DE2421907B2 - Vorrichtung zur erzeugung eines elektronen- bzw. ionenstrahls - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erzeuen eines Elektronenstrahls mit einem von einer Lathodenwand und einer flächenmäßig kleineren inodenwand begrenzten Kathodenraum, in dem durch ine Niederdruck-Glimmentladung ein Plasma erzeugt /Wd, dem durch Löcher in der Anodenwand Elektronen ntzogen werden können, mit einer außerhalb des Lathodenraums angeordneten Beschleunigungselektroe, mit einem die Vorrichtung umgebenden Gefäß, in em ein so weit verminderter Gasdruck herrscht, daß er Zustand zwischen der gelochten Anodenwand und der Beschleunigungselektrode außerhalb des Durchbruchsbereichs der Paschenkurve für das verwendete Gas liegt, und mit einer sich im Inneren des Kathodenraums befindenden Zündelektrode zum Einleiten der Glimmentladung, von der aus die eingeleitete Glimmentladung auf die Anodenwand übertragen werden kann.

Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Ionenstrahls, der sich von der

ίο vorstehend beschriebenen Vorrichtung zur Erzeugung eines Elektronenstrahls nur dadurch unterscheidet, daß nicht die Anodenwand, sondern die Kathodenwand mit Löchern versehen ist und dem Kathodenraum durch diese Löcher hindurch Ionen entzogen werden können.

Bei solchen Vorrichtungen, die aus der Zeitschrift »Vacuum«, Band 21, Nr. 12 (1971), Seiten 601 bis 605 bekannt sind, ist es einerseits erwünscht, den Gasdruck sehr klein zu halten, damit hohe Beschleunigungsspannungen für die durch die Löcher aus der Kathoden- bzw. Anodenwand austretenden geladenen Teilchen angewendet werden können, ohne daß außerhalb des Kathodenraumes ein Spannungsdurchbruch stattfindet, während andererseits eine solche hohe Spannungsfestigkeit dem Einleiten einer Glimmentladung im

Inneren des Kathodenraumes entgegensteht. Bei den bekannxn Vorrichtungen sind als Maßnahmen zum Erleichtern des Einleitens der Glimmentladung das Verwenden einer radioaktiven Quelle, das Einleiten eines Elektronen- oder UV-Strahles, die Anwendung eines Hochspannungs-Impulses oder das Einführen einer Probe durch ein Loch in einer Seitenwand der Hohlkathode, die ständig an einer Hochspannungsquelle mit hohem Innenwiderstand angeschlossen ist, vorgesehen. Je geringer der Gasdruck ist. desto höher muß die Intensität der Strahlungsquellen oder die angelegte Hochspannung sein, um die notwendige Ionisierung zum Auslösen der Glimmentladung zu erzielen. Sowohl die Anwendung von Strahlungsquellen hoher Intensität als auch das Anwenden von besonderen Hochspannungsgeräten zur Erzeugung der Ionisierung erfordert einen erheblichen Aufwand und ist sehr kostspielig.

Aus der FR-PS 13 80 551 ist ein Plasma-Erzeuger bekannt, bei dem eine Anode in Form eines dünnen Stabes oder Drahtes konzentrisch zu einer zylinderförmigen Kathode angeordnet ist. Diese Anordnung soll dazu dienen, ein Plasma hoher Intensität zu erzeugen, damit ein durch die zylindrische Kathode hindurchgeleitetes Gas für den gewünschten Zweck ausreichend stark ionisiert wird. Das Problem des Auslösens der Glimmentladung bei einer Vorrichtung der eingangs beschriebenen Art besteht daher bei der bekannten Vorrichtung nicht. Als Elektronen- oder Ionenquelle ist die bekannte Anordnung nur wenig geeignet, weil es sehr schwierig ist, dem zylindrischen Kathodenraum geladene Teilchen zu entziehen.

Demgemäß liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs beschriebenen Art so auszubilden, daß zum Einleiten der Glimmentladung auch bei sehr niedrigen Gasdrücken nur geringe Spannungen und keine kostspieligen Strahlungsquellen erforderlich sind.

Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, daß die Zündelektrode aus einem Draht besteht, der sich im Inneren des Kathodenraums im wesentlichen parallel sowohl zu der Kathodenwand als auch zu der Anodenwand erstreckt, und daß zwischen der Zündelektrode und der Kathodenwand eine Spannungs-

impulse liefernde Zündenergiequelle angeschlossen ist

Bei Anwendung eines solchen Drahtes reichen Zündimpulse mit einer Spannung von 500 bis 1000 V und einer Dauer von 1 us aus, um ein sicheres Zünden der Glimmentladung zu bewirkta. Diese Spannungen sind mit einfachen Mitteln erzeugbar und können ohne weiteres beherrscht werden.

