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Mit einer vielzelligen Ionenquelle mit Magneteinschluß versehene abgedichtete
Neutronenröhre.
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Die Erfindung betrifft eine abgedichtete Neutronenröhre, die eine
Deuterium-Tritium-Gasmischung unter geringem Druck enthält, aus der eine Ionenquelle
mit zwei Elektroden, einer Anode und einer Kathode, ein ionisiertes Gas bildet, das von
einem durch Magneten oder durch andere Magnetfeld-Erzeugungsmittel geschaffenen
Begrenzungs-Magnetfeld weitergeleitet wird, wobei die Quelle von den
Emissionskanälen in der Kathode ausgehend Ionenbündel emittiert, die eine
Extraktions-Beschleunigungselektrode durchqueren und mit hoher Energie auf eine Targetelektrode
gerichtet werden, um an dieser Stelle eine Fusionsreaktion zu erzeugen, die eine
Neutronenemission auslöst, wobei die Ionenquelle vom vielzelligen Typ ist, der aus einer
Elementarzellenstruktur vom Penning-Typ besteht, die für die Gesamtheit der Zellen
einen Kathodenraum enthält, in dessen Innere sich eine Mehrlochanode befindet, wobei
die Achsen der Löcher jeweils mit den entsprechenden Achsen der Emissionskannäle
fluchten.
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Eine derartige Röhre ist aus NL-A-7 707 357 bekannt.
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Die Neutronenröhren derselben Art werden mit den Materieprüftechniken
mittels schneller, thermischer, epithermischer oder kalter Neutronen verwendet:
Neutronographie, Aktivierungsanalyse, Analyse durch Spektrometrie der nichtelastischen
Diffusionen oder Strahlungseinfang, Neutronendiffusion, usw....
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Die Erhaltung des vollen Wirkungsgrades dieser Kerntechniken erfordert
eine viel längere Lebensdauer für die entsprechenden Emissionspegel.
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Die Fusionsreaktion d(3H,4He)n zum Erzeugen von 14-MeV-Neutronen
wird am meisten aufgrund ihres großen wirksamen Abschnitts für verhältnismäßig
schwache Ionenenergien verwendet. Wie auch die benutzte Reaktion aussieht, ist
dennoch die durch Ladungseinheit erhaltene durch das Bündel gehende Neutronenanzahl
ständig an steigend, je mehr die Energie der auf ein dickes Target gerichteten Ionen
ansteigt, und dies weitgehend vorbei den Ionenenergien, die in den zur Zeit verfügbaren
abgedichteten und mit einer THT von höchstens 250 kv gespeisten Röhren erhalten
werden.
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Unter diesen beschränkenden Hauptfaktoren der Lebensdauer einer
Neutronenröhre ist die Targeterosion durch den Ionenbeschuß eine der wichtigsten.
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Die Erosion ist von der chemischen Beschaffenheit und von der Struktur
des Targets einerseits und von der Energie der ankommenden Ionen und vom
Dichteverteilungsprofil auf der Landungsfläche andererseits abhängig.
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Meistens besteht das Target aus einem hydratierbaren Material (Titan,
Scandium, Zirkon, Erbium, usw.), wodurch bedeutende Wasserstoffmengen ohne
wesentliche Beeinträchtigung seiner mechanischen Festigkeit festzuhalten und
freizugeben. Die festgehaltene Gesamtmenge ist von der Targettemperatur und vom
Wasserstoffdruck in der Röhre abhängig. Die benutzten Targetwerkstoffe werden in
Form dünner Schichten abgelagert, deren Dicke durch Haftprobleme der Schicht an
ihrem Träger begrenzt wird. Ein Mittel zum Verzögern der Erosion des Targets besteht
besipielsweise in der Bildung der aktiven Absorptionsschicht aus einer Stapelung
gleicher Schichten, die mittels einer Diffusionsbarriere voneinander isoliert sind. Die
Dicke jeder der aktiven Schichten liegt in der Größenordnung der Durchbohrungstiefe
der Deuteriumionen auf das Target.
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Eine andere Möglichkeit zum Schützen des Targets und also zum
Verlängern der Lebensdauer der Röhre besteht in das derartige Einwirken auf das
Ionenbündel, daß sein Dichteverteilungsprofil auf der Landungsfläche aufgebessert wird.
