DE3713268A1 - Axialflussplasmaverschluss - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf die Steuerung des Flusses geladener Teilchen durch die Wechselwirkung mit einem Magnetfeld und insbesondere bezieht sich die Erfindung auf eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Magnetfeldes, um eine Plasmaentladung durch Beeinflussung der Ionisierungselektronen abzuschnüren (quenching).

Es gibt viele verschiedene Vorrichtungen, die Hochenergieelektronen aus einer erhitzten Kathode emittieren, um ein elektrisches Feld zu einer Anode zu transportieren. In einigen Vorrichtungen ist ein Niederdruckgas zwischen Kathode und Anode für die Wechselwirkung mit den emittierten Elektronen vorgesehen. Bei einer Wechselwirkungsart kollidieren die Elektronen mit den Gasmolekülen und wenn genug Energie in einer Kollision geliefert wird, so kann das Gasmolekül ionisiert werden, um auch ein weiteres Elektron zu erzeugen. Auf diese Weise können die Anfangs emittierten Elektronen eine Kaskadenionisation hervorrufen, um eine beträchtliche Leistung durch die Vorrichtung zu übertragen.

Das sich aus den Kollisionen ergebende hochionisierte Gas wird hier als ein "Plasma" bezeichnet und der mit der Bewegung des Plasmas verbundene elektrische Ladungsfluß bildet einen Stromfluß. Sobald ein Plasmazustand eingeleitet ist, ist dieser relativ selbsterhaltend, solange bis der Elektronenfluß unterbrochen wird oder bis das Plasma unter die Energieniveaus abgekühlt wird, die für die Ionisation erforderlich sind.

Eine konventionelle die Hochleistungsfähigkeit eines Plasmaflusses ausnutzende Vorrichtung ist ein Thyratron. Hier ist ein Steuergitter zwischen der Kathode und Anode vorgesehen, und die emittiertend Elektronen von der Kathode auf eine Energie zu beschleunigen, die adäquat ist, um die Kaskadenionisation einzuleiten. Daraufhin kann eine Spannung am Steuergitter ohne Effekt auf dem Plasmafluß weggenommen werden. Konventionelle Versuche zur Beendigung des Plasmaflusses sind langsam wirkend, benötigen große Energiemengen und beeinflussen häufig einen beträchtlichen Teil des Plasmavolumens, so daß die Reformation des Plasmas nicht ohne weiteres erfolgt.

Das konventionelle Schalten oder Löschen des Plasmas verwendet externe Spulen zur Beeinflussung des elektromagnetischen Nettofeldes innerhalb der Vorrichtung. Eine das erforderliche Magnetfeld erzeugende Spule hat typerweise eine große Induktivität im Hinblick auf die externe Spulengröße, die zur Beeinflussung des Innenvolumens erforderlich ist. Ein Hochfrequenzbetrieb ist mit externen Spulen mit so großem Volumen nicht praktikabel.

US-PS 40 71 801 beschreibt eine konzentrische Elektrodenvorrichtung, wo ein Axialmagnetfeld Elektronen in einer ringförmigen Spiralbahn zwischen den Elektroden beschleunigt, um die Kaskadenionisierung zu erzeugen. Eine Aus-Schaltmagnetfeldspule ist an einer Aus-Achsenstelle vorgesehen, um ein Magnetfeld in einem relativ kleinen Teil des Ringvolumens zu erzeugen. Ein tangential orientiertes Magnetfeld wird erzeugt, welches die Elektronenbahn beeinflußt, um mit der Anode einen Schnitt hervorzurufen und Elektronen zu entfernen. Die Hilfsfeldspule erzeugt eine Aus-Achsenstörung im Hauptmagnetfeld, so daß schließlich hinreichend viel Elektronen aus dem Volumen entfernt werden, um das Plasma abzuschalten.

Ein Ziel der Erfindung besteht somit darin, ein schnelles Abschalten eines Plasmaflusses vorzusehen. Ferner bezweckt die Erfindung, ein impulsartiges Ansprechen in einer Vorrichtung vorzusehen, die einen ionisierten Gasfluß besitzt. Ferner bezweckt die Erfindung eine Heißgasvorrichtung zu steuern. Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, signifikante Volumina des Gases in einem leitenden Zustand zu halten, um die schnelle Neuzündung des Plasmaflusses nach dem Abschalten zu ermöglichen.

