DE2621453B2

DE2621453B2 - Ionenquelle

Info

Publication number: DE2621453B2
Application number: DE2621453A
Authority: DE
Inventors: Georges Port Marley Mourier
Original assignee: Thomson CSF SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 1975-05-16
Filing date: 1976-05-14
Publication date: 1981-05-27
Also published as: US4087721A; JPS51141999A; FR2311479B1; DE2621453C3; GB1500095A; FR2311479A1; JPS5918840B2; DE2621453A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Ionenquelle nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Eine Ionenquelle dieser Art ist aus der US-PS 090 bekannt. Bei dieser bekannten Ionenquelle bestehen die Kathoden aus einem Zylinder, während die Anode aus einem konzentrisch darin angeordneten Zylinder gebildet ist. Zur Erzeugung des Plasmas ist innerhalb der zylindrischen Anode eine Glühkathode vorgesehen, die Elektronen emittiert. Stromabwärts von dem lonisationsraum ist ein Schirmgitter angeordnet, und weiter stromabwärts von diesem Schirmgitter ist ein Beschleunigungsgitter angeordnet. Einige der in dem lonisationsraum erzeugten Ionen gehen durch das Schirmgitter hindurch und werden durch das Beschlcunigungsgitter beschleunigt, um ein lonenbündel /u erzeugen. Stromabwärts von dem Beschleunigungsgitter befindet sich ein Neutralisator in Torrn eines τ Heizfadens, der zur Neutralisation Elektronen in den Strom positiver Ionen emittiert. Die bekannte Ionenquelle hat einen aufwendigen Aufbau, bei dem zur Erzeugung von schnellen Elektronen eine Glühkathode erforderlich ist und zur Beschleunigung der aus dem

ίο lonisationsraum entweichenden Ionen ein zusätzliches Beschleunigungsgitter benötigt wird.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Ionenquelle der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art in ihrem Aufbau derart zu vereinfachen, daß auf einen besonderen Elektronenerzeuger für den lonisationsraum und ein gesondertes Beschleunigungsgitter für die Ionen verzichtet werden kann.

Diese Aufgabe wird bei einer Ionenquelle nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 genannten Merkmale gelöst.

Die erfindungsgemäße Ionenquelle enthält als lonisationsraum einen Hohlkathodenentladungsraum, der zwischen zwei Kathoden und einer im Abstand davon angeordneten Anode gebildet ist. Ein Hohlkathodenentladungsraum ähnlicher Ausbildung ist bereits aus »Vacuum«, Bd.21, Nr. 12, 1971, S.601-605, bekannt. Bei dieser bekannten Anordnung sind die Kathoden jedoch nicht mit Löchern versehen, aus denen die Ionen

μ unter der Wirkung ihrer in der Hohlkathodenentladung erteilten Geschwindigkeit entweichen könnten.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachste-

-S5 hend anhand der Zeichnung erläutert, deren Figur eine schematische Darstellung der Ionenquelle zeigt.

Die Ionenquelle enthält als lonisationsraum einen Hohlkathodenentladungsraum 10 der aus einer Kathode 1, einer dieser im Abstand gegenüberliegenden Kathode

■ι» 20, und einer Anode 3 gebildet ist. Die Hohlkathodenentladung wird mit Hilfe einer Spannungsquelle 4 betrieben. Die zweite Kathode 20 ist mit Löchern 30 versehen, um einen Teil der Ionen des Plasmas aus dem Hohlkathodenentladungsraum 10 entweichen zu lassen.

Diese Ionen verlassen das Plasma mit der Energie, mit der sie normalerweise auf massive Kathoden auftreffen würden. Diese Energie erreicht gewöhnlich einige Hundert Elektronenvolt. Bei manchen experimentellen Vorrichtungen wurden bereits 800 bis 150OeV beobachten tet. Sie ist in einigen Fällen ausreichend für die Anwendung, für die das lonenbündel bestimmt ist, das sich mit der Anfangsgeschwindigkeit in dem Raum ausbreitet, der sich vor einer Anwendungsstelle 40 befindet, und bei dem es sich praktisch um einen

Äquipotentialraum handelt. In Fällen, bei denen eine höhere Energie benötigt wird, werden die Ionen durch ein Spannungspotential zu der Anwendungsstelle 40 hin nachbeschleunigt.