Bei einem konstanten Gesamtionenstrom auf das Target, der eine konstante
Neutronenstrom auslöst, wird die Aufbesserung durch eine
möglichst gleichmäßige Verteilung der Stromdichte auf der gesamten vom Target beim
Ionenbeschuß geöffneten Oberfläche bewirkt.
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In einer abgedichteten Neutronenröhre entstammen die Ionen im
allgemeinen einer Ionenquelle vom Penning-Typ, die den Vorteil hat, daß sie robust ist,
eine Kaltkathode (und daher mit einer langen Lebensdauer) enthält, wichtige
Entladungsströme bei schwachen Drucken gibt (in der Größenordnung von 10 A/Torr; 1 Torr
= 133,3 Pa), eine höhere Extraktionsausbeute (von 20 bis 40%) und kleine
Abmessungen hat.
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Diese Quellenart hat dagegen den Nachteil, daß dabei ein Magnetfeld in
der Größenordnung von Tausend Gauß erforderlich ist (1 Gs = 10&supmin;&sup4; T), wodurch eine
bedeutende Transversalinhomogenität der Ionenstromdichte im Inneren der Entladung
und auf dem Extraktionspegel eingeführt wird, die sich auf der gemeinsamen Achse des
Feldes und der Quelle auswirkt.
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Ein anderer Nachteil entsteht dadurch, daß die extrahierten und nach dem
Target beschleunigten Ionen mit den Gasmolekülen in der Röhre unter einem konstanten
Druck erster Ordnung reagieren, um Ionisations-, Dissoziations- und
Ladungsaustauscheffekte zu erzeugen, wodurch einerseits eine Energieverringerung auf dem Target, d.h.
eine Reduktion der Neutronenerzeugung, und andererseits die Bildung von Ionen und
Elektronen bewirkt werden, die nach Beschleunigung die Ionenquelle oder die
Röhrenelektroden beschießen.
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Es entstehen hierdurch Energievorräte, die die Temperatur der
Elektrodenwerkstoffe erhöhen, wie z.B. dem Molybdän oder dem rostfreien Stahl. Die
Erwärmung dieser Werkstoffe regt die Desorption von Verunreinigungen wie
Kohlenstoffoxid an, die sie einschließen und damit die Qualität der Atmosphäre in der Röhre
stören. Die in der Röhre gebildeten Verunreinigungsionen, wie beispielsweise Co&spplus;,
beschießen das Target mit einem um den Faktor 10² bis 10³ höheren
Pulverisierkoeffizienten als der der Deuterium-Tritiumionen, wodurch die Erosion sich bedeutend
verstärkt. Diese Effekte vergrößern sich mit dem Betriebsdruck in der Neutronenröhre.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Quelleneinrichtung zu
schaffen, die diese Nachteile beseitigen kann.
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Zur Lösung dieser Aufgabe ist die Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß
die Anzahl der Löcher derart optimiert wird, daß das extrahierte Bündel für eine
gleichwertige Bemessung der Ionenquelle sich vergrößert, und die Form und/oder die
Abmessungen und/oder die Positionierung der Löcher an die Topologie des Magnetfelds
derart angepaßt wird, daß der Stranl der Anodenlöcher der Ionenquelle von der Mitte
nach der Peripherie der Struktur progressiv vergrößert wird.
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Es sei bemerkt, daß aus der Patentanmeldung NL-A 77 07357 eine
mehrzellige Neutronenröhre bekannt ist, die für die Gesamtheit der Zellen einen
Kathodenhohlraum enthält, in dessen Innere eine Mehrlochanode angeordnet ist, wobei
die Lochachsen jeweils auf den entsprechenden Achsen der Emissionskanäle in der
Kathode liegen.
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Es sei außerdem bemerkt, daß eine komplementäre Verstärkung des
Entladungsstroms aus der Längenvergrößerung der Struktur der Mehrzellen-Ionenquelle
entstehen kann. Diese Verstärkung kann einen Faktor 2 groß werden.
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Der Stromanstieg infolge der neuen Quellenkonfiguration ist also zum
Verringern des Betriebsdrucks in der Neutronenröhre und auf diese Weise zum
Begrenzen der schädlichen Wirkung der Ionen/Gas-Reaktionen verwendbar.
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Die Durchführbarkeit der Mehrzellenstruktur geht davon aus, daß ein
Magnetfeld an die gute Wirkung einer Penning-Struktur insbesondere auf dem Pegel des
Zusammenhangs zwischen der magnetischen Induktion und dem Lochstrahl der
Mehrlochanode angepaßt wird.
