DE2842506A1

DE2842506A1 - Vorrichtung zur erzeugung von primaerelektronen aus einer kathode

Info

Publication number: DE2842506A1
Application number: DE19782842506
Authority: DE
Inventors: Roderich Dipl Phys Dr Keller
Original assignee: GSI Gesellschaft fuer Schwerionenforschung mbH
Current assignee: GSI Gesellschaft fuer Schwerionenforschung mbH
Priority date: 1978-09-29
Filing date: 1978-09-29
Publication date: 1980-04-10
Also published as: US4240005A

Description

GESELLSCHAFT FÜR SCHWERIONEN·*- Darmstadt, den 18.9.1978 FORSCHUNG MBH, DARMSTADT ' PLA 7846 Ga/wk

Vorrichtung zur Erzeugung von Primärelektronen aus einer Kathode

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Beschreibung:

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung von Primärelektronen aus einer Kathode zur Aufrechterhaltung von erzwungenen Gasentladungen. Insbesondere betrifft die Erfindung eine
Hybrid-Kathode für eine Duoplasmatron-Ionenquelle.

Kathoden mit drahtförmigem Emitter, normalerweise gewendelt, sind bekannt (M. v. Ardenne, Tabellen zur Angewandten Physik Bd. 1, 2. Aufl., S. 653, Berlin 1962). Ihre Lebensdauer ist jedoch verhältnismäßig gering, da die Drähte durch Ionenbeschuß (Kathodenzerstäubung) zerstört werden. Der Heizstrom muß dem verringerten Drahtquerschnitt oft angepaßt werden, um konstante Entladungsbedingung'en zu erhalten. Windungs-Kurzschluß, wenn der Draht
infolge von Überhitzung zu weich wird, führt zur sofortigen Zerstörung. Die üblicherweise bei solchen Kathoden verwendeten
Stromdurchführungen aus Keramik sind sehr empfindlich gegenüber
Temperaturunterschieden und dem Gewicht der Zuführungskabel und
schwer von kondensiertem Metall zu reinigen, so daß Kurzschlüsse entstehen können.

Die der Erfindung gestellte Aufgabe ist es, eine Vorrichtung zur Erzeugung von Primärelektronen aus einer Kathode mit erhöhter
Lebensdauer und Betriebssicherheit zu bieten.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch einen koaxialen
Aufbau der beiden Stromführungen für die Kathode, wobei eine
Stromführung einen Zylinder bildet und die zweite Stromführung
in der Zylinderachse liegt, daß die zweite Strcmführung an der
dem Gasentladungsraum zugewandten Stirnfläche die Kathode trägt, daß die Kathode flächenförmig ausgebildet ist, und daß die
Kathode über eine oder mehrere Heizwendeln mit dem Zylinder
elektrisch verbunden ist.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Merkmalen der Ansprüche 2 bis 7 aufgeführt.

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Ein besonderer Vorteil der Erfindung besteht in der Erhöhung der Lebensdauer der Kathode. Der Emitter besteht hierzu aus einem Teller beträchtlicher Stärke, der von einer Stromzuführung mit geringer Wärmeableitung getragen wird. Der Teller verträgt den Ionenbeschuß über lange Zeit ohne Beeinträchtigung der Funktionsweise. Die Heizdrähte bzw. die Heizwendeln sind bei den herrschenden Temperaturen noch steif, was Windungskurzschlüsse vermeidet, und emittieren Elektronen schlechter als der Teller. Die Wärme wird durch direkten Kontakt auf den Teller übertragen. Durch Verlängerung der Heizdrähte bzw. Heizwendeln durch den Teller hindurch in Richtung auf die Anode der Entladung wird erreicht, daß die Zündung auf jeden Fall vor dem Teller erfolgt, was wichtig für den Pulsbetrieb ist.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung bietet die Betriebssicherheit der Kathodenanordnung. Der Kathodengrundkörper besteht aus gut wärmeleitendem Material und wird gekühlt. Das erlaubt die Verwendung von O-Ringen zur Vakuumdichtung und Kunststoff zur Isolierung. Die Isolatoren sind durch Wülste gut gegen Bedampfen geschützt und können im Bedarfsfall leicht ausgetauscht werden.

Mit dem erfindungsgemäß einfachen Aufbau wird erreicht, daß Elektronenemissionen und die Erzeugung der Heizleistung an getrennten Orten stattfinden, ohne die mit indirekter Heizung verbundenen Nachteile in Kauf nehmen zu müssen. Zugleich schützt der Emitter bzw. der Teller den Heizdraht bzw. die Heizwendeln gegen zerstörenden Ionenbeschuß. Die Energie der aufprallenden Ionen wird ebenfalls in kontrollierter Weise zum Heizen ausgenützt, so daß die erfindungsgemäße Vorrichtung als ohmsch und plasma-geheizte Hybrid-Kathode bezeichnet werden kann.

