DE3810294A1 - Ionenplasma-elektronenkanone - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft eine Ionenplasma-Elektronenkanone.
Die erfindungsgemäße Ionenplasma-Elektronenkanone ist vom gleichen
Typ wie die in der US-PS 39 70 892 und der älteren Patentanmeldung
P 37 00 775.0 beschriebene Elektronenkanone. Wie in der US-PS
erwähnt ist, stellt die Plasmakathoden-Elektronenkanone den jüngsten
Fortschritt auf dem Gebiet der Erzeugung von Hochenergie-Elektronen
strahlen dar, wie sie beispielsweise in elektronenstrahl-erregten
Gaslasern verwendet werden. In einer solchen Elektronenkanone
wird in einer Hohlkathoden-Entladung zwischen der hohlen Kathoden
oberfläche und einem bezüglich der Kathode mit einer relativ
niedrigen Spannung gespeisten Anodengitter ein Plasma erzeugt.
Aus dem Entladungsplasma werden durch das Anodengitter und ein
Steuergitter Elektronen extrahiert, welche in einer plasmafreien
Zone zwischen den Gittern und einer Beschleunigungsanode auf
hohe Energien beschleunigt werden. Bei der Beschleunigungsanode
handelt es sich typischerweise um ein dünnes Folienfenster, welches
gegenüber der Kathode auf einer relativ hohen Spannung gehalten
wird. Vorteile der Plasmakathoden-Elektronenkanone sind deren
konstruktive Einfachheit und Stabilität, die leichte Steuer
barkeit sowie der hohe Wirkungsgrad, geringe Kosten und die
Eignung zur Erzeugung großflächiger Elektronenstrahlen.
Die US-PS 40 25 818 beschreibt eine Ionenplasma-Elektronenkanone,
die ähnlich ist wie die oben besprochene Anordnung, zusätzlich
jedoch eine Drahtanode für die Plasmaentladung sowie eine Anzahl
von Prallflächen aufweist, so daß die Plasmakammern hintereinander
geschaltet werden können.
Bei bekannten Elektronenstrahlgeneratoren ist der Strahlstrom all
gemein proportional dem von der Hochspannungsstromversorgung an
die Kathode gelieferten Strom. Die Kontrolle und Aufrechterhaltung
einer gleichförmigen und konstanten Dosisrate ist also einfach
eine Frage des Messens und der Kontrolle des an die Kathode gelie
ferten Stroms.
Im Falle von Draht-Ionenplasma-Anordnungen ist der Hochspannungs-
Stromversorgungs-Strom die Summe der aufprallenden Heliumionen,
die in der Plasmakammer erzeugt werden, und der von der Kathoden
oberfläche emittierenden Elektronen. Das Verhältnis der emittierten
Elektronen zu den aufprallenden Ionen, der Sekundäremissionskoeffizient,
hängt von den Oberflächenbedingungen der Emitteroberfläche ab. Es wurde
festgestellt, daß diese Bedingungen stark veränderlich sind, so daß
die einfache Oberwachung des Hochspannungs-Stromversorgungs-Stroms
inadäquat zur Kontrolle und Konstanthaltung des Dosisrate oder der
Sekundärelektronenabgabe der Draht-Ionenplasma-Anordnung ist.
Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, eine Einrichtung zu schaffen,
mit der die Dosisrate oder die Sekundärelektronen-Strahlabgabe einer
Draht-Ionenplasma-Elektronenkanone genau kontrolliert und konstant
gehalten werden kann.
Die erfindungsgemäße Anordnung besteht aus einem elektrisch leitenden,
evakuierten Gehäuse, das eine erste und eine zweite Kammer bildet, die
einander benachbart sind und zwischen denen eine Öffnung vorgesehen ist.
In der ersten Kammer ist ein Draht angeordnet, der elektrisch mit einer
stromgeregelten Stromversorgung verbunden ist, um in der ersten Kammer
positive Ionen, beispielsweise Heliumionen, zu erzeugen. Eine in der
zweiten Kammer angeordnete Kathode ist im Abstand von dem Gehäuse ange
ordnet und gegen dieses isoliert. Die Kathode ist mit einer Sekundär
elektronen emittierenden Oberfläche versehen.