Weitere Ziele, Vorteile und neue Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung für den Fachmann,

Zusammenfassung der Erfindung. Um die genannten sowie weiteren Ziele zu erreichen, sieht die Erfindug eine Vorrichtung vor, die einen Plasmaverschluß aufweist, und zwar zur Verwendung bei der Pulsation einer Kaskadenionisationsvorrichtung. Der Verschluß ist mit einem Substrat ausgestattet, welches innerhalb eines Plasmas angeordnet werden kann und eine Öffnung definiert, und zwar mit einer minimalen Fläche, die aber noch die Einleitung der Kaskadenionisation gestattet. Auf dem Substrat ist ein Leiter in Form von Spulen, benachbart zu der Öffnung angeordnet. Die Spulen sind derart orientiert, daß ein Magnetfeld im wesentlichen senkrecht zur Bewegung des Plasmas erzeugt wird. Die Anordnung der Magnetspulen im Plasma, benachbart zu der verminderte Fläche aufweisenden Öffnung, die das Plasma aufnimmt, wirkt dabei der Erreichung der genannten Ziele unterstützend.

Gemäß einer weiteren Kennzeichnung der Erfindung ist ein Schalter vorgesehen, um Ströme aus geladenen Teilchen in Vorrichtungen, wie beispielsweise Teilchenbeschleunigern, zu steuern. Ein Verschluß ist innerhalb der Vorrichtung anzuordnen und definiert eine Öffnung (Apertur) im wesentlichen senkrecht zum Fluß der den Strom bildenden geladenen Teilchen.

Die Öffnung definiert ferner ein Innenvolumen, welches relativ klein ist, verglichen mit den benachbarten internen Volumina der Vorrichtung. Eine Spule ist dabei vorgesehen, um ein Magnetfeld innerhalb der Öffnung und senkrecht zum Teilchenfluß zu erhalten, wobei das Magnetfeld am Teilchenfluß eine Stärke besitzt, die eine Kreisbahn des Teilchens um das Magnetfeld hervorruft, wobei die Kreisbahn einen Umfang aufweist, der funktionsmäßig in Beziehung steht mit einer mittleren freien Weglänge der den Stromfluß bildenden Teilchen, um so den Strom zu steuern.

Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist ein Verfahren zum Abschalten des Plasmaflusses zwischen einer Kathode und einer Anode vorgesehen. Der Plasmafluß ist durch eine Öffnung mit einer Spaltbreite beschränkt, wobei die Spaltbreite zur Aufnahme des Plasmas dient und eine Fläche besitzt, die klein ist, verglichen mit der Fläche der Kathode und Anode. Ein Magnetfeld wird über den Spalt hinweg erzeugt und verläuft senkrecht zum Plasmafluß, wo das Magnetfeld eine Stärke besitzt, die effektiv ist, um eine Bewegung der den Plasmafluß bildenden Elektronen in einer Kreisbahn zu erzeugen, und zwar mit einem Umfang, der nicht länger ist als eine mittlere freie Weglänge der Elektronen.

Ein spezielles Ausführungsbeispiel der Erfindung ist ein hochfrequenzgepulsten Thyratron mit einem eine Kathode, eine Anode, ein Steuergitter und ein ionisierbares Gas zur Erzeugung eines Plasmaflusses enthaltende Gehäuse, wobei ein Plasmaverschluß innerhalb des Gehäuses zwischen der Anode und der Kathode angeordnet ist, um den Plasmafluß bildende Elektronen aufzunehmen und magnetisch einzufangen.

Anhand der Zeichnung seien nunmehr Ausführungsbeispiele der Erfindung erläutert; in der Zeichnung zeigt:

Fig. 1 eine vereinfachte Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Plasmaverschlusses in einer Kaskadenionisationvorrichtung

Fig. 2 die Wechselwirkung des Plasmaverschlusses mit den den Plasmafluß bildenden Elektronen,

Fig. 3 ein Auführungsbeispiel eines Verschlusses gemäß der Erfindung,

Fig. 4 einen Querschnitt durch die in Fig. 3 gezeigte Vorrichtung;

Fig. 5 eine Vorderansicht einer Verschlußanordnung unter Verwendung des in Fig. 3 gezeigten Verschlusses und geeignet für die Verwendung in einem Thyratron, Fig. 6A ein schematisches Schaltbild eines konventionellen Thyratrons mit einem eingebauten Plasmaverschluß;

Fig. 6B eine graphische Darstellung des Ansprechens der in Fig. 6A gezeigten Schaltung, und zwar bei eingebautem Plasmaverschluß.

Im folgenden sei die Erfindung im einzelnen beschrieben. Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Kaskadenionisationsvorrichtung, die beispielsweise ein Thyratron 10 mit eingebautem Plasmaverschluß 18. Eine Kathode 12 umfaßt in konventioneller Weise eine Oberfläche, die Elektronen dann emittiert, wenn die Kathode 12 erhitzt wird. Ein elektrisches Feld wird zwischen der Kathode 12 und der Anode 14 angelegt, und zwar typischerweise als ein an die Anode 14 angelegtes elektromotives Potential, um die Bewegung der emittierten Elektronen von der Kathode 12 zur Anode 14 zu bewirken.

