elektrisch isolierenden Stützen eine hohle Kathode 26 befestigt· Die Kathode 26 weist Randleisten 28 und 30 auf, an denen Isolatoren 31 und 33 befestigt sind. An den Innenseiten der Isolatoren, die dem Inneren der Kathode 26 zugewandt sind, ist eine gelochte Anode 32 befestigt. Auf der anderen Seite der Isolatoren ist ein perforiertes Steuergitter 34- angebracht. Der das Fenster bildende Abschnitt 24 fluchtet mit der Anode und dem Steuergitter 34-· Der das Fenster bildende Abschnitt 24 ist im Abstand von dem Steuergitter 34 angeordnet und kann als Beschleunigungselektrode an eine entsprechende Spannung angelegt werden,,

Innerhalb der Kathode erstrecken sich über die freiliegenden Abschnitte der Isolatoren 31 und 33 Stege 36 und 38, die auch bis über die Ränder der gelochten Anode reichen, so daß vom Inneren der Kathode 26 aus nur der gelochte Abschnitt der Anode sichtbar ist· Die Kathode 26 hat eine wirksame Oberfläche 40, die sich über die Innenseite der Kathode 26 bis zu den sich einander gegenüberstehenden Rändern der Stege 36 und 38 erstreckte

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Die Öffnung 42 zwischen den Rändern der Stege 36 und 38 ist die wirksame Anodenfläche. Äußere Stege 44 und 46 schützen die Außenflächen der Isolatoren 32 und 34, indbui sie das Kathodenpotential um die äußeren, geschützten Flächen der Isolatoren herumführenο Das Vorhandensein der inneren Stege 36 und 38 ist jedoch nicht unbedingt erforderlich und es kann, wenn sie vorhanden sind, auch ihre Länge in weiten Grenzen gewählt werden· Sie sollten sich wenigstens über den freiliegenden Teil der Isolatoren erstrecken, wenn ein Schutz der Isolatoren gewünscht ist, jedoch können sie eine Strahlfokussierung bewirken» Ebenso brauchen sich auch die äußeren Stege und 46 nur über die äußeren Isolatorflächen zu erstrecken und sie können eine Strahlfokussierung bewirken, wenn sie sich so weit erstrecken, wie es Fig. 2 zeigt.

Die Elektronenquelle 10 umfaßt auch eine Zündelektrode 48, die vorzugsweise die Form eines dünnen Drahtes hat. Sie erstreckt sich im wesentlichen durch das Zentrum des Kathodenraumesο Wenn die Kathode 26, wie dargestellt, die Form eines länglichen Rohres hat, erstreckt sich die Zündelektrode zweckmäßig über die ganze Länge der Anordnung.

Zum Zuführen des nötigen Betriebsstromes sind verschiedene Energiequellen vorgesehen. Eine Energiequelle 50 ist zwischen die Kathode 26 und die gelochte Anode 32 geschaltet, um die Anode in Bezug auf die Kathodenfläche 40 positiv zu halten und im Inneren der Kathode eine Glimmentladung aufrechtzuerhalten_o Die Spannung liegt in der Größenordnung von 300 bis 600 V während

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der Strom "bei der gewünschten Art der Entladung zwischen 10 und 1 A/cm der effektiven Kathodenfläche beträgto Eine Zündenergiequelle 52 ist zwischen die Kathode und die Zündelektrode 48 geschaltet. Wenn ein Zünden gewünscht ist, liefert die Zündenergiequelle 52 an die Zündelektrode 4-8 einen positiven Impuls, Ein Impuls von etwa 500 bis 1000 V und einer Dauer von etwa 1 ,as ist geeignet. Eine Steuerenergiequelle 54 ist ■wischen die Anode 32 und das Steuergitter 34 geschaltet, um das Steuergitter in bezug auf die Anode vorzuspannen· An das Steuergitter kann eine negative Spannung angelegt werden, welche die Entladungsspannung der Energiequellen 50 überschreiten kann, um den Elektronenstrom zu unterdrücken. Wenn das Steuergitter nicht zum Abschalten des Elektronenstroms benutzt wird, wird es gewöhnlich mit einem Potential betrieben, das dem Potential der Anode 32 nahe ist. Es kann sowohl positiver als auch negativer sein.