Die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Anord nung beruht darauf, daß em in Richtung auf den Draht beschleunigtes Elektron den Draht mit großer Wahr- scheinlichkeit nicht treffen, sondern auf einer Kreisbahn um den Draht gefangen werden wird, so daß seine Bahn eine praktisch unbegrenzte Länge erreicht, die auf jeden Fall größer ist als die freie Weglänge bei dem herrschenden Gasdruck. Infolgedessen besteht eine hohe Wahrscheinlichkeit dafür, daß das eingefangene Elektron einen Ionisierungsstoß ausführt. Die dabei erzeugten Elektronen bewegen sich dann wieder auf einer Kreisbahn um den Draht, so daß auch hier die Wahrscheinlichkeit von lonisierungsstößen hoch ist und ein Lawinenprozeß ausgelöst wird, durch den die Gasentladung in der Hohlkathode in Gang gesetzt wird. Im Gegensatz dazu bestehen bei Sonden, die in den Kathodenraum als Zündelektroden eingeführt werden, nur sehr kurze Wege, die die Wahrscheinlichkeit einer Ionisation stark vermindern. Es müssen daher solche Sonden an ausreichend hohe Spannungen angelegt werden, um bei dem herrschenden Gasdruck zwischen der Sonde und einem benachbarten Wandungsteil eine ständige Hilfs-Glimmentladung aufrechtzuerhalten.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher beschrieben und erläutert. Es zeigt

F i g. 1 einen Querschnitt durch eine Vorrichtung zum Erzeugen eines Elektronenstrahls und

F i g. 2 einen Querschnitt durch eine Vorrichtung zum Erzeugen eines Ionenstrahl.

In der Anordnung nach Fig. 1 dient eine nach der Erfindung ausgebildete Vorrichtung 10 als Quelle von Elektronen hoher Energie, deren Gehäuse 20 an den Resonator 12 eines Lasers angeschlossen ist, um das darin enthaltene Gas zu ionisieren.

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 Resonator 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 Zusammensetzung erteilen zu können. Das Einhalten eines so geringen Gasdruckes im Gehäuse 20, 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 Teile steht in Beziehung zur Aafrechterhaltung 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 Aui der anderen Seite der Isolatoren ist ein perforiertes Steuergitter 34 angebracht Der das Fenster bildende Abschnitt 24 fluchtet mit der Anode 32 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 32 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 erstreckt.

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, indem sie das Kathodenpotential um die äußeren, geschützten Flächen der Isolatoren herumführen. 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 44 und 46 nur über die äußeren Isolatorflächen zu erstrecken und sie können eine Strahlfokussierung bewirken, wenn sie sich so weit erstrecken, wie es F-i g. 1 zeigt.

Die Elektronenquelle 10 umfaßt auch eine Zündelektrode 48, die die Form eines dünnen Drahtes hat. Sie erstreckt sich im wesentlichen durch das Zentrum des Kathodenraumes. 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. Die Spannung liegt in der Größenordnung von 300 bis 600 V während der Strom bei der gewünschten Art der Entladung zwischen IO-⁴ und 1 A/cm² der effektiven Kathodenfläche beträgt. Eine Zündenergiequelle 52 isl zwischen die Kathode und die Zündelektrode 4i geschaltet. Wenn ein Zünden gewünscht ist, liefert die Zündenergiequelle 52 an die Zündelektrode 48 einer positiven Impuls. Ein Impuls von etwa 500 bis 1000 \ und einer Dauer von etwa 1 μβ ist geeignet. Eim Steuerenergiequeile 54 ist zwischen die Anode 32 unc das Steuergitter 34 geschaltet, um das Steuergitter ii bezug auf die Anode vorzuspannen. \n das Steuergitte kann eine negative Spannung angelegt werden, welchi die Entladungsspannung der Energiequellen 50 über schreiten kann, um den Elektronenstrom zu unterdrük

ken. 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.