Ein Niederdruckgas ist zwischen der Kathode 12 und der Anode 14 vorhanden und die emittierten Elektronen kollidieren mit den Gasmolekülen und regen diese an. Wenn die Gasmoleküle hinreichend Energie aus den Kollisionen aufgenommen haben, so kann die Ionisation auftreten, wo ein Elektron aus dem Molekül entfernt wird und für darauffolgende Kollisionen und Ionisationen beschleunigt wird. Es wird ein Zustand in Kathodenionisationsvolumen 24 und im Anodenionisationsvolumen 26 erreicht, wo die Ionisationen aus den entfernten Elektronen sich kaskadenartig entwickeln und ein hochionisiertes Gas oder Plasma (einen Plasmazustand) innerhalb der Vorrichtung 10 erzeugen. Das Plasma ermöglicht es, daß ein großer Strom I0 innerhalb der Vorrichtung 10 aufrechterhalten wird, derart daß eine große Leistungsfähigkeit vorgesehen wird. Fig. 1 zeigt ferner ein geringfügig vermindertes Volumen 16, was symbolisch ein Volumen darstellt, innerhalb von dem ein Steuergitter angeordnet ist und Prallplatte kann in der konventionellen Thyratron-Anordnung 10 vorgesehen sein.

Fig. 1 zeigt ferner einen innerhalb der Vorrichtung 10 zwischen Kathode 12 und Anode 14 angeordneten Plasmaverschluß 18. Der Verschluß 18 befindet sich, wie in Fig. 1 gezeigt, innerhalb des ein reduziertes Volumen besitzenden Teils 16 und ferner benachbart zu einem (nicht gezeigten) Steuergitter, obwohl keine Betriebsbeziehung daraus hergeleitet werden sollte. Ein Magnetfeld B wird innerhalb des Plasmaverschlusses 18 senkrecht zum Plasmafluß I0 erzeugt, um den Plasmafluß sowohl im Anodenvolumen 24 wie auch im Kathodenvolumen 22 einzuschnüren (quench).

Fig. 2 zeigt im einzelnen die Wechselwirkung eines Elektrons 26 mit einem Magnetfeld B innerhalb des Verschlußöffnungsspalts 32, gebildet durch magnetische Polstücke 34. Gemäß der Erfindung kann der Plasmafluß in den benachbarten Volumina 22 und 24 (Fig. 1) eingeschnürt (abgeschnürt) werden, wenn die in den Spalt 32 eintretenden Elektronen 26 eingefangen werden, d. h. aus der ionisierenden Wechselwirkung mit den Gasmolekülen entfernt werden. Der zu erhaltende Zustand besteht darin, ein Elektron 26 um eine einzige das Magnetfeld B bildende Flußlinie derart herumzuwickeln, daß der durch ein Elektron 26 in einer Umdrehung durchlaufene Umfang um eine B-Linie nicht mehr ist als eine mittlere freie Weglänge (lambda) eines Elektrons.

Durch Einfangen der Elektronen 26 innerhalb des Spalts 32 des Plasmaflusses 18 kann jedes Plasma mit Elektronendichten (n _e ) im Bereich von 10¹³ bis 10¹⁶ Teilchen pro cm³ abgeschnürt oder abgeschaltet werden. Diese Dichten liegen innerhalb des Betriebsbereiches von Thyratronen und Laserns, in denen der Verschluß verwendet werden kann. Es sei bemerkt, daß das Magnetfeld B über einen relativ kleinen Spalt 32 hinweg angelegt wird und ein kleines Volumen relativ zu den Hauptvolumina 22 und 24 (Fig. 1) aufweist, innerhalb welcher die Kaskadenionisierung auftritt.

Demgemäß wird ein minimales Magnetfeld wie folgt definiert: Ferner gilt
λ = 2π R _c (1)

wobei g die mittlere freie Weglänge eines Elektron ist, R _c der Krümmungsradius der Elektronenbahn ist, E _b die Elektronenmasse ist, V die Augenblicksgeschwindigkeit eines Elektrons ist, qe die Ladung auf einem Elektron ist und B die Magnetfeldflußrichtung in Tessla (T) ist.

In einem Plasma gilt ebenfalls:

wobei

Dabei ist :Vd die Drift oder Durchschnittselektronengeschwindigkeit E das angelegte elktrische Kathoden-Anodenfeld, I _o der Plasmastrom, n _e die Elektronendichte, A die Fläche der Verschlußöffnung. Vereinigt man die Gleichung (1) bis (4), so wird die minimale magnetische Feldstärke zum Quenchen (Abschnüren) des Plasmas wie folgt definiert:

Die Gleichung (5) definiert einen Anfangszustand für das Abschnüren des Plasmas. Sobald das Abschnüren eingeleitet ist, fängt der durch I _o definierte Ausdruck an, sich Null zu nähern, andere elektromagnetische Feldvektoren treten auf, wie beispielsweise das induktive Stromzerfallsfeld im Vektor 28, L (di/dt), was sich aus der Elektronenbewegung in einem Magnetfeld ergibt. Diese Bedingungen treten im Abschnürübergang auf und werden weiter nicht diskutiert.

