DE2435599A1 - Ionenquelle, insbesondere fuer hoehere strahlstromstaerke - Google Patents

Description

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Ing. Karl Nowak
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Ionenquelle, insbes. für höhere Strahlstromatärke.

Die Erfindung betrifft eine Ionenquelle, inebea. für höhere StrahlStromstärke, und besteht darin, dass ein mittels einer Elektronenquelle erzeugter Elektronenstrom über einem Umlenkmagnet geführt ist und danach in einem Gasraum Ionisation hervorruft, wobei die entstehenden Atomionen in einem Beschleunigungsfeld in Gegenrichtung zur Elektronenbewegung verlaufen und dieser Ionenstrom, der vom Umlenkmagnet nur wenig beeinflußt wird, als Ionenstrahl die Ionenquelle verläßt. Diese Ionenquelle kann ferner erfindungsgemäß zweckmäßig mit Hilfe einer Tiefkühleinrichtung und eines Kühlmittels tiefgekühlt sein, um die Wärmebewegung im Ionenstrom gering zu halten.

Während es bisher Schwierigkeiten machte, Ionenquellen für höhere Ströme zu bauen und bisher nur Ionenquellen zwischen etwa 1 und Io Milliampere handelsüblich sind, Ausführungen bis etwa 5oo mA mit erheblichem Aufwand möglich sind und Ionenströme über 1 Amp. noch nicht verwendet sind oder nur für stoßweise Stromlieferung verfügbar sind, ermöglicht es die erfindungsgemäße Ionenquelle, beliebig hohe Ionenetröme, z.B. von Io Amp. und darüber, mit relativ bescheidenem Aufwand herzustellen. Solche Ionenquellen können beispielsweise für Ionenbeschleuniger mit Vorteil Verwendung finden.

Der Anmelder hat in der Zeitschrift BULLETIN des Schweizer Elektrotechnischen Vereins, Heft 7-1972, S.337 bis 342, eine Anordnung zur Energiegewinnung durch kontrollierte Atomkernfusion beschrieben. Die erfindungagemäße Atomionenquelle ist besonders für eine solche Anordnung für den Bau von Pusionekraftwerken von Vorteil.

Die Erfindung wird an Hand der Zeichnung näher 509810/0670

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erläutert. Eb bezeichnet 1 eine Glühkathode, vor der aich eine gitterförmige Anode 2 befindet, welche zur Beschleunigung des Elektronenstromes dient. Mit 3 ist eine ringförmige Elektrode bezeichnet, welche entweder mit positivem Potential statt oder neben der G-itteranode 2 Verwendung finden kann oder mit negativem Potential der Konzentration des abgehenden Elektronenatromes dienen kann. Dieser Elektronenstrom kann aber gegebenenfalls aueh mittels einer nicht dargestellten umgebenden Ringspule magnetisch kontrahiert werden«, Der entstehende Elektronenstrahl 4 wird nun durch einen Umienkmagnet 5 umgelenkt. Dieser liefert ein transversales Magnetfeld zwischen zwei Polflächen, deren Ausdehnung schraffiert dargestellt ist. In diesem transversalen Magnetfeld wird wie dargestellt die Richtung des Elektronen-trahles 4 geändert.

Der umgelenkte Elektronenstrahl 4 gelangt nun in einen Gasraum 6, in welchem sich das zur Ionisierung bestimmte Gas, beispielsweise Deuteriumgas, befindet. Die Elektronen laufen zu einer Anode 7 und ionisieren dabei das GaB. Es entstehen dadurch weitere Elektronen, welche ebenfalls zur Anode fließen, aber auch Atomionen, welche in einem elektrischen Besohleunlgungsfeld dem Elektronenstrom entgegengesetzt verlaufen. Dieses Feld besteht zwischen der Anoiie 7 und einer ring- oder gltterförmigen Elektrode 8 mit gegenüber der Anode negativem Potential. Das Potential zwischen Anode 7 und Elektrode 8 liegt etwa in der Größenordnung von 2o bis loo Volt oder auch wesentlich darüber, während das Potential zwischen Glühkathode 1 und einer Anodenelektrode 2 pder 3 ähnlich groß oder zweckmäßig wesentlich größer sein kann, z.B. in der Größenordnung von hunderten bis tausenden Volt. Auch zwischen Kathode 1 und Anode 7 kann ein hohes Potential angelegt werden.