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Die Pegeländerung des Magnetfelds, das dabei der Form der Kraftlinien
folgt, ist durch eine Vergrößerung des Strahls korrigierbar, was auskommt auf die
Herstellung von Strukturen mit änderbarem Anodenstrahl. Außerdem kann eine bessere
Anpassung der Anodenform an die magnetischen Kraftlinien durch Ersatz der
zylindrischen Strukturen mit kreisförmigem oder viereckigem Querschnitt durch
kegelstumpfförmige Strukturen erhalten werden, indem die Erzeugenden von Kegelstumpfen mit den
Kraftlinien zusammenfallen, die auf den Konturen der Löcher liegen.
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Die Emission der Ionen mit verschiedenen Strukturen erfolgt durch die in
der Kathode angebrachten Kanäle, die als Emissionselektrode dient. Diese Kanäle,
deren Anzahl gleich der der Elementarzellen ist, sind jeweils auf denselben
Symmetrieachsen angeordnet. Bei Strukturen mit kreisförmigem Querschnitt ist der Durchmesser
vom erzeugten elektrischen Feld und von der Elektrodendicke abhängig.
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Eine Abwandlung dieses Systems besteht aus der Anordnung einer
Dehnungskammer unter den Kathoden, um die Dichten in der Nähe der durch die
Öffnungen auftretenden Emission einheitlich zu machen, wobei die Anordnung der
Öffnungen quasi-unabhängig von der der Elementarzellen sein kann.
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In einer erfindungsgemäßen Neutronenröhre kann die Extraktions-
Beschleunigungselektrode aus einer Elektrode mit n Öffnungen, deren Achsen jeweils
denen der n Elementarzellen entsprechen, oder aus j Öffnungen bestehen, deren Anzahl
kleiner ist als die Anzahl der n Elementarzellen und daher größere Durchmesser haben
als die der Emissionskanäle, und deren Anordnung jedes Bündeleinfangen verhindert.
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Die Dicke dieser Extraktions-Beschleunigungselektrode kann vergrößert
werden, um die mechanische Festigkeit zu verbessern und ein Abkühlen durch
gezwungenen Flüssigkeitsumlauf zu ermöglichen.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend anhand der
Zeichnung näher erläutert. Es zeigen
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Fig. 1 das Prinzipschaltbild einer abgedichteten Neutronenröhre nach dem
Stand der Technik,
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Fig. 2 die Effekte der Tiefenerosion des Targets sowie das radiale Profil
der Dichte des Ionenbeschußes,
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Fig. 3 das Schaltbild einer bekannten, mit der Erfindung kompatiblen
Neutronenröhre, mit einer Mehrzellen-Ionenquelle vom Penning-Typ und mit einer
Extraktions-Beschleunigungselektrode, die genau soviel Öffnungen wie Zellen enthält,
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Fig. 4 eine bekannte, mit der Erfindung kompatible Neutronenröhre, mit
einer Mehrzellen-Ionenquelle und mit einer Extraktions-Beschleunigungselektrode, deren
Anzahl von Öffnungen von der Anzahl von Zellen abweicht,
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Fig. 5 eine erste Abwandlung der erfindungsgemäßen Neutronenröhre, mit
einer Ionenquele, deren Anodenlöcher änderbare Stranlen sind,
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Fig. 6 eine zweite Abwandlung der erfindungsgemäßen Neutronenröhre,
mit einer Ionenquelle, deren Anodenlöcher eine Kegelstumpfform haben,
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Fig. 7 eine dritte Abwandlung der erfindungsgemäßen Neutronenröhre
nach der ersten Abwandlung oder nach den ersten und zweiten Abwandlungen, mit einer
Ionenquelle mit Dehnungskammer.
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Gleiche Bauteile in der Zeichnung werden mit denselben Bezugsziffern
bezeichnet.
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Das Schaltbild der Fig. 1 zeigt die wichtigsten Basiselemente einer
abgedichteten Neutronenröhre 11, in der eine Gasmischung unter geringem Druck zum
Ionisieren wie Deuterium-Tritium eingeschlossen ist und die eine Ionenquelle 1 und eine
Extraktions-Beschleunigungselektrode 2 enthält, zwischen denen ein sehr hoher
Potentialunterschied herrscht, der die Extraktion und die Beschleunigung des
Ionenbündels 3 und seine Projektion auf das Target 4 ermöglicht, an dem die dort auftretende
Fusionsreaktion eine Neutronenemission beispielsweise von 14 MeV auslöst.