Ein besonderer Vorteil der Erfindung besteht außerdem darin, daß die Betriebsdauer gegenüber Kathoden mit einfachen Drähten verlängert wird. Die Kathode zeichnet sich durch mechanische Robustheit aus und auf Metall/Keramik-Stromdurchführungen wird verzichtet. Die elektrische Betriebssicherheit wird dadurch erhöht, daß das Bedampfen der Isolatoren und Windungs-Kurzschlüsse der

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Heizwendeln verhindert wird. Konatante Betriebsbedingungen sind ca. 150 — 200 Std. haltbar, da der Querschnitt der Heizwendeln nur sehr wenig abnimmt.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbei- · spiels mittels der Figur näher erläutert.

Die Hybrid-Kathode ist koaxial aufgebaut und besteht im wesentlichen aus dem zweiteiligen Grundkörper 1 und 2, den Stromzuführungen 3 und 4 für den tellerförmigen Emitter 5 und den Heizwendeln 6.

Das Betriebsgas der Entladung kann seitlich über ein Rohr 7 durch den äußeren Grundkörper1 in den Gasentladungsraum 11 eingelassen werden. Die Vakuumdichtung gegenüber dem Entladungsraum 11 erfolgt mittels der beiden O-Ringe 8, welche zwischen dem Isolationsring 12, dem Gasentladungsraum 11 und dem Grundkörper 1 angeordnet sind. Der Grundkörper 1« und der Grundkörper 2 sind ebenfalls koaxial zur Achse 23 angeordnet. Die elektrische Isolation der Kathoden-Heizspannung wird durch einen Isolationsring 9 und eine Zentrierhülse aus Isolationsmaterial 10 gewährleistet, welche zwischen dem Grundkörper 1 und dem Grundkörper 2 angeordnet sind. Die Dichtung von Grundkörper 2 gegenüber Grundkörper 1 erfolgt über einen weiteren O-Ring 8. Der Isolationsring 12 zwischen dem Grundkörper 1 und dem Gasentladungsraum 11 dient zusätzlich zur Zentrierung.

Beide Grundkörper 1 und 2 werden über aufgelötete Kühlschlangen 14 und 13 gekühlt und tragen Kontakte 15 zum Anschluß der Heizstromkabel. Die Spannung beträgt ca. 8 Volt; der Strom liegt in der Größenordnung von 80 Ampere. Der negative Pol der Entladung kann wahlweise an einem dieser beiden Kontakte 15 angeschlossen werden.

Die Isolierhülse 10 kann geschlitzt sein/ um nach dem Auflöten der Kühlschlange 13 auf den inneren Grundkörper 2 aufgesetzt

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zu werden. Eine weitere Hülse 16 (ebenfalls geschlitzt oder vor dem Löten der Kühlschlange 13 montiert) wird gegen den äußeren Grundkörper 1 geschraubt (Gewinde 28), drückt auf die Isolierhülse 1O und hält damit den gesamten Grundkörper 1 und 2 zusammen.

Die ganze Kathode wird mittels einer nicht dargestellten Druckplatte am Entladungsgefäß 11 befestigt. Dazu trägt der äußere Grundkörper 1 einen Wulst 17. Ein zweiter Wulst 18 auf der Innenfläche 26 des Grundkörpers 1 schützt den Isolierring 9 gegen Bedampfen mit Metall aus dem Entladungsraum 11.

Auf den inneren Grundkörper 2 ist die innere Stromzuführung 3 über das Gewinde 29 aufgschraubt. Die Stromführung 3 besteht aus einem Hohlrohr oder einem Stab, der in der Rotationsachse 23 liegt und koaxial zu dem Zylinder 4 der zweiten Stromführung angeordnet ist. Die innere Stromführung 3 ragt über die Stirnfläche 30 des Zylinders 4 hinaus. Sie besteht aus einem hochschmelzenden Metall, welches über eine größere Länge zu einem dünnwandigen Rohr ausgearbeitet ist, oder aus einem massiven Graphitstab. Damit kann der auf die Stromzuführung 3 über das Gewinde 31 aufgeschraubte Emitter bzw. Kathode 5 mechanisch stabil gehalten werden, wobei sie aber möglichst wenig gekühlt wird.

Die Kathode 5 weist entlang ihrer Umrandung achsenparallele Löcher 19 auf. In die Löcher 19 in der Kathode 5 werden eine oder mehrere Heizwendeln 6 aus passendem Wolframdraht so eingesteckt, daß ihre Spitzen 20 etwa 5 mm über die Stirnfläche 25 der Kathode 5 hinausragen. Dieser Aufbau erleichtert das Zünden der Entladung im Entladungsraum 11, was sich besonders bei Pulsbetrieb vorteilhaft auswirkt. Die flächen- bzw. tellerförmig ausgebildete Kathode 5 besteht aus Tantal oder Molybdän und kann in der Mitte verdickt sein, wenn, wie beim Duoplasmatron, die Ionen bevorzugt dort aufschlagen.