Es sind Einrichtungen vorgesehen, um eine hohe negative Spannung zwischen
der Kathode und dem Gehäuse anzulegen, um die Kathode zu veranlassen,
positive Ionen von der ersten Kammer in die zweite Kammer zu ziehen,
damit diese auf die Kathodenoberfläche aufprallen und veranlassen,
daß diese Sekundärelektronen emittiert. Eine elektrisch leitende,
elektronendurchlässige Folie erstreckt sich über eine Öffnung in dem
Gehäuse an dem Ende der ersten Kammer, das der Kathode zu weist. Die
Folie ist elektrisch mit dem Gehäuse verbunden, um eine Anode für die
Sekundärelektronen zu bilden, wodurch sie veranlaßt werden, als
Elektronenstrahl durch die Folie hindurchzutreten.
Ein elektrisch leitendes Extraktionsgitter ist in der zweiten Kammer
benachbart der Sekundärelektronen emittierenden Kathodenoberfläche
montiert und ist mit dem Gehäuse verbunden, um ein elektrostatisches
Feld an der Sekundärelektronen emittierenden Oberfläche zu erzeugen,
mit dem Sekundärelektronen veranlaßt werden, durch die Öffnungen des
Gitters hindurch in die erste Kammer einzutreten. Ein elektrisch
leitendes Traggitter ist in der ersten Kammer der Folie benachbart
montiert und ist mit der Folie und dem Gehäuse verbunden, die dazu
dienen, die Folie abzustützen. Das Traggitter ist mit Öffnungen ver
sehen, die allgemein mit den Öffnungen im Extraktionsgitter ausge
fluchtet sind, um in Verbindung mit dem Extraktionsgitter zu bewirken,
daß Sekundärelektronen zur Folie hin beschleunigt werden.
Die Ionenplasma-Elektronenkanone nach der Erfindung ist weiter mit
einer Targetoberfläche versehen, auf die die Sekundärelektronen auf
prallen sollen, wenn sie aus dem Folienfenster austreten oder durch
die Plasmakammer hindurchtreten. Das Target ist in der Lage, eine
Spannung zu entwickeln, wenn es von den Sekundärelektronen getroffen
wird. Das Target ist mit einer Vergleichsschaltung verbunden, während
die Vergleichsschaltung ihrerseits mit der stromgeregelten Stromver
sorgung verbunden ist. Die Kombination von Target, Vergleichsschaltung
und Stromversorgung ist in der Lage, die Abgabe von Sekundärelektronen,
die aus dem Folienfenster austreten, im wesentlichen konstant zu halten.
Die Erfindung soll anhand der Zeichnung näher erläutert werden; es
zeigen:
Fig. 1 eine teilweise geschnittene, perspektivische Ansicht
der Hauptkomponenten der erfindungsgemäßen Ionenplasma-
Elektronenkanone, und
Fig. 2 ein Schaltschema einer Vergleichsschaltung, die gemäß
der Erfindung verwendet wird.
Fig. 1 zeigt die Hauptkomponenten einer erfindungsgemäßen Plasma-
Elektronenkanone. Die Kanone enthält ein elektrisch leitendes, geerdetes
Gehäuse, welches sich aus einer Hochspannungskammer 13, einer Ionenplasma-
Entladungskammer 12 und einem elektronendurchlässigen Folienfenster 2
zusammensetzt. Durch die Plasma-Entladungskammer 12 hindurch erstreckt
sich ein Draht 4. Das Folienfenster ist elektrisch an das geerdete
Gehäuse angeschlossen und bildet eine Anode, welche Elektronen veranlaßt,
auf sie und durch sie hindurch beschleunigt zu werden. Das Gehäuse ist
mit 1-10 Millitorr (0,133-1,33 Pa) Helium gefüllt. In der Hochspannungs
kammer 13 befindet sich eine der Kammer gegenüber isolierte Kathode 6,
auf deren Unterseite ein Kathodeneinsatz 5 montiert ist. Der Einsatz 5
besteht typischerweise aus Molybdän, kann jedoch aus irgendeinem anderen
Material bestehen, welches einen hohen Sekundäremissions-Koeffizienten
besitzt. Die Hochspannungskathode 6 ist gegenüber dem Gehäuse gleich
mäßig beabstandet, um einen Paschen-Durchbruch zu vermeiden.