Zwischen die Anode 32 und den als Fenster dienenden Abschnitt 24 des Gehäuses ist eine Beschleunigungsenergiequelle 56 geschaltet. Der Abschnitt 24 ist dabei gegenüber der Anode 32 positiv, um die Elektronen zu beschleunigen. Bei einer "Vorrichtung nach der Erfindung können Beschleunigungsspannungen von mehr als 150 kV Anwendung finden_o

Die eine Hohlkathode aufweisende Elektronenkanone nach Figo 2 ist in der Lage, ein Plasma mit angemessener Dichte

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dem Hochspannungs-Beschleunigungsbereich zwischen dem Steuergitter 34· und dem Fensterabschnitt 24 einen Paschendurchbruch zu verursachen· Um einen solchen Durchbruch zu vermeiden, muß der Gasdruck der Entladung relativ niedrig gehalten werden,. Der Druck liegt typischerweise unter etwa 50 .^ilmHg für Helium und ist für andere Gase noch geringere Der Aufbau der Elektronenquelle 10 ermöglicht einen Betrieb bei einem derart geringen Gasdruck, weil der größte Teil des Entladungsraumes von der hohlen Kathodenfläche umschlossen ist, weil die Anodenfläche sehr viel kleiner gehalten ist als die Kathodenfläche und weil die Anodenfläche im wesentlichen mit der Kathodenfläche fluchtet. Das Umschließen des Entladungsraumes durch die hohle Kathode führt zu einer optimalen Ausnutzung der im Plasma erzeugten Ionen, die im wesentlichen alle auf die Kathode zurückfallen, wo sie sekundär Elektronen erzeugen, die zum Aufrechterhalten der Entladung benötigt werden. Das zweite und das dritte Merkmal, nämlich das kleine Verhältnis von Anodenfläche zu Kathodenfläche und die im wesentlichen fluchtende Anordnung der Anodenfläche zur Kathodenfläche, sind ebenfalls für das Aufrechterhalten der Entladung buch bei geringen Drücken und werden weiter unten näher erläutert·

Nachdem eine Glimmentladung gezündet worden ist, ist der Innenraum der Hohlkathode, der von der wirksamen Innenfläche 4-0 der Kathode gebildet wird und sich über den Spalt zwischen den inneren Stegen 36 und 38 erstreckt, mit Plasma gefüllt, dessen Potential demjenigen der

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positivsten Elektrode, also der gelochten Anode 32, nahe ist. Dies beruht auf der Tatsache, daß die Beweglichkeit der Elektronen sehr viel größer ist als diejenige der Ionen. Die Entladungsspannung tritt demnach im wesentlichen an der Anodenschicht auf, die zwischen der Kathodenfläche und dem Plasma existiert. Die Dicke der Kathodenschicht ist sehr viel geringer als der Durchmesser der Kathode. Dies ist für eine Glimmentladung bei kalter Kathode typisch. Um die Entladung im stationären Zustand zu erhalten, muß die Rate der Ionenerzeugung der Rate des Ionenverlustes gleich sein. Diese Bedingung bestimmt sowohl den geringsten Druck, bei dem eine Entladung existieren kann, als auch die Entladungsspannung.

Bei den Plasmadichten, die innerhalb der Kathode 26 angetroffen werden, wenn die Vorrichtung in dem gewünschten Modus arbeitet, und für die bis zu etwa 10 ^J Ionen pro Kubikzentimeter typisch sind, ist der Ionenverlust vorwiegend durch den zur Kathode fließenden Ionenstrom bedingt. Der Ionenverlust durch Rekombinationseffekte im Kathodenraum ist dagegen vernachlässigbar klein. Die die Kathode erreichenden Ionen werden in der Kathodenschicht auf eine Energie beschleunigt, die der Entladespannung entspricht. Wie oben angegeben, beträgt die Entladespannung gewöhnlich einige hundert Volt für die gewünschte Glimmentladung. Beim Auftreffen auf die Kathode erzeugen diese Ionen Sekundärelektronen· Die Sekundärelektronen werden ihrerseits in der Kathodenschicht praktisch auf die volle Entladungsspannung beschleunigt. Bei dem herrschenden geringen

