DE689531C

DE689531C - Discharge tubes with very low gas pressure to generate a stream of positive ions

Info

Publication number: DE689531C
Application number: DE1935S0119034
Authority: DE
Original assignee: Siemens and Halske AG; Siemens AG
Current assignee: Siemens and Halske AG; Siemens AG
Priority date: 1935-07-16
Filing date: 1935-07-16
Publication date: 1940-03-27

Description

Entladungsröhre mit sehr geringem Gasdruck zur Erzeugung eines Stromes positiver Ionen Positive Ionen, insbesondere Protonen, haben in letzter Zeit vielfach Anwendung gefunden zur, künstlichen Umwandlung von Atomen sowie zur Erzeugung von energiereichen Strahlen, wie beispielsweise Neutronen- und Gammastrahlen. Die Erzeugung der positiven Ionen geschieht vielfach durch Erhitzung oder Elektronenbeschießung gewisser Stoffe, die imstande sind, positive Ionen abzugeben. Diese Art der Erzeugung positiver Ionen hat jedoch den Nachteil, daß die Konstanz. der Ionenerzeugung zu wünschen übrigläßt und daß nach kurzer Zeit Ermüdungserscheinungen bis zum völligen Versiegen der- Ionenquelle auftreten. Eine andere Methode zur Erzeugung positiver Ionen besteht darin, daß in einem Hilfsentladungsraum durch selbständige oder unselbständige Gasentladungen Ionen gebildet werden, von denen ein Teil aus dem @Hilfsentladungsraum herausgezogen und im Hauptentladungsraum zu Zwecken der Atomumwandlung oder Strahlenerzeugung verwendet wird. Ein Nachteil dieser Methode besteht darin, daß im Hilfsentladungsrauxn zwecks Erzeugung einer ausreichenden Ionenmenge ein verhältnismäßig hoher Gasdruck angewendet werden muß. Bei dem hohen Gasdruck diffundieren unerwünscht große Mengen neutraler Atome oder Moleküle auf dem gleichen Wege, auf dem die positiven Ionen in den Hauptentladungsraum eintreten, in diesen hinein und erzeugen in diesem Raum einen so hohen Druck, daß die Anwendung hoher Spannungen, wie sie für die genannten Zwecke erforderlich sind, unmöglich wird. Verbindet man den Hilfsentladungsraum mit dem Hauptentladungsraum durch einen langen, engen Kanal, so kann man zwar den Druck im Hauptentladungsraum genügend niedrig halten, man bekommt jedoch durch den langen, engen Kanal nur eine geringe Zahl von Ionen hindurch. Ein weiterer Nachteil dieser Methode besteht darin, daß ein so großer Teil der im Hilfsentladungsraum erzeugten Ionen an der Kathode dieses Entladungsraumes entladen wird, daß die Nutzwirkung dieser Art von Ionenerzeugung in allen Fällen äußerst gering ist.Discharge tube with very low gas pressure for generating a current Positive Ions Positive ions, especially protons, have been in abundance lately Application found for the artificial conversion of atoms as well as for the production of high-energy rays such as neutron and gamma rays. The production of the positive ions is often done by heating or electron bombardment certain substances that are able to give off positive ions. That kind of generation positive ions has the disadvantage that the constancy. of ion generation leaves something to be desired and that after a short time symptoms of fatigue to the point of complete Drying up of the ion source can occur. Another method of generating positive Ions consists in the fact that in an auxiliary discharge space by independent or dependent Gas discharges ions are formed, some of which come from the auxiliary discharge space pulled out and in the main discharge space for the purpose of atomic transformation or radiation generation is used. A disadvantage of this method is that in the auxiliary discharge room a relatively high gas pressure in order to generate a sufficient quantity of ions must be applied. At the high gas pressure, undesirably large amounts diffuse neutral atoms or molecules in the same way in which the positive ions enter into the main discharge space, into it and generate in this space such a high pressure that the application of high voltages such as those mentioned for that Purposes are necessary becomes impossible. One connects the auxiliary discharge space with the main discharge space through a long, narrow channel, one can indeed use the Keep the pressure in the main discharge space low enough, but you get through the long, narrow channel only a small number of ions through it. Another disadvantage this method consists in that so much of the in the auxiliary discharge space ions generated at the cathode of this discharge space is discharged that the useful effect this type of ion generation is extremely low in all cases.

