DE3018623A1 - Beschleunigungsgitter - Google Patents

Description

Kernforschungsanlage Jülich
Gesellschaft mit beschränkter Haftung

Beschleunigungsgitter

Die Erfindung bezieht sich auf ein Beschleunigungsgitter, insbesondere für einen Ionenstrahl, bestehend aus mindestens einer am Außenrand an einem Träger befestigten Lochplatte mit einer Vielzahl von Durchgangsbohrungen mit untereinander ausgerichteten, vorzugsweise auf einen gemeinsamen Fokussierungspunkt gerichteten Mittelachsen.

Bekannte Beschleunigungsgitter dieser Art, wie sie etwa als Ionenstrahlgitter in der Kernfusionstechnik Verwendung finden sollen und dann zumeist aus mehreren gekühlten, unter axialer Fluchtung ihrer Durchgangsbohrungen hintereinandergeschalteten Lochplatten bestehen, an denen ein jeweils unterschiedliches Hochspannungspotential¹ anliegt, so daß die Ionen beim Passieren des Gitters zugleich hochbeschleunigt und fokussiert werden, sind aus ebenen, fest an einem Träger eingespannten Lochplatten oder -plattensegmenten zusammengesetzt und im Betrieb einer erheblichen thermischen Belastung und Wärmeexpansion unterworfen, unter deren Wirkung es zu einer breiten Streuung der Mittelachsen ihrer Durchgangsbohrungen am nominellen Fokussierungspunkt und zwischen den einzelnen Lochplatten zu so großen Relativverschiebungen kommt, daß der zulässige

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Toleranzbereich im Plattenabstand überschritten wird und sich ein örtlich starker Mittelachsversatz zwischen den Durchgangsbohrungen benachbarter Lochplatten einstellt. Dies hat zur Folge, daß die ionenoptischen Eigenschaften des Beschleunigungsgitters merklich gestört werden.

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Beschleunigungsgitter der beanspruchten Art so auszubilden, daß die durch die Wärmeexpansion im Lochplattenbereich verursachte Störwirkung möglichst kleingehalten wird und die Mittelachsverschiebung der Durchgangsbohrungen bezüglich des Fokussierungspunktes eng begrenzt bleibt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei dem Beschleunigungsgitter der eingangs erwähnten Art dadurch gelöst, daß die Lochplatte(n) der Außenrandbefestigung vorgeschaltete, in Richtung der Flächenausdehnung der Platte elastische bezüglich der Lochplattenmitte gegenläufig federnde Randfelder aufweist bzw. aufweisen (wobei als gegenläufig federnd eine kompensatorische Federwirkung punktsymmetrisch zum Mittelpunkt des Gitters verstanden wird).

Durch diese besondere Art der federnden Aufhängung am Träger werden die einzelnen Lochplatten erfindungsgemäß derart räumlich stabilisiert, daß das Lochplattenzentrum bei einer thermisch bedingten Flächenexpansion seine Fluchtung zum Fokussierungspunkt beibehält und einen Fixpunkt bildet, auf den bezogen sich die Lochplatte zentralsymmetrisch und weitgehend restspannungsfrei ausdehnt.

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Daß heißt, es ist darauf zu achten, daß die Federwirkung der Randfelder bezogen auf den Mittelpunkt des Gitters symmetrisch ist. Dies bietet in Verbindung mit der Ausbildung der Randfelder als gerichtet elastische, platteneigene und materialgleiche Federelemente die Gewähr, daß ungesteuerte Verwerfungen oder Fehlorientierungen der Lochplattenfläche unter der Einwirkung des Ionenstrahls vermieden und die Mittelachsabweichungen der Durchgangsbohrungen von dem raumfesten Fokussierungspunkt in engen Grenzen gehalten werden.

Eine im Hinblick auf die Wärmeexpansion besonders günstige Raumform der Lochplatte besteht in deren teilkugelförmiger Ausbildung mit dem Fokussierungspunkt als Krümmungsmittelpunkt, wodurch sichergestellt wird, daß die Lochplatte unter Hitzeeinwirkung raumkonform zum Krümmungsmittelpunkt aufweitet und dieser als gemeinsamer Schnittpunkt der Mittelachsen aller Durchgangsbohrungen erhalten bleibt.