Erfindungsgemäß wird die magnetische Felddichte B dadurch minimiert, daß man die Öffnungsfläche A minimiert. In Fig. 3 ist die Öffnungsfläche durch die Verschlußöffnungsbreite oder Spalt 32 die Dimension "w" definiert und durch die Verschlußöffnungslängendimension 42. Erfindungsgemäß sind die Spulenleiter 48 dicht benachbart zum Spalt 32 angeordnet, um die gewünschte Magnetfelddichte B innerhalb des Spaltes 32 auf der Spule mit minimalen Wicklungs- und Stromanfordernissen und minimalen induktiven Verzögerungen, die sich aus den Spulen 48 ergeben, zu erreichen.

In einem demonstrierbaren Ausführungsbeispiel kann die Verschlußscheibenanordnung 36 innerhalb eines existierenden Thyratrons angeordnet werden. Für dieses Auführungsbeispiel ergeben sich die folgenden Dimensionen: h (40) = 1,5 mm, w (32) = 2,5mm, l (42) = 1,4 cm, Öffnungsfläche A = 3,5 × 10^-5 m². Sodann existieren in einem typischen Thyratronanwendungsfall die folgenden Betriebsparameter: I0 = 1 × 10³ A. E = 100 V, ne = 1 × 1020 Teile/m³. Unter Verwendung der Gleichung (5) wird eine minimale magnetische Felddichte von B = 0,058 T gefunden, und zwar erforderlich innerhalb der durch die Verschlußscheibe 38 definierten Öffnung.

In der folgenden Zeit kann diese magnetische Feldintensität durch eine Spule erzeugt werden, die, wie in Fig. 3 dargestellt, geformt ist, und zwar mit Induktivitäts- und Widerstandseigenschaften, geeignet für den Betrieb bei Impulsraten, die signifikant höher liegen als die bei bekannten Vorrichtungen. Diese Spuleneigenschaften sehen die Möglichkeit steuerbarer Thyratrons vor, und zwar mit beträchtlichen Leistungsgewinnen und brauchbar in Analogkonfiguration. Eine erste Schwellendarstellung besteht jedoch darin, ob das erforderliche Magnetfeld das Plasma innerhalb Spalt 32 in einer Zeit durchdringen kann, die mit einem gewünschten Impuls kompatibel ist.

Die volle Durchdringung des Plasmas durch das Feld ist notwendig, um die für das Anschnüren des Plasmas erforderlichen Bedingungen vorzusehen. Es kann gezeigt werden, daß die Hauttiefe des Plasmas bei einer dem erwarteten Impuls entsprechenden Frequenz groß ist, relativ zur Abmessung des Spalts 32 und die Hauttiefe wird somit die Dimension des Spalts 32 bestimmen. Es kann dann gezeigt werden, daß die Zeitkonstante für die Erfindung des Plasmas definiert wird durch:

Wenn man nun annimmt, daß fünf Zeitkonstanten für eine Abschnüreindringung erforderlich sind, so wird die Eindringung in tq = 1,6 × 10^-14 Sekunden erfolgen. Somit ist die Zeit, die für das Magnetfeld erforderlich ist, um das Plasma zu durchdringen und Abschnürbedingungen vorzusehen, nicht ein begrenzender Faktor, da eine erwartete Impulsantiegszeit ungefähr 25 × 10^-9 Sekunden, viele Größenordnungen langsamer, ist.

Die körperlichen Eigenschaften der in Trommel Fig. 3 gezeigten Spule werden im folgenden ausgewertet, um die Betriebseigenschaften einer Spule zu demonstrieren, welche die oben genannten Ziele erreicht. Es sei bemerkt, daß die Verschlußscheibenanordnung 36 innerhalb des Plasmaflusses angeordnet werden muß und diesem Fluß widerstehen muß. Eine geeignete Verschlußscheibenanordnung 36 wurde unter Verwendung von keramikartigen Materialien hergestellt, und zwar anordenbar innerhalb Plasmabedingungen. Die Scheibe 38 kann somit aus einem Keramikmaterial, wie beispielsweise Aluminiumoxid, hergestellt werden. Zahlreiche geeignete Keramikmaterialien neben Aluminiumoxid sind jedoch bekannt und die Herstellung kann mit den erforderlichen Dimensionen und dem erforderlichen Plasmawiderstand erfolgen.

Sodann werden die Spulen 48 auf der Scheibe 38 in der in Fig. 4 gezeigten Weise hergestellt. Vier Wicklungen oder Windungen sind in Fig. 3 und 4 gezeigt und bilden Spulenanordnungen 48, benachbart zur Scheibenöffnung. Eine leitende Fritte wird auf ein Substrat 38 gebrannt, um einen ersten Stromleiter 52 und einen zweiten Stromleiter 50 zur Erregung der ersten Spule 48 zu bilden. Es sei bemerkt, daß eine zweite Spule, benachbart zur Verschlußöffnung angeordnet ist, wie dies in Fig. 5 dargestellt ist.