Die durch die negative Beschleunigungselektrode 8 fliegenden Atomionen verlaufen nun zunächst im Bereich des Elektronenstrahles , werden aber durch den Umlenkmagnet 5 wegen ihrer gegenüber Elektronen wesentlich größeren liasae kaum beeinflußt und gelangen daher nicht- zur Kathode 1, sondern laufen achsial weiter, wozu noch eine weitere negative Beechleunigungselektrode hinter dem Umlenkmagnet 5 wesentlich beitragen kann. Der Ionenstrahl gelangt daher, zweckmäßig

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durch eine weitere ]lektrode 9 mit höherem negativen Potential beschleunigt und gegebenenfalls auch noch durch eine Ringspule 1o magnetisch kontrahiert, zu einem vom Kathodenrauni getrennten Ausgang der Ionenquelle und kann von dort abgenommen und etwa dem Ansatzteil 11 eines Ionenfceschleunige rs zugeführt werden.

In der Darstellung ist der Gasraum 6 vom Kathodenraum durch eine Art Kammersystem getrennt, indem durch Wände 12 aufeinanderfolgende Kammern gebildet werden, die nur eine Mittelöffnung für die Teilchenstrahlen freilassen. Durch diese Unterteilung wird das Austreten der Gasfüllung aus dem Raum 6 erschwert. Der Druck im Gasgefäß 6 liegt zweckmäßig in der Größenordnung piniger I-'illimeter Quecksilbersäule, z.13. zwischen Io und 3o mm Quecksilbersäule oder darüber. Im Raum der Glühkathode 1 herrscht dann ein wesentlich geringerer Gasdruck, der ständig durch eine Vakuumpumpe 13 reduziert wird, welche saugen und drücken kann und das abgesaugte Gas wieder in den Gasraura 6 zurückführt. Es besteht dann aber zweckmäßig im Raum der Glühkathode 1 kein völliges Hochvakuum, aber nur ein relativ geringer Gasdruck, etwa von zehntel Torr. Kiη ähnliches Kammersystem folgt zweckmäßig im weiteren V/ege des Ionenstrahles 14» hinter welcher Anordnung ein mit einer Saugleitung 15 versehener hochevakuierter Raum vorgesehen sein kann, so dass der Ionenstrahl praktisch ohne begleitenden Gasstrom zu einem Beschleuniger geführt werden kann.

Der Gasraum 6 erhält aus einer Gasflasche 16 über einen Druckregler 17 einen möglichst konstanten Fülldruck. Gasraum 6 und Püllgasflasche 16 sind hier innerhalb einer geschlossenen Wärmeisolierung 18 angebracht, welche einen Hohlraum freiläßt, der mittels Zu- und Ableitung 19 und 2o von einem Kühlmittel, z.B. mit flüssigem Helium, durchströmt werden kann. Dadurch kann erreicht werden, dass die erzeugten Atomionen eine möglichst geringe leschwindigkeitskomponente einer V/Urmebewegung aufweisen, wao zur Erzielung hoher Ionendichten und gleichmäßiger Ionengebchwindigkeit von wesentlicher Bedeutung sein kann.

Dor entscheidende Vorteil der neuen Anordnung

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ist einerseits die Möglichkeit der Erzielung praktisch unbegrenzt hoher Ionenströme, weil diese im wesentlichen nur von der Größe des ionisierenden Flektronenstromes abhängen, sowie in der Größenordnung desselben ersielbar sind. Während man mit normalen Kanalstrahlröhren nur einen Bruchteil des Ionenetromes der Ionisation freisetzen kann, ist hier praktisch der gesamte Ionenstrom der Ionisation verfügbar und liegt wie vorerwähnt in der Größenordnung des Elektronenstromes. Ks besteht also auch eine hochrationelle Ionenstromerzeugung. Dazu kommt die Möglichkeit, die Ionen mit geringster Temperaturbewegung freizusetzen. Auch ist die Lebensdauer der Glühkathode stark erhöht, weil sie keinem starken Ionenbombardement ausgesetzt ist. Wird die Glühkathode durch das Füllgas angegriffen, was bei Deuterium teilweise möglich sein kann, kann der Glühkathodenraum auch stark evakuiert werden. Zu diesem Zweck© könnte auch zwischen der Elektrode 3 und dem Umlenkmagnet 5 in einem zusätzlichen Verbindungsteil noch ein Kammersystem mit Trennwänden 12 angebracht sein und der Glühkathodenraum mit einem besonderen Saugstutzen für Hochevakuierung versehen werden.