Vorzugsweise ist die Lochplatte in Umfangsrichtung geschlossen von den elastischen Plattenfeldern umrandet, so daß auch bei einer lückenlos durchgehenden, hochgradig last- und formbeständigen Befestigung am Träger eine allseitige Wärmeexpansion der Lochplatte bezüglich des Lochplattenzentrums als träger- bzw/ raumstabiler Fixpunkt gewährleistet wird.

Aus Gründen einer maßgenauen, von Eigenspannungen freien Lochplattenherstellung und -verankerung am Träger und einer hochspannungsgünstigen Formgebung

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mit glatten Oberflächen ohne Stoßfugen, Grate oder Befestigungsschrauben empfiehlt es sich, die Lochplatte unter integraler Anformung am Träger auf galvänoplastischern Wege, also durch ein kaltes Formgebungsverfahren, herzustellen, insbesondere, wenn in der Lochplattenflache Kühlkanäle vorgesehen sind und der Träger als Kühlmittelverteiler ausgebildet ist. ..

In baulich und fertigungsgemäß einfacher Weise bestehen die elastischen Plattenfelder bevorzugt aus durch ein die Platte durchsetzendes Schlitzmuster voneinander getrennten, federnd nachgiebigen Plattenstegen. Ein für diesen Fall besonders günstiges Schlitzmuster, bei dem die elastischen Plattenfelder nach Art von in der Lochplattenflache wirksamen, federnden Knautschzonen ausgebilet werden, umfaßt zweckmäßigerweise mindestens zwei, vorzugsweise drei, in Umfangsrichtung der Lochplatte parallel zueinander verlaufende, sich gegeneinander versetzt überlappende Schlitzreihen.

Eine andere, zweckmäßige Gestaltung der elastischen Plattenfelder wird dadurch erreicht, daß der ungelochte Plattenrand etwa senkrecht zur Elächenausdehnung der Platte abgebogen ist und die elastischen Plattenfelder aus durch parallele, zum Plattenrand hin verlaufende Schlitze im abgebogenen Plattenrand voneinander getrennten, federnd ausbiegbaren Plattenstegen bestehen, wodurch sich die Federcharakteristik der Plattenstege-durch entsprechende Dimensionierung der Stegbreite und -länge einfach variieren läßt, die so sein soll, daß eine Auslenkung parallel zur Seitenkante bei thermischer Belastung der Lochplatten—

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fläche erfolgen kann, bevor letztere verformt wird. Zugleich läßt sich senkrecht zur Flächenausdehnung der Lochplatte, also in Richtung des Fokussierungspunktes, eine äußerst stabile Abstützung über die elastischen Plattenfelder erzielen. Dabei sind zum weiteren Abbau von thermisch bedingten Restspannungen im Übergangsbereich zwischen den abgebogenen Plattenstegen und dem gelochten Plattenteil· zweckmäßigerweise jeweils an die zum Plattenrand hin verlaufenden Schlitze anschließende Trennfugen vorgesehen, was im Hinblick auf eine ungehinderte Wärmeexpansion der Lochplatte im Bereich des Temperaturgradienten zwischen ionendurchströmtem Lochplattenteil und ihrem kühleren, am Träger befestigten Außenrand von besonderem Vorteil ist. Diese Trennfugen reichen möglichst nahe an die thermisch beaufschlagte Fläche heran und sind gleichzeitig so schmal, daß die mechanische Festigkeit nicht wesentlich beeinträchtigt wird und Störungen im Feldverlauf vermieden werden. Zweckmäßigerweise gehen diese Trennfugen jeweils von Zwischenlochbereichen aus und zur Kühlung der Lochplatte ist ein Netz von wellenförmigen Kühlkanälen vorgesehen, die alternierend . mit den rechten bzw. linken Nachbarkanälen zusammentreffen.

Insbesondere bei Verwendung in der Ionenstrahltechnik enthält das Beschleunigungsgitter vorzugsweise mehrere, jeweils unabhängig voneinander.über federnd ausgebildete Randfelder in Strahlrichtung hintereinanderliegend am Träger befestigte, auf einen gemeinsamen Fokussierungspunkt ausgerichtete Lochplatten, und ein solches mehrschaliges (Sitter garantiert aufgrund der besonderen, für alle Lochplatten gleichartig federnden, auch unter Wärmeexpansion hochgradig raumstabilen Plattenaufhängung eine äußerst präzise

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Mittelachsfluchtung der Durchgangsbohrungen unter Beibehalt eines gleichförmigen Plattenabstands, so daß selbst bei starker Aufheizung des Gitters störende Deformationen klein sind und eine im hohen Maße konzentrierte Strahlbündelung am raumkonstanten Fokussierungspunkt gewährleistet bleibt, und zwar vorzugsweise unter gleichzeitiger Strahlbeschleunigung zwischen den kugelförmigen Lochplatten in einem zu der Mittelachsorientierung der Durchgangsbohrungen gleichgerichteten Hochspannungsfeld.