Die Ionen, die die Kathode 20 durchquert haben, bilden jenseits derselben eine stark positive Raumladung, die umso höher ist, je größer die lonendichte des Plasmas ist. Um zu vermeiden, daß die Ionen unter dem Einfluß dieser Raumladung zu der Kathode 20 zurückkehren, was nach einer Strecke in der Größen-Ordnung der Dicke der das Plasma von den Kathoden trennenden Plasmahülle erfolgen würde, ist jenseits der Kathode 20 auf dem Weg des lonenbündels ein durch eine Stromquelle 5 beheizter Glühfaden 7 angeordnet,

der durch eine Spunnungsquclle 6 auf ein Gleichspannungspotential gebracht wird, das in bezug auf das Kathodenpotential leicht negativ ist. Die von dem Glühfaden emittierten langsamen Elektronen neutralisieren die Raumladung und ermöglicher, die Ausbrei- ϊ tung der Ionen auf einer wesentlich längeren Strecke, die bis zur Anwendungsstelle 40 reich!.

Um jedoch zu vermeiden, daß diese Elektronen in zu großer Anzahl durch die Löcher 30 hindurch in das Innere des Hohlkathodenentladungsraums 10 eir.dringen und das zwischen den beiden Kathoden 1, 20 gebildete Plasma neutralisieren, ist zwischen dem Glühfaden 7 und der Kathode 20 in der Nähe dieser Kathode 20 ein Gitter 8 angeordnet, das durch eine Spannungsquelle 9 auf ein Gleichspannungspotential gelegt ist, das in bezug <<uf diese Kathode leicht positiv ist. Dieses Gitter fängt einen Teil der langsamen Elektronen auf, die von dem Glühfaden 7 emittiert werden, und hindert sie daran, in den Hohlkathodenentladungsraum 10 zwischen den Kathoden 1 und 20 einzudringen. Der Bruchteil des Elektronenstromes aus dem Glühfaden 7, der der Anziehung des Gitters entkommt und durch die Löcher 30 hindurch in den Hohlkathodenentladungsraum 10 eindringt, erweist sich im übrigen als nützlich, indem er den Emissionsverlust aufgrund der Verringerung des Flächeninhalts der Kathode 20 wegen des Vorhandenseins der Löcher 30 kompensiert. Die Menge der in den Hohlkathoi lenentladungsraum 10 eindringenden Elektronen kann u. a. durch die Temperatur des Glühfadens 7 gesteuert werden.

Bei der Ionenquelle ist es erforderlich, die Entnahme der Ionen auf einen gewissen Anteil der Gesamtmenge von Ionen zu begrenzen, die in dem Plasma vorhanden sind, wenn die Entladung sich weiterhin aufrechterhal- J5 ten soll. Aus diesem Grunde wird die Kathode 20 so ausgebildet, daß das Verhältnis des Flächeninhalts der Löcher zu dem Gesamtflächeninhalt einen Wert von 50% wenig überschreitet. Unter diesen Bedingungen werden lediglich etwa 25% der erzeugten Ionen -to entnommen, wodurch die Aufrechterhaltung der Entladung ermöglicht wird und gleichzeitig, abgesehen von einer eventuellen Nachbeschleunigung, ein energetischer Wirkungsgrad von etwa 25% gewährleistet wird, wobei der energetische Wirkungsgrad als das Verhältnis der kinetischen Energie des entnommenen lonenbündels zu der Gesamtenergie definiert ist, die dem Hohlkathodenentladungsraum zugeführt wird. Dieser Wert ist gegenüber demjenigen bei herkömmlichen lonenquellen hoch.

Die Abmessungen der Maschen des Gitters 8 und der durchlöcherten Kathode 20 sowie der Abstand zwischen diesen beiden Elektroden wird in der Größenordnung des Abstandes zwischen dem Plasma und den Kathoden gewählt, der einen Wert von etwa 1 mm hat.