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Druck ist die freie Weglänge der Elektronen sehr viel größer als der Abstand zwischen einander gegenüberliegenden Kathodenflächen. Infolgedessen werden die meisten beschleunigten Elektronen den Entladungsraum durchqueren, an der gegenüberliegenden Eathodenfläche reflektiert und im Innenraum der Hohlkathode zwischen gegenüberliegenden Kathodenflächen hin- und herschwingen, bis sie eventuell einen unelastischen Stoß ausführen. Solche unelastischen Stöße sind mit hoher Wahrscheinlichkeit ionisierende Stöße« Die Wahrscheinlich, daß ein Elektron die Anode erreicht, bevor es einen ionisierenden Stoß ausgeführt hat, nimmt mit abnehmendem Gasdruck zu, nimmt jedoch bei einer gegebenen Größe der Kathodenfläche mit abnehmender Größe der Anodenfläche ab. Infolgedessen ist eine kleine Anodenfläche wichtig, um den Mindestdruck zu senken, bei dem noch eine Glimmentladung aufrechterhalten werden kann_o Weiterhin ist erkennbar, daß die beschriebenen Vorgänge nur dann wirksam stattfinden können, wenn der Weg der hin- und her schwingenden Elektronen nicht von einer Anodenfläche unterbrochen wirde Dies ist der Grund, weshalb eine mit der Kathodenfläche fluchtende Anodenfläche wichtig ist, während eine in den Innenraum der Hohlkathode eingreifende Anode schädlich sein würde.

Bei einer praktischen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung hatte die Kathode eine effektive Oberfläche von etwa 2^0 cm , während die Öffnung, die der wirksamen Anodenfläche entsprach, eine Größe von

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etwa 30 cm hatte» Die Kathode bestand aus rostfreiem Stahl. Das in der Kammer verwendete Gas war Helium, und es konnte eine gut beherrschte Gasentladung bis zu einem Gasdruck von weniger als 20 Milli-Torr aufrechterhalten werden· Dieser Gasdruck ist ausreichend niedrig für eine eine Plasmakathode bildende Gasentladungsvorrichtung mit einer Hochspannungs-Elektronenbeschleunigung oder -lonenbeschleunigung.

Obwohl die vorstehend beschriebene und in Fig. 2 dargestellte Vorrichtung dazu geeignet ist, eine Gasentladung bei dem gewünschten niedrigen Gasdruck aufrechtzu-erhalten, so erlaubt sie jedoch nicht eine zuverlässige Zündung der Gasentladung bei diesem geringen Drucke Dies beruht auf der Tatsache, daß das bei fehlender Glimmentladung zwischen der Kathode und der damit fluchtenden Anode existierende elektrische Feld für diesen Zweck sehr ungünstig ist. Jedes ausgelöste Elektron, das innerhalb der Hohlkathode vorliegt, wird schnell auf die Anode fokussiert und schnell eingefangen, bevor es die Möglichkeit hat, einen Ionieierungs· stoß auszuführen,. Infolgedessen kann der Lawinenprozeß, der zum Auslösen der Entladung notwendig ist, nicht stattfinden. Diese Situation ist von derjenigen bei Vorliegen eines Plasmas verschieden, weil in Gegenwart dea Plasmas die Feldverteilung, wie sie im Vakuum vorhanden wäre, nicht existiert, Während der Plasmaentladung ist das elektrische Feld im wesentlichen auf die Kathodenschicht konzentriert und es werden die Elektronen nicht auf die Anode fokussiert. Daher ist

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zusätzlich zu der fluchtenden Anode, die für eine Vielzahl von Anwendungen erwünscht ist, für eine zuverlässige Zündung die Zündelektrode 48 vorgesehen·