Die eine Hohlkathode aufweisende Elektronenkanone nach F i g. 1 ist in der Lage, ein Plasma mit angemessener Dichte zu erzeugen, nämlich mit bis zu etwa 10¹³ Elektronen und Ionen pro Kubikzentimeter, aus dem Elektronen bequem extrahiert und beschleunigt werden können, ohne daß in dem Hcchspannungs-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 μπιΡ^ für Helium und ist für andere Gase noch geringer. Der Aufbau der Elektronenquelle to 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 Anodenflläche 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 Anodenflächc zu Kathodenfläche und die im wesentlichen fluchtende Anordnung der Anodenfläche zur Kathodenfläche, sind ebenfalls für das Aufrechterhalten der Entladung auch 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 40 der Kathode gebildet wird und sich über den Spalt zwischen den inneren Stegen 36 und 38 erstreckt mit Plasma gefüllt dessen Potential demjenigen der 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 10¹³ 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 gewöhnlieh 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 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 Kathooenflache 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 Wahrscheinlichkeit, 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' Kathodertfläche 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. Weiterhin ist erkennbar, daß die beschriebenen Vorgänge nur dann wirksam stattfinden können, wenn der Weg der hin- und herschwingenden Elektronen nicht von einer Anodenfläche unterbrochen wird. 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 250 cm², während die öffnung, die der wirksamen Anodenfläche entsprach.

eine Größe von etwa 30 cm² 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 -Ionenbeschleunigung.
Obwohl die vorstehend beschriebene und in F i g. 1 dargestellte Vorrichtung dazu geeignet ist, eine Gasentladung bei dem gewünschten niedrigen Gasdruck aufrechtzuerhalten, so erlaubt sie jedoch nicht eine zuverlässige Zündung der Gasentladung bei diesem geringen Druck. 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 Icnisierungsstoß 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 des Plasmas die Feldverteilung, wie sie im Vakuum vorhanden wäre, nicht existiert Während der Plasmaentladung ist das elektrische Feld fan wesentlichen auf die Kathodenschicht konzentriert

(ο

und es werden die Elektronen nicht auf die Anode fokussiert. Daher ist 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 1 mm beträgt, die Wahrscheinlichkeit, mit der ein in Richtung auf die Zündelektrode 48 beschleunigtes Elektron eingefangen wird, von der ursprünglichen Azimutgeschwindigkeit des Elektrons abhängt. Unter praktischen Bedingungen wird ein solches ursprüngliches Elektron unter dem Einfluß des Vakuumfeldes in Richtung auf den die Zündelektrode bildenden dünnen Draht i$ 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 lonisierungsstoß 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 Entladungsspan- »5 nung zu halten und die Spannung der Zündelektrode 48 unter die Entladespannung abfallen za 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 ungünstigten Fall hängt die Erzeugung eines ursprünglichen Elektrons von einer Ionisation durch kosmische Strahlung ab. Bei einem Gasdruck von weniger als 50 μηιΚ^ 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 liegen. Infolgedessen kann sich bei der Zündung eine statistische zeitliche Verzögerung der gleichen Größenordnung ergeben. 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 dem Steuergitter 34 und dem Fenster 24 in der Größenordnung von 25 cm und mit Helium im Zwischenraum mit einem Druck von 50 Milli-Torr oder weniger wurden Beschleunigungsspannungen von über 150 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 Vakuurndurchbruch bestimmt. 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 15OkV liegt ein praktischer Mindestwert für den Abstand d in der Größenordnung von 2,5 cm. Die Paschen-Durchbruchsspannung ist bestimmt durch den Wert des Produktes pd des Gasdruckes ρ und des Abstandes d. In dem hier interessierenden Bereich niedrigen Druckes für die Hohlkathoden-Entladungsvorrichtung nimmt die Paschen-Durchbruchsspannung i.iit abnehmenden Werten des Produktes pd zu. Für Helium und die hier beschriebene Vorrichtung überschreitet die Paschen-Durchbruchsspannung 15OkV für Werte von pd, die typisch unter 0,4 Torr cm liegen. Es ist nun zu beobachten, daß eine Erhöhung der Vakuum-Durchbruchsspannu'ig 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. Dies ist der Grund, weshalb die Fähigkeit der oben 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 μπι^ und einen Elektrodenabstand von etwa 4 cm. Bei einem Gasdruck des Heliums von etwa 30 μπι^ kann bei Verwendung einer Kathode aus Edelstahl ein Strom mit einer Dichte von mehreren A/cm² 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 Elektronen.

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, daß die Kathode das eingeschlossene Plasma im wesentlichen umgibt und daß die Anode im wesentlichen mit der Kathodenfläche fluchtet.