Keramikscheibe 38 ist - vergleiche dazu wiederum Fig. 4 - mit gebohrten Durchlässen versehen, die zur Bildung der Windungen 48 notwendig sind. Die Windungen 48 sind aus einer leitenden Fritte gebildet, die aus Kupfer sein kann, angeordnet in einer Glasfritte welche Spulenleiter 48 bildet. Durch die Keramikscheibe 38 gehende Öffnungen werden zuerst mit der leitenden Fritte gefüllt. Abwechselnde Schichten aus leitender Fritte 48 und einer isolierenden Fritte 54, die eine gefärbte Glasfritte sein kann, werden abwechselnd angeordnet, um die in Fig. 4 gezeigte Spulenkonfiguration zu bilden. Die gesamte Verschlußscheibenanordnung 36 kann dann in konventioneller Weise beispielsweise bei 800°C gebrannt werden, um eine Keramikanordnung zu bilden, die in ihren Eigenschaften im wesentlichen monolithischer Natur ist. Die sich ergebenden leitenden Teile 48 haben nach dem Brennen eine Leitfähigkeit, die sich der Leitfähigkeit des Leiters nähert, der zur Beladung der Glasfritte verwendet wurde. Ferner kapseln die isolierenden Schichten 54 die leitenden Schichten derart ein, daß sich kein Windungs-zu-Windungsüberschlag ergibt, wenn ein Stromimpuls angelegt wird, wobei ferner das leitende Plasma die Stromleiter 48 nicht kurzschließen kann, welche das Abschnür- oder Auslöschmagnetfeld bilden.

Fig. 5 zeigt eine Verschlußscheibenanordnung 36 mit einem Befestigungsring 58 zur Anordnung innerhalb eine arbeitenden Thyratrons. Ein paar von Spulen 48 ist benachbart zur Öffnung 60 angeordnet. Leiter 62 und 64 bilden die notwendigen Stromverbindungen für die Spulen 48. Wenn die Spulen 48 gepulst werden, so wird ein Magnetfeldvektor B erzeugt, der Elektronen innerhalb der Öffnung 60 dazu veranlaßt, sich um einzelne, das Magnetfeld B bildende Flußlinien herumzuwickeln und um die durch Gleichung (5) gegebenen Bedingungen vorzusehen, um die Elektronen innerhalb der Öffnung 60 einzufangen.

Die Eigenschaften der Spule 48 können nunmehr abgeleitet werden, um das Erreichen der verschiedenen Betriebsziele zu verifizieren. Die in den Fig. 3, 4 und 5 gezeigte Spulenkonfiguration kann die wie folgt definierte Indutkivität besitzen:

L = (7)

Der zur Erzeugung des Magnetfeldes innerhalb einer Spule dieser Konfiguration erforderliche Strom ist ferner durch folgende Gleichung definiert:

I _{m = (8) In Gleichung (7) und (8) ist N die Zahl der Spulenwicklung, X ist die effektive Spulenlänge, R ist der efektive Mittelpunkt zwischen den Spulenwindungen und I m ist der magnetische (Spulen)strom. In dem demonstrativen Ausführungsbeispiel zur Anwendung bei einem Thyratron ist X = 7 mm, R = 2,5 mm und N = 4. Somit ist für die Spule, die ein minimales Magnetfeld B = 0,058 T errzeugt, l eine Spule mit einer Induktivität von 57 mH pro Spule erforderlich, oder 28 nH für parallele Spulen. Ein Erregungstrom von 48 a/Spule, oder 96 A für zwei Spulen wird benötigt. In ähnlicher Weise wird für die zwei parallelen Spulen der Widerstand wie folgt bestimmt: dabei ist die L cw die Spulenwindungslänge, T cw die Spulenwicklungsdicke, W cw die Spulenwicklungsbreite und w c die Spulenleitfähigkeit (äquivalent zu Kupfer 6 × 10⁷ Siemens/Meter). In der demonstrativen Thyratronkonfiguration ist L cw = 0,112 m, T cw = 0,0127 mm, W cw = 2,0 mm. Es sei bemerkt, daß T cw eine effektive Leiterdicke ist, die auf eine Hauttiefenabmessung bei Betriebsfrequenzen beschränkt sein kann. Bei der gewünschten Stufenanstiegszeit von 25 ns ist die Hauttiefe für einen Leiter mit einer Leitfähigkeit nahe der des Kupfers groß relativ zur Leiterdicke, die die hier beschriebenen Spulen bilden. Somit ist der berechnete Widerstand R = 0,055 Ohm. Eine weiter wichtige Zahl bei der Auswertung des Spulenbetriebs ist der anzunehmdende Leistungsverlust. Der Arbeitszyklus für die in Fig. 3 gezeigten Spulen und geformt für die Thyratron-Demonstrationseinheit kann mit einem Arbeitszyklus angenommen werden, der gleich dem Arbeitszyklus für das Thyratron ist. Ein Thyratron-Arbeitszyklus wird definiert als das Verhältnis aus dem durchschnittlichen zum Spitzenstrom und für das dargestellte Thyratron beträgt der Arbeitszyklus 1,67 × 10^-4, was ein relativ typischer Arbeitszyklus für den Thyratron-Betrieb ist. Da folgendes gilt: I ave = I m (peak) · (d · c · thy )= (96A) (1.67 × 10^-4) = 0.0153A (ave = Mittel; peak = Spitze) beträgt für die Spule 48 die durchschnittliche Verlustleistung für die Spulenwicklungen: P cw = I² ave R= (0,0153A)² (0,055 Ohm) = 1,29 × 10-5 Watt. Diese Verlustleistung ist wesentlich kleiner als die Fähigkeit für keramische Materialien, die das Substrat und die Windungen der Verschlußscheibenanordnung 36 bilden. Zusammengefaßt kann man sagen, daß zu erwarten ist, daß die Spule 48, dargestellt in den Fig. 3, 4 und 5, ein Magnetfeld B innerhalb der Verschlußöffnung 60 erzeugen wird, welches in effektiver Weise den Plasmafluß mit den folgenden Betriebsparametern abshnürt: L c = 28 nH, R c = 0,055 Ohm, I m (Spitze) = 96 a, I m (Durchschnitt) = 0,0153 A. P cw = 13 × 10^-6 Watt. Wie oben beschrieben, ist die für das Magnetfeld zur Durchdringung des Plasmas erforderliche Zeit wesentlich geringer als die angenommene Stufenanstiegszeit von 25 ms. Die Abschnürzeit für das Plasma hängt dann von der Zeit ab, die der Spulenstrom benötigt, um den Stromwert I m = 96 A zu erhalten, um die minimale Abschnürfeldichte von B = 0,058 T aufzubauen. Für das demonstrative Ausführungsbeispiel berechnete Spuleninduktivität wird eine Spannung von 107 V benötigt, um den gewünschten Strom über das Stufenzeitintervall hinwegzuerzeugen. Die oben hergeleiteten Spannungs- und Stromwerte zeigen ferner an, daß der Plasmaverschluß eine signifikante Steuervorrichtung sein kann. Wenn ein Quadrat- oder Rechteckwellenimpuls an den Verschluß angelegt wird, so kann die zum Betrieb des Verschlusses erorderliche Spitzenleistung ungefähr ungefähr 10 kW betragen. Diese Leistung steuert eine Spitzenthyratron-Ausgangsgröße von 5 MW für einen Leistungsgewinn von ungefähr 500. Es sei nunmehr auf die Fig. 6A und 6B Bezug genommen, wo deren erwarteter Betrieb eines Thyratrons mit einem erfindungsgemäßen Plasmaverschluß graphisch dargestellt ist. Fig. 6A zeigt schematisch ein konventionelles Thyratron mit einem Plasmaverschluß PS, angeordnet innerhalb des Thyratrons. Es wird erwartet, daß der Plasmaverschluß PS, benachbart zum Steuergitter CG ist und auf der einen oder anderen Seite des Steuergitters CG angeordnet sein kann, wie dies durch die Leistungsfähigkeit irgendeines speziellen Thyratrons angezeigt ist Der Einbau eines Plasmaverschlusses PS in einem konventinellen Thyratron, modifiziert die Kommutierung, die Leitung und die Wiedergewinnungs (recovery)-Zyklen, wie dies in der Fig. 6B dargestellt ist. Für eine Zeit t kleiner t₀ befindet sich das Thyratron in seinem Ruhezustand. Zum Zeitpunkt t₀ wird ein possiver Trigger an das Steuergitter CG angelegt, um die durch die Kathode C emittierten Elektronen zu beschleunigen, und um das Thyratron zum Zeitpunkt t₁ lawinenartig in Leitung zu versetzen. Sobald die kaskadenartige Ionisierung vollendet ist, um den Plasmafluß zu erzeugen, kann die Spannung am Steuergitter CG ohne Einfluß auf das Plasma entfernt werden. Ein Stromimpuls wird an dem Plasmaverschluß PS zum Zeitpunkt T₂ angelegt, um das Plasma abzuschnüren (abzuschalten), wobei der Kathodenstrom I₀ auf Null vermindert wird. Ein ensprechender induktiver Spannungsausdruck Ldi/dt. wird an der Anode induziert, die daraufhin auf die Hochspannung H v zurückkehrt, wenn das Plasma im Thyratron abgeschnürt wird. Es sei bemerkt, daß der Plasmaverschluß PS ein relativ kleines Volumen des ionisierten Gases innerhalb des Thyratrons beeinflußt hat und das Gas innerhalb des Kathodenvolumens 22 und des Anodenvolumens 24 verbleibt - vergleiche dazu Fig. 1 - auf hohen Energie- und Leitfähigkeitsniveaus. Wenn somit der Plasmaverschluß PS zum Zeitpunkt t3 abgeschaltet wird, d. h. das Magnetfeld B entfernt wird, so kann die innerhalb des Plasmaverschlusses PS eingefangene Eletronenwolke eine Lawinenbedingung injizieren, um das Thyratron mit einer wesentlich schnelleren Zeit einzuschalten als dies anfangs erforderlich, um das Thyratron in einem Plasmazustand zu bringen. Dadurch, daß nur ein relativ kleines Volumen des ionisierten Gases beeinflußt wird und die Elektronen einfach eingefangen werden, ermöglicht der Plasmaverschluß PS das Thyratron auf einem insgesamt hohen Energieniveau und in einem leitenden Zustand zu bleiben, der dann, wenn das eingefangene magnetische Feld entfernt wird, ohne weiteres eine Plasmafluß wieder aufnimmt. Somit ist die Wiederholfrequenz (Repetierrate) für den Betrieb des Thyratrons jetzt nur durch den Plasmaverschluß selbst und seine Treiberschaltung begrenzt. Es wird erwartet, daß eine Wiederholfrequenz im Bereich von 1 - 10 MHz erreichbar ist. Das vorstehende Ausführungsbeispiel ist in den Fig. 3, 4 und 5 gezeigt des Verschlusses ist speziell für ein Thyratron vorgesehen. Es sei jedoch bemerkt, daß die in den Fig. 3, 4 und 5 gezeigte monolithische Struktur allgemein zur Verwendung bei der Steuerung von Strahlen geladener Teilchen einsetzbar ist. Die Gleichungen (1) bis (8) gelten für einen Strom geladener Teilchen und können zur Definition von Betriebsbedingungen der Erfindung verwendet werden, um geladene Teilchen um magnetische Flußlinien herumzuwickeln, um die geladenen Teilchen in oder um den Spalt 32 herum, der die Öffnungen 60 definiert, einzufangen. Teilchenstrahlvorrichtungen umfassen Teilchenstrahlbeschleuniger und freie Elektronenstrahlen. Abwandlungen liegen im Rahmen der Erfindung. Zusammenfassend sieht die Erfindung folgendes vor: Ein Verschluß ist vorgesehen, der zur Steuerung eines Strahls oder eines Stroms aus geladenen Teilchen in einer Vorrichtung, wie beispielsweise einem Thyratron, dient. Das Substrat definiert eine Öffnung innerhalb eines Spalts, der innerhalb des Stroms anordenbar ist. Auf dem Substrat sind Spulen gebildet, und zwar benachbart zur Öffnung, um ein Magnetfeld für das Einfangen geladener Teilchen in oder um die Öffnung zu erzeugen. Die Nähe der Spulen zur Öffnung ermöglicht die Erzeugung eines effektiven Magnetfeldes durch die Spulen mit einer niedrigen Induktivtät, geeignet für Hochfrequenzsteuerung. Die im wesentlichen monolithische Struktur einschließlich des Substrats und der Spulen ermöglicht es, daß die gesamte Verschlußanordnung in effektiver Weise bezüglich des Teilchenstrahls angeordnet werden kann.}