Es ist bekannt, die Nutzwirkung der Ionenerzeugung dadurch zu verbessern, daß man auf die bewegten Ladungsträger magnetische Felder einwirken läßt. Dadurch verlängert sich die von den positiven Ionen bzw. den diese erzeugenden Elektronen zurückgelegte Bahn, so daß ein Elektron' trotz niedrigen Gasdrucks eine größere Anzahl von Gasmolekülen ionisieren kann. Die Verlängerung der Bahn der positiven Ionen hat die Wirkung, daß sich die Ionen längere Zeit im Hilfsentladungsraum aufhalten, wodurch die Verluste an der Kathode geringer und die Nutzwirkung der Ioneneraeugung Nebenfalls größer wird. Wie die Ionenerzeugung unter dem Einfluß eines magnetischen Feldes vor sich geht, zeigt Abb. i. In dieser Abbildung bedeutet i eine Glühkathode, die vorzugsweise als Oxydkathode ausgebildet ist; 2 ist die Anode; 3 eine Magnetspule, die ein Magnetfeld erzeugt, dessen Kraftlinien senkrecht zur Zeichenebene verlaufen. Unter dem Einfluß des konstanten elektrischen und magnetischen Feldes beschreiben die Elektronen Bahnen, wie sie beispielsweise durch die Linie 4 dargestellt sind. Man erkennt ohne weiteres, daß die Länge der Elektronenbahn unter dem Einfluß des magnetischen Feldes zusammen mit dem des elektrischen Beschleunigungsfeldes länger ist als die Elektronenbahn welche sich unter dem Einfluß des elektrischen Feldes allein ergeben würde. Die Wahrscheinlichkeit eines Zusammenstoßes des Elektrons mit einem Gasmolekül oder Atom wird selbst bei geringem Druck auf diese Weise beträchtlich vergrößert. Die erzeugten positiven Ionen werden durch die Kraftwirkung eines Hilfsfeldes oder des in den Hilfsentladungsraum eingreifenden elektrischen Feldes des Hauptentladungsraumes in diesen hineingezogen und zur Atomumwandlung oder zur Erzeugung energiereicher Strahlen nutzbar gemacht.It is known to improve the efficiency of ion generation by that magnetic fields are allowed to act on the moving charge carriers. Through this the length of the positive ions or the electrons that generate them traveled path, so that an electron has a larger one despite the low gas pressure Number of gas molecules can ionize. Extending the trajectory of the positive Ions have the effect that the ions stay in the auxiliary discharge space for a longer period of time, which reduces the losses at the cathode and the beneficial effect of the ion energy extraction Besides it gets bigger. Like the generation of ions under the influence of a magnetic field is going on, Fig. i shows. In this figure means i a hot cathode, which is preferably designed as an oxide cathode; 2 is the Anode; 3 a magnetic coil that generates a magnetic field whose lines of force are perpendicular run to the plane of the drawing. Under the influence of the constant electric and magnetic The electrons orbits describe the field, as they are, for example, through the line 4 are shown. One can easily see that the length of the electron path under the influence of the magnetic field together with that of the electric acceleration field is longer than the electron orbit which is under the influence of the electric Field alone. The probability of the electron colliding with a gas molecule or atom becomes considerable even at low pressure in this way enlarged. The generated positive ions are generated by the force of an auxiliary field or the electrical field of the main discharge space engaging in the auxiliary discharge space drawn into this and used for atomic conversion or generation of more energetic Rays harnessed.

Bei der vorliegenden Art der Erzeugung positiver Ionen läßt sich nun die Ausbeute an positiven Ionen dadurch noch beträchtlich erhöhen, daß in der Entladungsröhre mit sehr geringem Gasdruck, bei der die in einem Hilfsentladungsraum unter Einfluß elektrischer oder magnetischer Felder oder beider Arten von Feldern gebildeten positiven Ionen ausgesondert werden, erfindungsgemäß die die lonenbildung beeinflussenden elektrischen oder magnetischen Felder oder beide Hochfrequenzfelder sind.With the present type of generation of positive ions, it is now possible to Increase the yield of positive ions considerably by keeping them in the discharge tube with very low gas pressure, at which the in an auxiliary discharge space under influence electrical or magnetic fields or both types of positive fields Ions are separated out, according to the invention those influencing the ion formation electric or magnetic fields or both are high frequency fields.

Der Erfindungsgegenstand ist an Hand der weiteren Abbildungen erläutert. Bei der in Abb. 2 dargestellten Anordnung ist zwischen den Elektroden i und :2 ein elektrisches Hochfrequenzfeld von solcher Frequenz angelegt, daß unter dem Einfluß dieses Feldes die Ionen im Hilfsentladungsraum hin und her pendeln bis sie vom Felde des Hauptentladungsraumes erfaßt werden. Auf diese Weise sind die Verluste an den Elektroden gering, und der Wirkungsgrad der Ionenerzeugung wird beträchtlich erhöht. Bei Verwendung eines solchen Hochfrequenzfeldes werden zweckmäßig beide Elektroden i und 2 nach Art einer Glühkathode, vorzugsweise einer Oxydkathode, ausgebildet.The subject matter of the invention is explained on the basis of the other figures. In the arrangement shown in Fig. 2, there is a between electrodes i and: 2 applied high frequency electric field of such frequency that under the influence of this field the ions in the auxiliary discharge space oscillate back and forth until they leave the field of the main discharge space can be detected. In this way, the losses are to the Electrodes are small and the ion generation efficiency is increased considerably. When using such a high-frequency field, both electrodes are expedient i and 2 in the manner of a hot cathode, preferably an oxide cathode.