Die Wirkung der Zündelektrode wird verständlich, wenn beachtet wird, daß bei einem geringen Durchmesser des Drahtes, der typischerweise weniger als 1mm beträgt, die Wahrscheinlichkeit, mit der ein in Richtung auf die Zündelektrode 48 beschleunigtes Elektron eingefangen wird, von der ursprünglichen Azimutgeschwindigkeit des Elektrons abhängte Unter praktischen Bedingungen wird ein solches ursprüngliches Elektron unter dem Einfluß des Vakuumfeldes in Richtung auf den die Zündelektrode bildenden dünnen Draht beschleunigt, hat jedoch eine hohe Wahrscheinlichkeit, den Draht nicht zu treffen«) Unter dieser Bedingung wird das Elektron in einer den Draht umgebenden Bahn gefangen, bis es einen Ionisierungsstoß ausführt und den Lawinenprozeß auslöst, der erforderlich ist, um die Gasentladung in der Hohlkathode in Gang zu setzen· Sobald die Entladung ausgelöst ist, kann sie leicht von der Zündelektrode 48 auf die gelochte Anode 33 übertragen werden· Zu diesem Zweck genügt es, die gelochte Anode 32 auf oder über der Entladungsspannung zu halten und die Spannung der Zündelektrode 48 unter die Entladespannung abfallen zu lassen, nachdem die Zündung stattgefunden hat.

Es versteht sich, daß selbst bei Verwendung einer Zündelektrode 48 in Form eines dünnen Drahtes die Zündung von dem Erscheinen eines ursprünglichen Elektrons abhängt, das einen Lawinenprozeß auslöst. Im

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.ungünstigsten Fall hängt die Erzeugung eines ursprünglichen Elektrons von einer Ionisation durch kosmische Strahlung ab. Bei einem Gasdruck von weniger als 50 ' inHg und mit einem Gasvolumen in der Größenordnung von einigen Kubikzentimetern kann die Rate der Erzeugung solcher Elektronen in der Größenordnung von einem Elektron pro Sekunde liegen₀ Infolgedessen kann sich bei der Zündung eine statistische zeitliche Verzögerung der gleichen Größenordnung ergebene Diese statistische Verzögerung kann leicht auf die Größenordnung von Mikrosekunden und weniger reduziert werden, indem die benötigten Ausgangselektronen künstlich erzeugt werden., Eine Möglichkeit zur Erzeugung von Ausgangselektronen besteht darin, in dem Entladungsraum eine radioaktive Quelle geringer Intensität anzuordnen«

Elektronen werden dem Plasma durch das relativ zur Kathode positive Potential der Anode 32 entzogen. Die Elektronen, welche die Löcher in der Anode 32, die als Extraktionsgitter dient, durchdringen, werden zunächst in einem im wesentlichen durch Raumladung begrenzten Strom in dem Extraktions- und Steuerbereich zwischen der Anode 32 und dem Steuergitter 34 beschleunigt. Nachdem die Elektronen das Steuergitter 34 passiert haben, werden sie weiter von dem Hochspannungs—Beschleunigungsfeld beschleunigt, das zwischen dem Fensterabschnitt 24 und dem Steuergitter 34 herrscht. Die Anode 32 und das Steuergitter 34 sind annähernd auf dem gleichen Potential«, Bei einem Abstand zwischen

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dem Steuergitter 34 und dem Fenster 24 in der Größenordnung von 2,5 ^cm und niit Helium im Zwischenraum mit einem Druck von 5° Milli-Torr oder weniger wurden Beschleunigungsspannungen von über I50 kV angelegt, ohne daß ein Paschen- oder Vakuumdurchschlag stattfand. Die maximale Beschleunigungsspannung, die zwischen dem Fenster 24 und dem Steuergitter 34 angelegt werden kann, ist durch die Bedingungen sowohl für den Paschendurchbruch als auch für den Vakuumdurchbruch "bestimmte Die Vakuum-Durchbruchsspannung ist im wesentlichen durch den Abstand d zwischen dem Steuergitter 34 und dem Fenster 24 bestimmt. Bei einer Spannung in der Größenordnung von 150 kV liegt ein praktischer Mindestwert für den Abstand d in der Größenordnung von 2,5 cn. Die Paschen-Durchbruchsspannung ist bestimmt durch den Wert des Produktes pd des Gasdruckes ρ und des Abstandes do In dem hier interessierenden Bereich niedrigen Druckes für die Hohlkathoden-Entladungsvorrichtung nimmt die Paschen-Durchbruchsspannung mit abnehmenden Werten des Produktes pd zu„ Für Helium und die hier beschriebene Vorrichtung überschreitet die Paschen— Durchbruchs spannung 150 kV für Werte von pd, die typisch unter 0,4 Torr cm liegen. Es ist nun zu beobachten, daß eine Erhöhung der Vakuum-Durchbruchsspannung eine Erhöhung des Elektrodenabstandes d erfordert, während ein Einhalten der Paschen-Durchbruchsspannung auf einen gewählten Wert erfordert, daß das Produkt pd konstant gehalten wird. Infolgedessen erfordert eine Erhöhung des Abstandes d eine Verminderung des Gasdruckes p_e Dies ist der Grund, weshalb die Fähigkeit der oben

