DE3810294C2 - Ionenplasma-Elektronenkanone - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Ionenplasma-Elektronenkanone gemäß dem Oberbegriff des einzigen Patentanspruchs.

Die erfindungsgemäße Ionenplasma-Elektronenkanone ist vom gleichen Typ wie die in der US-PS 3 970 892 und der älteren nachveröffentlichten Patentanmeldung DE 37 00 775 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 4 025 818 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 emittierten 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 Überwachung des Hochspannungs-Stromversorgungs-Stroms inadäquat zur Kontrolle und Konstanthaltung der 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.

Ein Ausführungsbeispiel der 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 Hauptkomponenteneiner 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 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 11 dienen zur Abfuhr von Wärme aus der Plasmakammer.

Das elektronendurchlässige Fenster 2 kann aus einer 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 10.000 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 Überwachung 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 Oberwachung 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.

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)

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 (2) 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 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.