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Die eine Einheit mit dem Isolator 5 für den Durchgang des (nicht
dargestellten) THT-Speiseleiters bildende Ionenquelle 1 ist beispielsweise eine Quelle
vom Penning-Typ, die aus einer zylindrischen Anode 6 und einem Kathoden-Hohlraum
7 besteht, in den ein Magnet 8 mit axialem Magnetfeld aufgenommen ist, das das
ionisierte Gas 9 um die Achse des Anodenzylinders herum anstößt, und dessen Kraftlinien
10 eine bestimmte Verschiedenheit aufweist. Ein Ionenemissionskanal 12 ist im
Kathodenhohlraum gegenüber der Anode angeordnet.
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Das Schema der Fig. 2 zeigt die Effekte der Erosion auf das Target, je
nachdem das Phänomen stärker hervortritt.
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In Fig. 2a ist das Dichteprofil J des Ionenbeschusses in einer beliebigen
radialen Richtung Or dargestellt, wobei vom Landungspunkt 0 der mittleren Achse des
Bündels auf der Targetfläche ausgegangen wird. Die Form dieses Profils wertet den
inhomogenen Charakter dieses Bündels aus, dessen sehr hohe Dichte im zentralen Teil
schnell absinkt, wenn man sich davon entfernt.
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In Fig. 2b erfolgt die Erosion abhängig von der Beschußdichte und die
ganze Schicht hydratierbaren Materials mit einer Dicke e auf einem Substrat S wird mit
einer Deuterium-Tritiummischung gesättigt. Die Durchbohrungstiefe der energetischen
Deuterium-Tritiumionen wird in Abhängigkeit von dieser Energie bei einer Tiefe l&sub1;
erreicht.
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In Fig. 2c ist die Schichterosion so groß, daß die Durchbohrungstiefe l&sub2;
größer ist als die Dicke e in dem am schwersten beschossenen Teil. Ein Teil der
ankommenden Ionen werden im Substrat implantiert, und sehr rasch sind die
Deuterium- und Tritiumionen in Übersättigung.
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In Fig. 2d haben sich die Deuterium- und Tritiumatome angesammelt und
bilden Blasen, die beim Platzen Krater bilden und sehr rasch die Erosion des Targets
auf der Tiefe l&sub3; verstärken.
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Dieses letztgenannte Verfanren geht etwas dem Lebensende der Röhre
voraus, indem entweder eine schnelle Vergrößerung der Durchschläge (vorhandene
Mikroteilchen lösen das Platzen von Blasen aus) oder eine Verunreinigung der
Oberfläche des Targets durch die die Energie der auftreffenden Ionen absorbierenden
pulverisierten Atome bewerkstelligen.
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In Fig. 3 ist eine Neutronenröhre mit einer Mehrzellen-Ionenquelle vom
Penning-Typ dargestellt, die aus einem Kathodenhohlraum 7 und einer Mehrlochanode 6
besteht, die auf einem um 4 bis 8 kV höheren Potential als die des Kathodenhohlraums
liegt, der selbst auf einer sehr hohen Spannung von beispielsweise 250 kv liegt.
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Der Magnet 8 erzeugt ein abgeschlossenes Magnetfeld des ionisierten
Gases in der Größenordnung von Tausend Gauß.
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Die Erfindung besteht aus der Benutzung der Eigenschaft der Mehrzellen-
Entladungsstrukturen in einem ersten gemeinsamen Schritt mit Einschränkung vom
Magnettyp, d.h. daß für einen selben Anodenabschnitt der Entladungsstrom sowie der
Strom des extrahierten Ionenbündels dieser Entladung jeweils höher sind im Fall einer
mehrzelligen Quellenstruktur gegen dieselben Ströme mit einer monozelligen Struktur.
Ebenso ist es vorteilhafter, eine Mehrzellenstruktur mit n Anodenlöchern zu verwenden
als eine Mehrzellenstruktur mit m Löchern, wenn n > m ist. Jeder Abschnitt der
Struktur mit n Löchern wird also weiter reduziert als jeder der Abschnitte der Struktur
mit m Löchern, aber das erwähnte Vorteil ist nur gewährleistet, wenn der
Anodenabschnitt für die Strukturen gleichwertig bleibt, wodurch der Druck der Gasmischung
verringert werden kann, und durch die Wahrscheinlichkeit der Ionen-Gas-Reaktionen.