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behandelten Hohlkathoden-Entladungsvorrichtung, mit geringem Gasdruck zu arbeiten, für diese Anwendung besonders wertvoll ist« Ein typischer praktischer Wertesatz umfaßt eine Beschleunigungsspannung bis zu etwa 200 kV, die Verwendung von Helium als Gas mit einem Maximaldruck von etwa 50 ^smHg und einen Elektrodenabstand von etwa 4- cm. Bei einem Gasdruck des Heliums von etwa 30 'mHg kann bei Verwendung einer Kathode aus Edelstahl ein Strom mit einer Dichte von mehreren A/cm bei einer Entladespannung in der Größenordnung von 300 bis 500 V erzielt werden. Der Extraktionsgitterstrom ist kleiner oder in der gleichen Größenordnung wie der Strom der extrahierten Elektroneno

Es sei bemerkt, daß der Querschnitt der Kathode 26 nicht kreisförmig zu sein braucht. Ein rechteckiger Querschnitt ist ebenfalls befriedigend. Die einzige Schlüsselbedingung ist, daß die effektive Anodenfläche sehr viel kleiner sein muß als die effektive Fläche der Hohlkathode, das die Kathode das eingeschlossene Plasma im wesentlichen umgibt und daß die Anode im wesentlichen mit der Kathodenfläche fluchtete

Eine Anwendung der Plasma-Elektronenkanone 10 ist die Verwendung als Elektronenquelle für einen Gaslaser, der von einer Ionisation mit energiereichen Elektronen Gebrauch macht. Bei modernen Lasern dieser Art werden großflächige Hochspannungs-Elektronenkanonen benötigt. Im Vergleich zu Elektronenkanonen mit Glühkathoden, wie sie gegenwärtig für diesen Zweck gebraucht we-rden,

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hat die vorstehend beschriebene Elektronenkanone mit Plasmakathode die folgenden Vorteile_o Geringfügige Lecke in dem von der dünnen Metallfolie gebildeten Fenster können zugelassen werden, vorausgesetzt, daß der Druck im Gehäuse im Bereich von 10 bis 10 -^,Torr gehalten werden kann» Glühkathoden erfordern einen um wenigstens zwei Größenordnungen geringeren Druck. Ein zufälliger Verlust des Unterdruckes hätte bei Plasmakathoden keine schwerwiegenden Konsequenzen, während er gewöhnlich für Glühkathoden katastrophal wäre«. Endlich ist die Plasmakathode im Gegensatz zur Glühkathode gegen elektronegative Gasverunreinigungen nicht empfindlich» Die Plasmakathode erfordert weiter keine Aufheizzeit_β Die Entladung der Plasmakathode kann innerhalb von Mikrosekunden vor dem Auslösen eines Strahles hoher Energie gezündet werden« Weiterhin kann die Elektronenkanone mit Plasmakathode auf einer sehr viel niedrigeren Temperatur gehalten werden als Elektronenkanonen mit Glühkathoden» Es werden auch keine als solche empfindlichen Heizelemente benötigt. Dies Plasmakathode kann leicht mit großen Abmessungen hergestellt werden, ohne hierbei größere Schwierigkeiten anzutreffen, beispielsweise bestehen keine Probleme hinsichtlich der Zufuhr einer übermäßig großen Heizleistung oder hinsichtlich der Stabilität des Aufbaues. Die Kosten einer Elektronenkanone mit Plasmakathode dürften niedri ger sein als diejenigen für eine Glühkathode mit vergleichbar großer Fläche, und zwar wegen des ihr eigenen einfachen Aufbaus und der zu erwartenden, größeren Zuverlässigkeit, Die Plasma-Elektronenkanone benötigt

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keine energieverbrauchenden Heizelemente. Die Energie, die für die Glimmentladung gebraucht wird, bildet nur einen geringen Bruchteil der hohen Energie des Elektronenstrahles. Bei Pulsbetrieb kann der mittlere Leistungsverbrauch geringer sein als der einer entspre chenden'Glühkathode «