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 werden, hat die vorstehend beschriebene Elektronenkanone mit Plasmakathode die folgenden Vorteile. Geringfügige Lecke in dem von der dünnen Metallfolie gebildeten Fenster können zugelassen werden, vorausgesetzt daß der Druck im Gehäuse im Bereich von 10~⁴ bis 10~³ 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 Gasverunrein: gungen nicht empfindlich. Die Plasmakathode erfordert

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weiter keine Aufheizzeit. 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 Glühkaihoden. Es werden auch keine als solche empfindlichen Heizelemente benötigt. Diese 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 niedriger 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 keine energieverbrauchenden Heizelemente. Die Energie, die für die Glimment'idung gebraucht wird, bildet nur einen geringen Bruchteil der hohen Energie des Elektronenstrahles. Bei Pulsbetrieb kann der mittlere Leistungsverbrauch geringer sein als der einer entsprechenden 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 eriindungsgemäße Vorrichtung kann außer als Elektronenquelle auch als Ionenquelle ausgebildet werden. F i g. 2 zeigt eine solche Ionenquelle. Die Ionenquelle 60 weist ein Gehäuse 62 auf, das einen Vakuumraum 64 umschließt. In dem Gehäuse 62 ist eine gegenüber dem Gehäuse isolierte Kathode 66 angeordnet. Diese Kathode weist einen gelochten, ebenen Wandabschnitt auf, der als Extraktionsgitter 68 dient. In dem von der Kathode 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 worder ist. wird der Druck innerhalb des Kathodenraumes 70 so niedrig gehalten, wie es 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 beschleunigt

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 74 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

ίο 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-Euergiequelle 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

ίο Druck im Raum 24 erlaubt auch hier wieder die Anwendung honer Beschleunigungsfelder ohne Paschendurchbruch. Das Extraktionsgitter und, bei Bedarf, ein Steuergitter können unter Anwendung der bekannten Techniken hergestellt werden, die für Elektronenbeschuß, lonenquellen und Ionentriebwerke entwickelt worden sind.

Der fundamentale Unterschied zwischen der Ionenquelle 60 und bekannten lonenquellen 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 Aufrechterhaltung 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 lonenstromes. 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 resultiert.

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.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Erzeugung eines Elektronenstrahls mit einem von einer Kathodenwand und einer flächenmäßig kleineren Anodenwand begrenzten Kathodenraum, in dem durch eine Niederdruck-Glimmentladung ein Plasma erzeugt wird, dem durch Löcher in der Anodenwand Elektronen entzogen werden können, mit einer außerhalb des Kathodenraums angeordneten Beschleunigungselektrode, mit einem die Vorrichtung umgebenden Gefäß, in dem ein so weit verminderter Gasdruck herrscht, daß der Zustand zwischen der gelochten Anodenwand und der Beschleunigungselektrode außerhalb des Durchbruchsbereichs der Paschenkurve tür das verwendete Gas liegt, und mit einer sich im Inneren des Kathodenraums befindenden Zündelektrode zum Einleiten der Glimmentladung, von der aus die eingeleitete Glimrr entladung auf die Anodenwand übertragen werden kann, dadurch gekennzeichnet, daß die Zündelektrode (48) aus einem Draht besteht, der sich im Inneren des Kathodenraums im wesentlichen parallel sowohl zu der Kathodenwand (26) als auch zu der Anodenwand (32) erstreckt, und daß zwischen der Zündelektrode und der Kathodenwand eine Spannungsimpulse liefernde Zündenergiequelle (52) angeschlossen ist.

2. Vorrichtung zur Erzeugung eines Ionenstrahls mit einem von einer Kathodenwand und einer flächenmäßig kleineren Anodenwand begrenzten Kathodenraum, in dem durch eine Niederdruck-Glimmentladung ein Plasma erzeugt wird, dem durch Löcher in der Kathodenwand Ionen entzogen werden können, mit einer außerhalb des Kathodenraums angeordneten Beschleunigangselektrode, mit einem die Vorrichtung umgebenden Gefäß, in dem ein so weit verminderter Gasdruck herrscht, daß der Zustand zwischen der gelochten Kathodenwand und der Beschleunigungselektrode außerhalb des Durchbruchsbereichs der Paschenkurve für das verwendete Gas liegt, und mit einer sich im Inneren des Kathodenraums befindenden Zündelektrode zum Einleiten der Glimmentladung, von der aus die eingeleitete Glimmentladung auf die Anodenwand übertragen werden kann, dadurch gekennzeichnet, daß die Zündelektrode (72) aus einem Draht besteht, der sich im Inneren des Kathodenraums im wesentlichen parallel sowohl zu der Kathodenwand (66) als auch zu der Anodenwand (74) erstreckt, und daß zwischen der Zündelektrode und der Kathodenwand eine Spannungimpulse liefernde Zündenergiequelle (80) angeschlossen ist.