Eine Hochspannungsquelle 10 liefert ein negatives Potential von 150-300
Kilovolt über ein Kabel 9 an die Kathode 6. Das Kabel 9 läuft durch
einen Epoxy-Isolator 14 zu einem Widerstand 8, der zwischen dem Kabel 9
und der Kathode 6 liegt. Die Kathode 6 und der Einsatz 5 werden durch
eine geeignete Kühlflüssigkeit, zum Beispiel Öl, gekühlt, wozu die Kühl
flüssigkeit durch Leitungen 7 hindurchgepumpt wird.
Die Plasmakammer 12 enthält eine Anzahl metallischer Rippen 3, die mit
einander mechanisch und elektrisch verbunden sind. Die Rippen 3 ent
halten in der Mitte Ausschnitte, so daß der Draht 4 durch den gesamten
Aufbau hindurchlaufen kann. Die der Kathode 6 zugewandten Seiten der
Rippen 3 bilden ein Extraktionsgitter 16, während die gegenüberliegenden
Seiten der Rippen ein Traggitter 15 zur Abstützung des elektronen
durchlässigen Folienfensters 2 bilden. Anstelle der Rippen können
Anodenplatten mit einer Vielzahl von Löchern verwendet werden. Flüssig
kühlkanäle 8 dienen zur Abfuhr von Wärme aus der Plasmakammer.
Das elektronendurchlässige Fenster 2 kann aus einer 0,25-1 Millizoll
(6-25,4 µm) dicken Titan- oder Aluminiumfolie bestehen, die von dem
Traggitter 15 gehalten wird und mit Hilfe eines O-Ringes gegenüber
dem Gehäuse abgedichtet ist. Eine Gas-Verteilungskanalanordnung 10
dient zum Kühlen des Folienfensters mit unter Druck stehendem Stick
stoff sowie zur Beseitigung von Ozon aus dem Strahlbereich.
Eine stromgeregelte Stromversorgung ist mit dem Draht 4 verbunden.
Wenn die Stromversorgung 1 erregt ist, wird von dem den Draht 4
umgebenden elektrischen Feld in der Plasmakammer 12 ein aus Helium
ionen und Elektronen bestehendes Plasma aufgebaut. Wenn einmal das
Plasma aufgebaut ist, werden die positiven Heliumionen im Plasma von
dem hochgespannten elektrischen Feld, das durch die Extraktions
elektrode 16 hindurch leckt, aus der Plasmakammer abgezogen. Die im
Plasma erzeugten positiven Heliumionen werden von dem Feld, das
durch das Extraktionsgitter 16 in die Plasmakammer durchgreift, zur
Kathode 6 abgezogen. Das Feld kann in der Stärke zwischen einigen
100 Volt bis hinauf zu 10000 Volt variieren. Die Ionen fliegen entlang
der Feldlinien durch das Extraktionsgitter 16 hindurch in die Hoch
spannungskammer 13. Hier werden sie über das volle Potential beschleu
nigt und bombardieren den Kathodeneinsatz 5 als ein kollimierter
Strahl. Die Sekundärelektronen, die vom Kathodeneinsatz emittiert
werden, haben eine leichte räumliche Streuung dank der Kosinus
verteilung ihrer Emissionsrichtung.