Eine andere vorteilhafte Anwendung für die vorstehend beschriebene Elektronenkanone mit Plasmakathode besteht in industriellen Einrichtungen zur Bestrahlung mit energiereichen Elektronen. So werden in manchen Fällen die Ausgangsstoffe zur Herstellung polymerer Kunststoffe einer Elektronenbestrahlung ausgesetzt, um eine Polymerisation zu bewirken. Eine Elektronenbestrahlung kann auch für andere chemische Zwecke angewendet werden.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann außer als Elektronenquelle auch als Ionenquelle ausgebildet werden. Fig. 3 zeigt eine solche Ionenquelle. Die Ionenquelle weist ein Gehäuse 62 auf, das einen Vakuumraum 64 umschließt. In dem Gehäuse 62 ist eine gegenüber dem Gehäuser isolierte Kathode 66 angeordnet. Diese Kathode weist einen gelochten, ebenen Wandabschnitt auf, der als Extraktionsgitter 68 dient. In dem von der Katthode 66 umschlossenen Kathodenraum 70 wird ein geeigneter Druck aufrechterhalten, so daß von einer Zündelektrode 72 eine Glimmentladung ausgelöst und von einer Anode 74-aufrechterhalten werden kann. Die Anode 74- verläuft wieder fluchtend zur Kathode 66. Aus dem gleichen Grund, wie er oben behandelt worden ist, wird der Druck innerhalb des Kathodenraumes 70 so niedrig gehalten, wie es

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mit dem Aufrechterhalten einer Niederdruck-Glimmentladung im Kathodenraum 70 vereinbar ist» Die Ionen, die aus dem Plasma zum Extraktionsgitter 68 wandern, werden durch ein Beschleunigungsgitter 76 in Richtung auf eine Fangelektrode 78 beschleunigte

Zwischen die Kathode 66 und die Zündelektrode 72 ist eine Zündenergiequelle 80 geschaltet, die zum Auslösen der Gasentladung dienende Impulse erzeugt. Eine Entladungs-Energiequelle 82 ist zwischen die Kathode 68 und die Anode 7^ geschaltet, damit die oben beschriebene Glimmentladung bei niedrigem Druck aufrechterhalten werden kann,. Zwischen die Kathode 66 und das Beschleunigungsgitter 76 ist eine Beschleunigungs-Energiequelle 84 geschaltet. Die Fangelektrode 78 liegt auf etwa dem gleichen Potential wie das Beschleunigungsgitter 76 oder ist negativer und ist daher entweder an den negativen Pol der Beschleunigungs-Energiequelle 84 oder den negativen Pol einer zusätzlichen Beschleunigungs-Energiequelle 85 angeschlossen·

Die Ionenquelle 60 erzeugt demnach die oben beschriebene Niederdruck-Gasentladung, in der Ionen und Elektronen vorliegen, und es können dem Plasma Ionen entzogen und beschleunigt werden. Der geringe Druck im Raum 24 erlaubt auch hier wieder die Anwendung hoher Beschleunigungsfeider ohne Paschendurchbruch. Das Extraktionsgitter und, bei Bedarf, ein Steuergitter können unter Anwendung der bekannten Techniken hergestellt werden, die für Elektronenbeschuß, Ionenquellen und Ionentriebwerke entwickelt worden sind_o

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Der fundamentale Unterschied zwischen der Ionenquelle 60 und bekannten Ionenquellen besteht in der Anwendung einer Niederdruck-Gasentladung zur Ionenerzeugung, die mittels der hohlen Kathodenanordnung unter den oben .beschriebenen Arbeitsbedingungen aufrechterhalten wird, ohne daß ein magnetisches Feld oder eine Glühkathode benötigt wird.