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Auf diese Weise ist gemeinsam eine neue Struktur mit n Zellen gebildet,
die die Mehrlochanode 6 mit n Löchern 6&sub1;, 6&sub2;...6n und die Kathode 7 enthält, in der
gegenüber den Anodenlöchern die Emissonskanäle 7&sub1;, 7&sub2;...7n, aus denen n Ionenbündel
extrahiert werden. Diese Mehrbündel 3 werden mit Hilfe der
Extraktions-Beschleunigungselektrode 2 mit derselben Anzahl von Öffungen 2&sub1;, 2&sub2;...2n auf das Target 4
gerichtet, wie jene der Bündel und auf denselben Achsen.
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In einer anderen schematischen Neutronenröhreneinrichtung nach Fig. 4
ist die Anzahl der in der Extraktions-Beschleunigungselektrode angebrachten Öffnungen
geringer als die Anzanl der von der Quelle ausgehenden Bündel. Beispielsweise läßt
jede Öffnung 13 dieser Elektrode 2 zwei Bündel aus der Quelle durch, wie in der Figur
dargestellt.
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In einer mehrzelligen Ionenquellenstruktur zeigt die Divergenz der
Kraftlinien des Magnetfelds, daß sie in der Mitte sehr hoch ist und nach der Peripherie
bis auf einen sehr geringen Wert progressiv abklingt. Zum Ausgleichen dieser Änderung
werden die Anodenlöcher 6'&sub1;, 6'&sub2;...6'n erfindungsgemäß entsprechend der Fig. 5 mit
invertierten änderbaren Strahlen des Magnetfelds derart gebildet, daß das Produkt der
magnetischen Induktion aus dem Anodenstrahl im wesentlichen konstant bleibt. Diese
Anordnung neigt zum Vereinheitlichen der Dichte des Ionenstroms.
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Die in Fig. 6 dargestellte Einrichtung beinhaltet eine wesentliche
Verbesserung dadurch, daß die Anodenlöcher 6"&sub1;, 6"&sub2;...6"n Kegelstumpfformen haben, die
nahezu die Form der Kraftlinien des Magnetfelds haben.
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In Fig. 7 befindet sich eine Dehnungskammer 14 unter den Kathoden, um
die Ionendichten gleichmäßig zu machen. Die Emission erfolgt durch die Öffnungen 15,
deren Anzahl von der der Löcher der Mehrlochanode unabhängig sein kann.
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Auf diese Weise kann die Erhöhung des Verhältnisses, die aus der
Struktur der Mehrzellenquelle nach der Erfindung hervorkommt, auf mehrere Weisen
ausgenutzt werden:
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- auf gleichem Ionenweg sind die Bildungen von Ionen/Elektronenpaaren auf der
Ionenbündelstrecke weniger zahlreich, und die in die Ionenquelle von den erneut
beschleunigten Elektronen eingeführte Energie ist geringer; die Erwärmung der
Ionenquelle ist schwächer und daher wird die Entgasung der
zusammenstellenden Werkstoffe reduziert. Die schweren Ionen aus dieser Entgasung sind
weniger zahlreich und ihr Beitrag zur Erosion des Targets ist geringer.
Außerdem vergrößert sich die mittlere Energie der Deuterium-Tritiumionen, wodurch
der Röhrenstrom reduzierbar ist.
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- bei gleichem Bündelstrom ist es möglich, die Zwischenelektrodenabständen zu
vergrößern und so das elektrische Feld zu verringern, um die Phänomene der
kalten Emission zu reduzieren.
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- Beim gleichen (auf Zeiteinheit) integrierten Bündelstrom kann der maximale
Strom pulsierenden im Verhältnis Pmax/P vergrößert werden, worin Pmax der
maximale Betriebsdruck ist, der keine änderung des Röhrenbetriebs bewirkt
(Entladungsdurchgang im Bogenbetrieb).
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- Außerdem ist die Stromvertelung am Target viel homogener einerseits durch die
Homogenität der Entladung auf dem Niveau der Emissionskanäle und
andererseits
durch die Vervielfachung der Anzahl der Elementarbündel. Daraus
entsteht eine Verringerung der maximalen Ionendichte und beim gleichen
Ionenstrom eine Verlängerung der Lebensdauer.