Bei einem Anodenpotential von +1500V in bezug auf das Kathodenpotential beträgt das Potential des Gitters 8 in bezug auf das der Kathode 20 bei einem Ausführungsbeispiel +20V, und das Potential des Glühfadens 7 beträgt —15 V in bezug auf das Kathodenpolential.

Mit ebenen Kathoden, die aus zwei rechteckigen Platten mii einem Flächeninhalt von 50 cm² bestehen und die einen Abstand von 4 mm haben, wird bei einem Argongasdruck von 13,3Pa bei den oben genannten Bedingungen ein lonenstrom von 500 niA erzielt, der sich auf einer Strecke von 80 cm in dem Äquipotemialraum zwischen dem Hohlkathodenentladungsraum 10 und dem Einlaß eines 5 MeV-loncnbeschleunigers ausbreitet. Auf dies:r Sirecke sind die Einrichtungen zum Kon/.entrieren des Bündels und zum Erzeugen des erforderlichen Druckgradienten zwischen dem vorgenannten Druck von 13,3 Pa und dem viel kleineren Druck, der in dem Beschleuniger herrscht, angeordnet.

Die Zeichnung zeigt im rechten oberen Teil mit ausgezogenem Strich die Ausführungsform, bei der die von der Ionenquelle gelieferten Ionen sich in einem Äquipotentialraum zwischen dem Gitter 8 und der Anwendungsstelle 40 ausbreiten, während gestrichelt die Ausführungsform gezeigt ist, bei der das lonenbündel durch ein Beschleunigungspotential aus einer Spannungsquelle 42 zu dieser Stelle hin nachbeschleunigt wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Ionenquelle mit zwei einander gegenüber angeordneten Kathoden, von denen eine mit Löchern versehen ist, mit einer den Kathoden zugeordneten Anode, die sich in bezug auf die Kathoden auf einem positiven Gleichpotential befindet, mit einem durch die Kathoden und die Anode begrenzten lonisationsraum, in dem in einem Arbeitsgas eine Entladung unter Bildung eines Plasmas stattfindet, von dessen Ionen ein Teil aus dem lonisationsraum über die mit Löchern versehene Kathode entweicht, mit einem außerhalb des lonisationsraumes vor der mit Löchern versehenen Kathode angeordneten elektronenemittierenden Heizfaden zur Neutralisierung der positiven Raumladung der Ionen, der sich auf einem Gleichpotential befindet, und mit einem zwischen dem Heizfaden und der mit Löchern versehenen Kathode angeordneten Gitter, das sich auf einem Gleichpotential befindet, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Kathoden (1, 20) und der Anode (3) eine Hohlkathodenentladung und durch diese das Plasma derart erzeugt wird, daß es sich zwischen den Kathoden mit Abstand von denselben und bis zu der Anode erstreckt, daß die Ionen unter der Wirkung ihrer in der Hohlkathodenentladung erhaltenen Geschwindigkeit durch die Löcher (30) hindurch aus dem lonisationsraum (10) entweichen, daß das Gleichpotential des Heizfadens (7) in bezug auf die mit Löchern versehene Kathode (20) negativ ist, so daß sich die vom Heizfaden emittierten Elektronen zu der mit Löchern versehenen Kathode hin ausbreiten, daß das Gleichpolential des Gitters (8) in bezug auf die mit Löchern versehene Kathode positiv ist, und daß der Abstand des Gitters von der mit Löchern versehenen Kathode in der Größenordnung des Abslands zwischen dem Plasma und den Kathoden (1,20) liegt.

2. Ionenquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchlässigkeit der mit Löchern versehenen Kathode (20), definiert als das Verhältnis des Flächeninhalts der Löcher (30) zu dem Gesamtflächeninhalt dieser Kathode, kleiner als 50% ist.

3. Ionenquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Potential der Anode (3) + 1500 V in bezug auf das Kathodenpotential beträgt und daß das Potential des Heizfadens (7) —15 V und das Potential des Gitters (8) +20V in bezug auf das Kathodenpotential beträgt.