Claims (19)

1. Plasmaverschluß zur Verwendung beim Pulsieren einer Kaskadenionisationsvorrichtung, wobei folgendes vorgesehen ist: Ein Substrat, welches innerhalb eines Plasmas anordenbar ist und eine Öffnung mit einer Minimalfläche definiert, welche die Einleitung der Kaskadenionisierung ermöglicht, Leitermittel, angeordnet auf dem Substrat und Spulen definierend zur Anordnung innerhalb des Plasmas benachbart zu der Öffnung und orientiert zur Erzeugung eines zur Bewegung des Plasmas im wesentlichen senkrechten magnetische Feldes.

2. Plasmaverschluß nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnung eine Spaltabmessung besitzt, welche die magnetische Felddurchdringung des Plasmas mit einer Zeitkonstanten gestattet, die für eine für das Pulsieren ausgewählte Frequenz effektiv ist.

3. Plasmaverschluß nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitermittel alternierende Schichten aus leitendem Material und isolierendem Material aufweisen wobei eine monolithische Spulenstruktur gebildet wird.

4. Verschluß nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das leitende Material aus einer Glasfritte gebildet ist, und zwar "beladen" mit einem Leiter und wobei ferner das Isoliermaterial aus einer Glasfritte gebildet ist.

5. Verschluß nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Magnetfeld mit einer Stärke erzeugbar ist, die effektiv ist, die plasmabildenden Elektronen um eine einzige Flußlinie zu wickeln, und zwar definiert durch das Magnetfeld und auf einen Radius, der einen Umfang definiert, der nicht länger ist als eine mittlere freie Bahn für Elektronen.