Ein Vorteil der Anwendung einer fluchtenden Anode zur Aufrechterha^ i-ung der Entladung anstatt eines dünnen Drahtes, wie er zum Zünden verwendet wird, ist die leichtere Kühlung der fluchtenden Anode, die zum Ergebnis hat, daß die Anode einem höheren mittleren Entladungsstrom standhalten kann· Ein größerer mittlerer Entladungsstrom führt zu einer größeren Plasmadichte und erlaubt die Extraktion eines höheren mittleren Ionenstromes«, Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung gegenüber der Anwendung eines dünnen Drahtes als Anode liegt in der Tatsache, daß das Plasma eine gleichförmigere Dichte-Verteilung hat, woraus auch eine gleichförmigere Stromdichteverteilung in dem extrahierten Ionenstrahl resultierte

Die Erfindung wurde vorstehend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele beschrieben. Es versteht sich, daß die Erfindung nicht auf diese Ausführungsbeispiele beschränkt ist, sondern eine Vielzahl abgewandelter Ausführungsformen möglich ist, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. \

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Claims (1)

1. Patentansprüche

   Vorrichtung zur Erzeugung eines Plasmas als Quelle für geladene Teilchen mit einen hohlen Kathodenraum begrenzenden Wänden, von denen eine Wand mit Löchern versehen ist, durch die hindurch dem Kathodenraum geladene Teilchen entzogen werden können, mit einer außerhalb des Kathodenraums angeordneten Beschleunigungselektrode für die aus den Löchern austretenden Teilchen und mit einem die gelochte Wand und die Beschleunigungselektrode, enthaltenden Gefäß, in dem ein so weit verminderter Gasdruck herrscht, daß der Zustand zwischen der gelochten Wand und der Beschleunigungselektrode außerhalb des Durchbruchsbereichs der Paschenkurve für das verwendete Gas liegt, dadurch gekennzeichnet, daß die Wände eine Anodenwand (32; 74) und eine Kathodenwand (26; 68) umfassen, die zusammen die äußere Begrenzung für eine Niederdruck-Glimmentladung bilden, und die Anodenwand (32; 74) so angeordnet ist, daß sie nicht wesentlich in das durch die Glimmentladung erzeugte Plasma eindringt, daß das Verhältnis der Anodenfläche zur Kathodenfläche für die Glimmentladung kleiner als Eins ist und daß im Inneren des Kathodenraumes eine Einrichtung (48; 72) zum Einleiten der Glimmentladung angeordnet ist, von der aus die eingeleitete Glimmentladung auf die Anodenwand (32; 74) übertragen werden kann«»

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   2, Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die gelochte Wand die Anodenwand (32) ist und die dem Kathodenraum entzogenen Teilchen Elektronen sind.

   3· Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der gelochten Anodenwand (32) und der Beschleunigungselektrode (24) ein Steuergitter (34) in Form einer gelochten Elektrode oder eines leitenden Netzes angeordnet ist, das zur Steuerung des Stromes der dem Kathodenraum edzogenen Elektronen dient und an ein zwischen dem Kathodenpotential und dem Beschleunigungspotential liegendes Potential angeschlossen ist.

   4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3» dadurch gekennzeichnet, daß die Beschleunigungselektrode (24) von einem für Elektronen durchlässigen Fenster in dem die Beschleunigungselektrode (24) und die gelochte Anodenwand (32) enthaltenden Gefäß (20) gebildet wird, so daß die in Richtung auf das Fenster beschleunigten Elektronen das Fenster durchdringen und in eine Atmosphäre beliebiger Zusammensetzung und beliebigen Druckes eintreten können.

   5· Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die gelochte Wand die Kathodenwand (68) ist und die dem Plasma entzogenen Teilchen Ionen sind, daß die Beschleunigungselektrode (78) im Abstand von der Kathodenwand (68) angeordnet und an ein in bezug auf die Kathodenwand negatives Potential

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   angeschlossen ist, und daß im Gefäß (64) der Bereich, zwischen der gelochten Kathodenwand (68) und der Beschleunigungselektrode (78) in einem Zustand gehalten ist, der dem Bereich der Paschenkurve für das vorhandene Gas entspricht, in dem kein Durchbruch stattfindet.

   6β Vorrichtung nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß zwischen die gelochte Kathodenwand (68) und der Beschleunigungselektrode (78) ein Steuergitter (76) in Form einer gelochten Elektrode oder eines leitenden Netzes angeordnet ist, das zur Steuerung des Stromes der dem Kathodenraum entzogenen Ionen dient, auf einem in bezug auf dae Potential der Kathodenwand (68) negativen Potential gehalten und Ionen optisch so gestaltet ist, daß es nur in geringem Umfang Ionen einfängt.

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