Wie oben bereits erwähnt ist, ist im Falle einer Draht-Ionenplasma-
Elektronenkanone die Dosisrate oder die Sekundärelektronenabgabe von
der Kanone nicht notwendigerweise direkt proportional dem Strom von
der Hochspannungs-Stromversorgung 10. In Geräten dieser Art ist der
Strom der Hochspannungs-Stromversorgung die Summe der auftreffenden
Heliumionen und emittierten Elektronen. Das Verhältnis der emittierten
Elektronen zu den aufprallenden Ionen, der Sekundäremissionskoeffizient,
hängt von den Oberflächenbedingungen der Emitteroberfläche ab. Diese
Bedingungen sind oft sehr veränderlich, und damit reicht eine einfache
Oberwachung der Hochspannungs-Stromversorgung nicht aus, um die
Konsistenz der Dosisrate oder der Sekundärelektronenabgabe zu kon
trollieren.
Es wurde festgestellt, daß in einem großen Ausmaß die Dosisrate eine
lineare Funktion des Plasmastroms ist. Durch Überwachung des Sekundär
elektronenstrahls und proportionales Regulieren des Stroms, der von
der stromgeregelten Stromversorgung 1 des Anodendrahtes 4 an diesen
geliefert wird, ist man also in der Lage, eine konsistente Abgabe
von Sekundärelektronen zu kontrollieren und aufrechtzuerhalten.
Die oben erwähnten Ziele werden dadurch erreicht, daß ein metallisches
Element 50 als Target vorgesehen wird, auf das die Sekundärelektronen
abgabe der Kanone auftrifft. Das Target kann praktisch irgendeine
körperliche Form haben, beispielsweise eine flache Metallplatte,
eine Schaufel oder ein Draht aus einem Werkstoff wie Kupfer, der
in der Lage ist, eine Spannung aufzubauen und einen Strom zu leiten,
wenn es von den Sekundärelektronen getroffen wird.
Es wird in Betracht gezogen, daß das Target elektrisch mit einer Ver
gleichsschaltung 40 verbunden ist, die in der Lage ist, die Differenz
zwischen der Spannung zu erfassen, die vom Target 50 angezeigt wird,
und einer voreingestellten Spannung, die in der Vergleichsschaltung
aufgebaut ist. Wenn also die Spannung vom Target 50 sich von dem einge
stellten Wert unterscheidet, wird ein Signal an die stromgeregelte
Stromversorgung 1 geliefert, um den Plasmastrom derart nachzustellen,
daß die Differenz herabgesetzt wird. Wenn beispielsweise die Be
dingungen innerhalb der Draht-Ionenplasma-Elektronenkanone derart
sind, daß die Dosisrate oder die Abgabe unzulässig ansteigt, ent
wickelt das Target 50 eine höhere Spannung, die darin resultiert,
daß die Vergleichsschaltung eine Spannung oberhalb des vorgeschrie
benen Einstellpunktes erfaßt, und das resultiert darin, daß ein
Signal an die stromgeregelte Stromversorgung 1 geliefert wird, um
die Plasmaerzeugung herabzusetzen.
Fig. 2 liefert ein Beispiel für eine Vergleichsschaltung, die in
der Erfindung verwendet werden kann.
Die vom Target 50 gelieferte Spannung wird von einem Eingangsver
stärker 60 aufgenommen, wo sie mit einem Verstärkungsfaktor verstärkt
wird, der mittels eines Potentiometers 62 einstellbar ist. Das
Potentiometer ist in einer Gegenkopplungsschleife zwischen den
Ausgang und den invertierenden Eingang des Eingangsverstärkers 60
geschaltet. Ein Pufferverstärker 66 erhält das Signal vom Ausgang
des Eingangsverstärkers 60 und liefert das Signal an einen Eingang
eines Komparators 68. Beim Komparator 68 kann es sich um einen
Differentialverstärker oder dergl. handeln. Der andere Eingang des
Komparators 68 ist mit einem Spannungs-Einstellpunkt-Generator 70
verbunden. Wie in Fig. 2 dargestellt ist, kann es sich bei dem
Spannungs-Einstellpunkt-Generator 70 um einen Spannungsteiler han
deln, der zwischen eine Versorgungsspannung und Masse geschaltet ist.
Der Spannungsteiler kann beispielsweise dadurch implementiert werden,
daß ein Potentiometer verwendet wird, das vom Benutzer eingestellt wird.