Die Erfindung wird nunmehr anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:

Figur 1 eine teilweise geschnitte(Schnittrichtung I-I von Figur 2) Seitenansicht eines Fokussierungsgitters nach der Erfindung? und

Figur 2 die Aufsicht einer Lochplatte mit zugeordnetem Träger.

Das in den Figuren gezeigte Beschleunigungssystem bestehend aus drei Gittern ^{2 mit} vorgeschalteter, mit einem Kathodenkopf 4 und Permanentmagneten 6 bestückter Plasmakammer 8 enthält drei teilkugelförmige, in der Aufsicht (Fig. 2) rechteckige Lochplatten 1oA, B,C gleichförmiger Wandstärke in konzentrischer Anordnung mit dem außerhalb der Figur 1 liegenden Fokussierungspunkt F als Krümmungsmittelpunkt. Jede dieser Lochplatten ist auf galvanoplastischem Wege und unter integral fester Verbindung mit einem zugeordneten, ebenfalls rechteckförmigen Träger 12 A, B,C hergestellt und von einer Vielzahl von Durchgangsbohrungen 14 durchsetzt, deren Mittelachsen mit denen

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der Durchgangsbohrungen der benachbarten Lochplatten fluchten und sich in dem für alle Lochplatten gemeinsamen Fokussierungspunkt F schneiden. Im ungelochten Teil außerhalb des Lochmusters ist jede Lochplatte mit in Richtung ihrer Flächenerstreckung elastischen Randfeldern 16,18 versehen, die das Lochmuster in Umfangsrichtung geschlossen umranden und bei einer Wärmeexpansion der Lochplatte 1o zentralsymmetrisch zum Lochplattenzentrum Z federnd nachgeben.

Die elastischen Randfelder 16 werden jeweils durch drei,, parallel zueinander und zu den Schmalseiten der Lochplatte 1o verlaufende, gegeneinander versetzte Schlitzreihen 2o,22 und 24 gebildet, so daß die dazwischenliegenden, etwa doppel-U-förmigen Plattenstege 26 bei einer Wärmeexpansion der Lochplatte 1o zusammengedrückt werden und dabei die thermische Längenzunahme der Platte 1o zwischen dem jeweiligen Randfeld 16 und dem Plattenzentrum Z aufnehmen.

Die elastischen Randfelder 18 an den Plattenlängsseiten hingegen sind in dem mit sanftem Übergangsradius topfförmig abgebogenen Plattenabschnitt 28, an dessen unterem Ende die Lochplatte 1o fest mit dem zugeordneten Träger 12 verbunden ist, ausgebildet und bestehen aus durch parallele, zum Rand hin verlaufende Schlitze 3o voneinander getrennten, aufrechten Plattenstegen 32, die sich bei einer Aufheizung der Platte 1o federnd ausbiegen, und zwar an bezüglich des Plattenzentrums Z sich diametral gegenüberliegenden Stellen gleich weit und in entgegengesetzter Richtung.

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Zur Entlastung von Restspannungen an den Plattenlärigsseiten sind jeweils an die Schlitze 3o anschließende, sich bis in die Nähe des Lochmusters in der Lochplattenfläche erstreckende Trennfugen 34 ,vorgesehen"-".

Die elastischen Randfelder 16,18 sind zur Plasmakammer 8 hin durch eine Schutzscheibe 36 abgedeckt, die außerhalb des Lochmusters auf der obersten Lochplatte 1oÄ aufliegt. Im Betrieb wird zwischen den Loehplatten ίο ein elektrisches Hochspannungs- - feld angelegt, unter, dessen Wirkung die Ionen beschleunigt und aufgrund der sphärischen Formgebung der Lochplatten Io auf den Fokussierungspunkt F gebündelt werden.; Die Wärmeexpansion der Loehplatten wird durch die elastischen Randfeider 16,18 derart aufgenommen, daß das Lochplattenzentrüm richtungsstabil bleibt, also im wesentlichen keine seitliche Verschiebung zum Träger 12 erfährt. Zur Kühlung der Loehplatten 1 ο sind am Träger 12 Kühlmittel-ZU- und -ablaufstutzen 38,4o vorhanden, an die (nicht gezeigte) die Lochplatte 1o durchsetzende Kühlmittelkanäle angeschlossen sind.