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Die Heizdrähte bzw. ^wendeln 6 bestehen aus Wolfram, weil dieses Material bei gleicher Temperatur wesentlich weniger Elektronen emittiert als Tantal oder Molybdän und mechanisch viel steifer ist. Das rückwärtige Ende jeder Heizwendel 6 ist zweckmäßigerweise zu einer Öse 32 gebogen und wird mit Hilfe des Ringes 21 gegen die zylinderförmige äußere Stromzuführung 4 geklemmt. Die zylinderförmige Stromzuführung 4 selbst ist in den äußeren Grundkörper 1 über das Gewinde 3 3 eingeschraubt und weist auf seiner Mantelfläche 27 einen Wulst 22 auf, der den Isolierring

12 zum Gasentladungsraum 11 gegen Bedampfen schützt.

Die in der Figur dargestellte Ausführungsform einer Hybrid-Kathode ist für die Anwendung an einer Duoplasmatron-Ionenquelle geeignet. Für andere Anwendungen können insbesondere Durchmesser, Längen und Materialstärken der Einzelteile variiert werden, um eine optimale Wirkungsweise zu erzielen. Für die Grundkörper 1 und 2 kann als Material Elkonite, Kupfer, Edelstahl verwendet werden, für die Stromzuführung 3 Molybdän bzw. Wolfram hohl oder Graphit massiv, für den Emitter bzw. die Kathode 5 Tantal oder Molybdän und für die Heizwendeln 6 Wolfram, vom Durchmesser von o,8 mm und von der Länge von 85 mm. Die Stromzuführung 4, d.h. der Zylinder, der koaxial um die innere Stromzuführung 3 angeordnet ist, und der Ring 21 können aus Molybdän oder Edelstahl hergestellt werden. Die Kühlschlangen

13 und 14 sowie die Gaszuführung 7 sind Rohre aus Edelstahl oder Kupfer, welche in die Grundkörper 1,2 eingelötet bzw. auf die beiden Grundkörper 1 und 2 aufgelötet worden sind. Die Isolierringe 9, 12 und die Hülse 10 bestehen aus Glaskeramik, Teflon, Vespel oder Trovidur und die 0-Ringe 8 bestehen aus Viton.

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Claims

P atentansprüche;

:\ Vorrichtung zur Erzeugung von Primärelektronen aus einer Kathode zur Aufrechterhaltung von erzwungenen Gasentladungen, gekennzeichnet durch einen koaxialen Aufbau der beiden Stromführungen (3, 4) für die Kathode (5), wobei die eine Stromführung (4) einen Zylinder bildet und die zweite Stromführung (3) in der Zylinderachse (23) liegt, daß die zweite Stromführung (3) an der dem Gasentladungsraum (11) zugewandten Stirnfläche (24) die Kathode (5) trägt, daß die Kathode (5) flächenförmig ausgebildet ist, und daß die Kathode (5) über eine oder mehrere Heizwendeln (6) mit dem Zylinder (4) elektrisch verbunden ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Stromführung (3) als Stab oder Hohlrohr ausgebildet ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl der Zylinder (4) als auch der Stab oder das Hohlrohr (3) mit einem Grundkörper (1 bzw. 2) elektrisch und mechanisch in Verbindung steht, daß die beiden Grundkörper (1 und 2) ebenfalls koaxial zueinander liegen und elektrisch gegeneinander isoliert sind, und daß jeder Grundkörper (1 und 2) mit einem elektrischen Kontakt (15) verbunden ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathode (.5) zu einem Teller ausgebildet ist, und daß die Heizwendeln (6) durch Bohrungen (19) im Teller (5) bis über seine Oberfläche (25) hinausgeführt sind und Spitzen (20) bilden.

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5. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl der Zylinder (4) als auch der mit ihm verbundene Grundkörper (1) auf der Innenfläche (26) oder der Mantelfläche (27) wulstförmige Ringe (18 und 22) aufweisen, die die Isolation (9, 10, 16 bzw. 12) zwischen den beiden Grundkörpern (1 und 2) "und einem Entladungsgefäß (11) gegenüber Bedampfung abschirmen.
6. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß beide Grundkörper (1 und 2) mittels Kühlschlangen (14, 13) kühlbar sind.
7. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß durch den Grundkörper (1) für den Zylinder (4) eine Zuführung (7) für das Betriebsgas in den Gasentiadungsraum (11) geführt ist.

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