Was die Abmessungen der neuen Ionenquelle betrifft, so richten sie sich nach den Betriebsverhältnissen, vor allem der gewünschten Stärke des -Ionenstromes. Der Strahldurchmesser kann für Io Amp. Ionenstrom beispielsweise ca. 12 cm betragen, liegt also in der Größenordnung 1© cm. Für einen lonenstrom von loo Amp. wäre mit einem Strahldurchmesser von etwa Ao cm zu rechnen. Diese Werte können durch bekannte Kontraktionsmaßnahmen verringert werden. Die Röhrenabmessungen sind dabei nach bekannten Gesichtspunkten diesen Verhältnissen und einer zweckmäßig angewendeten Kühlung anzupassen, die auch für die gesamte Ionenquelle zweckmäßig eine Tiefkühlung sein kann, Bie hängen aber auch von den angewendeten Spannungspotentialen ab,

die nach bekannten Gesichtspunkten in der Größenordnung hundert ο
i>. Volt bis zu tausenden Volt liegen können. Die Gesamtlänge der

Q Anordnung kann in der Größe von Dezimetern bis Metern liegen, "** alle anderen Abmessungen z»B. entsprechend der Abbildung proporo

*- tional gestaltet.

cn Zu den Betriebsverhältnissen aei noch "bemerkt, dass ^ z.B. ein Elektronenstrahl 4 von Io Amp. mittels Ionisation einen Ionenstrom von angenähert dieser Größe auslösen kann, bo dass dann beiopielsweise auch ein Xonenotrom 14 von Io Amp. entsteht, während dabei «tana insgesamt rund 2o Amp. Klektronon.

Claims (7)

1. strom zur Anode 7 fließen.
   Patent - Ansprüche:

   M ./Ionenquelle, insbes, für höhere StrahlStromstärke, dadurch gekennzeichnet, dass ein mittels einer Elektronenquelle (Glühkathode 1) erzeugter Elektronenstrom (4) über einen Umlenkmagnet (5) geführt ist und danach in einem Gasraum (6) Ionisation hervorruft, wobei die entstehenden Atomionen in einem Beschleunigungsfeld (negative Elektrode 8, Anode 7) in Gegenrichtung zur Llektronenbewegung verlaufen und dieser Ionenstrom, der von Umlenkmagnet nur wenig beeinflußt wird, als Ionenstrahl (14) die Ionenquelle verläßt.
2. 2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ionenquelle und vor allem deren Gasraum (6) mit Hilfe einer Tiefkühleinrichtung (Kühlmantel 18) und eines Kühlmittels ( z.B. flüssiges Helium) tiefgekühlt ist, um die Wärmebewegung im lonenatrom gering zu halten.
3. 3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektronenquelle (Glühkathode 1) sich in einem Raum befindet, der durch eine Pumpanordnung (13) dauernd evakuiert wird und somit einen wesentlich geringeren Gasdruck aufweist als der Ionisationsraum (6).
4. 4. Anordnung nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, dass eine Gasrückführung vorgesehen ist, bei der das aus dem Strahlaustrittsraum abgesaugte Gas dem Gasraum (6) durch die Pumpanordnung (13) wieder zugeführt wird.
5. 5. Anordnung nach den Ansprüchen 1 bis 4 oder einem derselben, dadurch gekennzeichnet, dass der Gasraum (6) von der übrigen Apparatur durch ein Kammftrsystem (Trennwände 12) getrennt ist, um das Austreten von Füllgas zu vermindern.
6. 6. Anordnung nach den Ansprüchen 1 bis 5 oder einem derselben, dadurch gekennzeichnet, dass eine Deuteriumgasfüllung verwendet wird und der Ionenstrom (14) von der Größenordnung Ampwre oder darüber dem Beschleuniger einer Kernfusioneanordnung zugeführt wird.
7. 7. Ionenquelle und Anordnung, wie beschrieben und gezeichnet. 509810/0670

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