6. Schalter zur Steuerung eines Stromflusses geladenere Teilchen, wobei folgendes vorgesehen ist: Verschlußmittel, die zur Unterbrechung des Stromes anordenbar sind und eine Öffnung definieren, die im wesentlichen senkrecht zu einem den Strom bildenden geladenen Teilchenfluß verlaufen, wobei die Öffnung ferner eine den Strom an- oder aufnehmendes internes oder Innenvolumen definiert, und zwar relativ klein, verglichen mit den benachbarten internen Volumina, und Spulenmittel, benachbart zu der Öffnung zum Zwecke der Erzeugung eines Magnetfelds innerhalb der Öffnung, und zwar senkrecht zu dem Stromfluß und mit einer Stärke, die eine Kreisbahn der geladenen Teilchen um das Magnetfeld herum schafft, und zwar mit einem Umfang, der funktionsmäßig mit einer mittleren freien Bahn der geladenen Teilchen in Beziehung steht, um die Teilchen einzufangen.

7. Schalter nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulenmittel Leiterelemente aufweisen, die als Wicklungen, benachbart zu der Öffnung (Apertur) ausgebildet sind, um innerhalb des Stromflusses angeordnet zu sein.

8. Schalter nach Anspruch 6, wobei die Öffnung eine Spaltabmessung besitzt, die klein ist bezüglich der Spaltlängenabmessung.

9. Schalter nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterelemente abwechselnde Schichten aus leitendem Material und Isoliermaterial aufweisen und eine monolithische Spulenstruktur bilden.

10. Schaltung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das leitende Material aus einer mit einem Leiter beladenen Glasfritte gebildet ist, und daß das Isoliermaterial aus einer Glasfritte gebildet ist.

11. Verfahren zum Abschalten oder Abschnüren (quenching) des Plasmaflußes zwischen einer Kathode und einer Anode, wobei die folgenden Schritte vorgesehen sind: Beschränkung des Plasmaflusses durch eine Öffnung mit einer Spaltbreite zur Aufnahme des Plasmas und einer Fläche, die klein ist bezüglich der Kathode und Anode, und Erzeugung eines Magnetfeldes (quer) über den Spalt hinweg und senkrecht zum Plasmafluß, wobei das Magnetfeld eine Stärke besitzt, die die Bewegung der den Plasmafluß bildenden Elektronen in einer Kreisbahn bewirkt, und zwar mit einem Umfang nicht länger als eine mittlere freie Weglänge (mittlerer freier Pfad) der Elektronen.

12. Verfahren nach Anspruch 11, gekennzeichnet durch den Schritt des Anordnens eines Substrats innerhalb des Plasmaflußes, wobei das Substrat die Öffnung definiert und leitende Windungen oder Wicklungen darauf aufweist, um das Magnetfeld zu erzeugen.

13. Verfahren nach Anspruch 12, gekennzeichnet durch den Schritt des Anordnens der leitenden Wicklungen, benachbart zu dem Spalt, und zwar mit einem leitenden Abstand effektiv zur Erzeugung des Magnetfeldes und zur Steuerung einer Leistungsausgangsgröße des Plasmas mit einer relativ kleinen Leistungseingangsgröße in den leitenden Wicklungen.

14. Ein gepulstes Hochfrequenzthyratron mit einem Gehäuse, welches eine Kathode, eine Anode, ein Steuergitter und ein ionisierbares Gas zur Erzeugung eines Plasmaflusses aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß ein Plasmaverschluß innerhalb des Gehäuses angeordnet ist, und zwar zwischen der Anode und der Kathode zur Aufnahme und zum magnetischen Einfangen von dem Plasmafluß bildenden Elektronen.

15. Thyratron nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Plasmaverschluß ferner ein Substrat aufweist, welches eine Öffnung für die Aufnahme des Plasmaflusses definiert, und daß ferner leitende Windungen auf dem Substrat, benachbart zu der Öffnung vorgesehen sind, um ein Magnetfeld zu erzeugen im wesentlichen senkrecht zum Plasmafluß und effektiv zum Einfangen der Elektronen und zum Abschnüren (quenching) des Plasmas.

16. Thyratron nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnung eine den Plasmafluß aufnehmende Fläche besitzt, die gegenüber den Flächen für die Kathode und Anode reduziert ist.

17. Thyratron nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnung ein kleines eingeschlossenes Volumen bezüglich der benachbarten Volumina besitzt, die das ionisierte Gas innerhalb des Gehäuses enthalten.

18. Thyratron nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterelemente abwechselnde Schichten aus leitendem Material und isolierendem Material aufweisen und eine monolithische Spulenstruktur bilden.

19. Thyratron nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß das leitende Material aus einer mit einem Leiter beladenen Glasfritte und das Isoliermaterial aus einer Glasfritte gebildet ist.