Der Ausgang des Komparators 68 ist ein Signal proportional der Diffe
renz zwischen dem Spannungs-Einstellpunkt und der Spannung vom Target 50.
Dieses Differenzsignal wird an die stromgeregelte Stromversorgung 1
gelegt, bei der es sich beispielsweise um eine Stromversorgung
Modell BHK 1000-0.2M der Firma Kepco, Flushing, New York, USA,
handeln kann. Die stromgeregelte Stromversorgung 1 antwortet durch
Nachstellen des an den Draht 4 angelegten Stroms und bewirkt damit
eine Änderung der Plasmaintensität. Diese Änderung wird vom Target 50
detektiert und das Differenzsignal vom Komparator 68 ändert sich,
um die Änderung der Plasmaintensität wiederzugeben. Auf diese
Weise wird der an den Draht 4 angelegte Strom modifiziert, bis die
gewünschte Plasmaintensität vom Target 50 detektiert wird.
Claims (1)
- Ionenplasma-Elektronenkanone mit
- - einem elektrisch leitenden, evakuierten Gehäuse, das eine erste und eine zweite Kammer bildet, die einander benachbart sind und eine Öffnung zwischen sich besitzen;
- - einem in der ersten Kammer angeordneten Draht (4), um in der ersten Kammer (12) ein aus positiv geladenen Ionen und aus Elektronen bestehendes Plasma zu erzeugen;
- - einer in der zweiten Kammer (13) angeordneten Kathode (6), die mit Abstand von dem Gehäuse und von diesem isoliert angebracht ist und eine Sekundärelektronen-Emissionsfläche (5) besitzt;
- - einer Einrichtung (8, 9, 10) zum Anlegen einer negativen Hoch spannung zwischen die Kathode (6) und das Gehäuse, damit die Kathode (6) die positiven Ionen aus der ersten Kammer (12) in die zweite Kammer (13) zieht, so daß sie auf die Emissionsfläche (5) der Kathode (6) auf treffen und veranlassen, daß die Emissionsfläche Sekundärelektronen emittiert;
- - einer elektrisch leitenden, elektronendurchlässigen Folie (2), die sich über eine Öffnung in dem Gehäuse an der Seite der ersten Kammer (12), die der Kathode (6) zugewandt ist, erstreckt und elektrisch mit dem Gehäuse verbunden ist, um eine Anode für die Sekundärelektronen zu bilden und zu veranlassen, daß die Sekundär elektronen in Form eines Elektronenstrahls durch die Folie (2) hindurchgelangen;
- - einem elektrisch leitenden Extraktionsgitter (16), das in der zweiten Kammer (13) benachbart der Sekundärelektronen-Emissions fläche (5) der Kathode (6) montiert ist und an das Gehäuse ange schlossen ist, um ein elektrostatisches Feld an der Oberfläche zu erzeugen und zu veranlassen, daß von dort kommende Sekundärelektronen durch die Öffnungen in dem Gitter (16) in die erste Kammer (12) hineingelangen; und
- - einem elektrisch leitenden Traggitter (15), das in der ersten Kammer (12) der Folie benachbart montiert ist sowie an die Folie und das Gehäuse angeschlossen ist, wobei das Gitter (15) die Folie (2) trägt und in sich Öffnungen aufweist, die mit den Öffnungen in dem Extraktionsgitter (16) ausgerichtet sind, um gemeinsam mit diesem die Sekundärelektronen auf die Folie zu beschleunigen, dadurch gekennzeichnet, daß der in der ersten Kammer (12) angeordnete Draht (4) elektrisch mit einer stromgeregelten Stromversorgung (1) verbunden ist, und ein Target (50) vorgesehen ist, das in der Lage ist, nach Aufprall von Sekundärelektronen eine Spannung zu entwickeln, und das an eine Vergleichsschaltung (Fig. 2) angeschlossen ist sowie an die stromgeregelte Stromversorgung (1), wobei die Kombination in der Lage ist, die Sekundärelektronenabgabe ausgehend vom Folienfenster (2) im wesentlichen konstant zu halten.
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