In Figur2 ist in der rechten unteren Ecke der Lochplatte ein bevorzugtes Kühlkanalnetz gestrichelt angedeutet und ferner angezeigt, daß die Trennfugen 34 insbesondere möglichst nahe an die thermisch beaufschlagte Fläche heranreichen sollen. ■■-.'.

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Claims (1)

1. Kernforschungsanlage Jülich
   Gesellschaft mit beschränkter Haftung

   Patentansprüche

   ./ Beschleunigungsgitter, insbesondere für Ionenstrahlen / bestehend aus mindestens einer am Außenrand an einem Träger befestigten Lochplatte mit einer Vielzahl von Durchgangsbohrungen mit untereinander ausgerichteten, vorzugsweise auf einen gemeinsamen Fokussierungspunkt gerichteten Mittelachsen, dadurch gekennzeichnet, daß die Lochplatte(n) (1o) der Außenrandbefestigung vorgeschaltete, in Richtung der Flächenausdehnung der Platte elastische, bezüglich der Lochplattenmitte (Z) gegenläufig federnde Randfelder (16,18) aufweist bzw. aufweisen.

   2. Beschleunigungsgitter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lochplatte(n) (1o) teilkugelförmig mit dem Fokussierungspunkt (F) als Kugelmittelpunkt ausgebildet ist bzw. sind.

   3. Beschleunigungsgitter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Lochplatte(n) (1o) in Umfangsrichtung geschlossen von den elastischen Plattenfeldern (16,18) umrandet ist bzw. sind.

   4„ Beschleunigungsgitter nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die längs der Fläche mit Kühlkanälen versehene(n) Lochplatte(n) (1ο). galvanoplastisch hergestellt und integral am als Kühlmittelverteiler ausgebildeten Träger (12) angeformt ist bzw. sind.

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   5. Beschleunigungsgitter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlkanäle wellenförmig ausgebildet sind und alternierend mit dem rechten bzw. linken Nachbarkanal unter Bildung eines Kühlkanalnetzes zusammentreffen.

   6. Beschleunigungsgitter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die elastischen Plattenfelder (16,18) aus durch ein die Platte durchsetzendes Schlitzmuster (2o,22,24, 3o,34) voneinander getrennten, federnd nachgiebigen Plattenstegen (26,32) bestehen.

   7. Beschleunigungsgitter nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Schlitzmuster mindestens zwei, in ütafangsrichtung der Lochplatte (1o) parallel zueinander verlaufende,, gegeneinander versetzt sich überlappende Schlitzreihen (2o,22, 24) aufweist.

   8. Beschleunigungsgitter nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der ungelochte Plattenrand etwa senkrecht zur Flächenausdehnung der Platte (1o) abgebogen ist und die elastischen Plattenfelder (18) aus durch, parallele, zum Plattenrand hin verlaufende Schlitze (3o) im abgebogenen Plattenrand (28) voneinander getrennten, federnd ausbiegbaren Plattenstegen (32) bestehen.

   9. Beschleunigungsgitter nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß an jeden Schlitz (3o) eine sich in den ungelochten Teil der Lochplattenfläche hinein erstreckende Trennfuge (34) anschließt.

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   To. Beschleunigungsgitter nach Anspruch 8 und 9, - "-.- dadurch gekennzeichnet, daß die Trennfugen

   (34) jeweils im Zwischenlochbereich vorge-..■ sehen sind und möglichst nahe an die thermisch beaufschlagte Fläche heranreichen.

   11;. Beschleunigungsgitter nach Anspruch Io, da- : durch gekennzeichnet, daß die Stege so dimensoniert sind, daß bei einer Wärmedehnung der thermisch beaufschlagten Fläche eine entsprechende Auslenkung parallel zur Seitenwand erreicht wird. -

   12.Beschlenigungssystem mit Beschleunigungsgittern nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch mehrere, jeweils unabhängig voneinander über federnd ausgebildete Randfelder (16,18) in Strahlrichtung hintereinander-1legend am Träger (12) befestigte, auf einen ge-

   : ineinsamen Fokussierungspunkt (F) ausgerichtete Lochpiatten (Io A,B,C).

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