Läßt man auf den Hilfsentladungsraum ein elektromagnetisches Wechselfeld hoher Frequenz einwirken, dann bewegen sich die Elektronen nach den Gesetzen der elektrodenlosen Ringentladung. Auch hierbei kommt es zu sehr häufigen Zusammenstößen der Elektronen mit Molekülen oder Atomen des Füllgases und wird eine hohe Ausbeute an positiven Ionen erzielt. Die Anordnung eines elektrischen Hochfrequenzfeldes erübrigt sich in diesem Falle.If one leaves an electromagnetic alternating field on the auxiliary discharge space act at a high frequency, then the electrons move according to the laws of electrodeless ring discharge. Here, too, there are very frequent collisions the electrons with molecules or atoms of the filler gas and will have a high yield achieved in positive ions. The arrangement of a high-frequency electric field is not necessary in this case.

Gemäß Abb. 3 enthält der Hilfsentladungsraum drei Elektroden io, durch welche ein hochfrequentes elektrisches Drehfeld erzeugt wird. Ein im Hilfsentladungsraum entstehendes positives Ion beschreibt eine Spiralbahn i i, die länger ist als die Bahn; die es in einem konstanten elektrischen Feld zurücklegen würde. Hierdurch ergeben sich grundsätzlich die gleichen Vorteile wie in der in der Abb. a dargestellten Anordnung.According to Fig. 3, the auxiliary discharge space contains three electrodes io, through which generates a high-frequency rotating electrical field. One in the auxiliary discharge space The resulting positive ion describes a spiral path i i, which is longer than the Train; which it would travel in a constant electric field. Through this basically the same advantages result as in the one shown in Fig. a Arrangement.

Besonders günstig sind Kombinationen aus den in den Abb. i bis 3 dargestellten Anordnungen, also beispielsweise gleichzeitige Anwendung eines Magnetfeldes und eines elektrischen Hochfrequenzfeldes oder die Anwendung eines Magnetfeldes und eines elektrischen Hochfrequenzdrehfeldes. Das Magnetfeld wird in diesem Falle zweckmäßig so stark gewählt, daß bei gegebenem Druck die größte Zahl von positiven Ionen in den Haüptentladungsraum eintritt oder zur Erzeugung einer bestimmten Ionenmenge die geringste Leistung im Hilfsentladungsraum umgesetzt wird. Selbstverständlich läßt sich die vorliegende Art der Erzeugung positiver Ionen auf beliebige andere Elektrodenanordnungen übertragen.Combinations of those shown in FIGS. 1 to 3 are particularly favorable Arrangements, so for example simultaneous application of a magnetic field and a high-frequency electric field or the application of a magnetic field and an electrical high-frequency rotating field. The magnetic field becomes appropriate in this case chosen so strong that at a given pressure the largest number of positive ions in enters the main discharge space or to generate a certain amount of ions the lowest power is implemented in the auxiliary discharge space. Of course the present way of generating positive ions can be applied to any other Transferring electrode assemblies.

In Abb. q. ist eine Einrichtung zur Umwandlung von Atomen oder zur Erzeugung energiereicher Strahlen dargestellt. i und 2 stellen die Elektroden des Hilfsentladungsraumes dar, 3 die das axiale Magnetfeld er- , zeugende Spule. Die im Raum zwischen den Elektroden i und 2 erzeugten Ionen treten durch ein langes Rohr 6, das einen Druckunterschied zwischen dem Haupt- und dem Hilfsentladungsraum aufrechtzuerhalten ermöglicht, in den Hauptentladungsraum 7 ein und werden in der Richtung auf die Elektrode 8 beschleunigt, auf der der umzuwandelnde Stoff oder der energiereiche Strahlen aussendende Stoff angebracht ist. Das Rohr 6, das gegebenenfalls selbst als Elektrode des Hauptentladungsraumes ausgebildet sein kann; kann verhältnismäßig weit sein, da im Hilfsentladungsrauen infolge der vorstehend beschriebenen Maßnahmen nur ein geringer Druck herrscht. Es ist in vielen Fällen vorteilhaft, im Verbindungsrohr 6 metallene Zwischenelektroden g anzubringen, durch die der Durchgriff der Elektrode 8 in den Hilfsentladungsraum geregelt und eine fokussierende Wirkung auf den Ionenstrahl ausgeübt wird.In Fig.q. is a device for the conversion of atoms or for Generation of high-energy rays shown. i and 2 represent the electrodes of the Auxiliary discharge space, 3 the axial magnetic field generating coil. the Ions generated in the space between electrodes i and 2 pass through a long Tube 6, which has a pressure difference between the main and the auxiliary discharge space allows to maintain in the main discharge space 7 and be in the Direction to the electrode 8 accelerates on which the substance to be converted or the substance emitting high energy rays is attached. The pipe 6, if necessary can itself be designed as an electrode of the main discharge space; can be proportionate be far, as in the auxiliary discharge roughness as a result of the measures described above there is only a slight pressure. In many cases it is advantageous in the connecting pipe 6 metal intermediate electrodes g to be attached through which the penetration of the electrode 8 regulated in the auxiliary discharge space and a focusing effect on the ion beam is exercised.

Claims

PATENT CLAIMS: e.g. Discharge tube with very low gas pressure for Generation of a stream of positive ions, especially for atomic conversion or for Generation of high-energy rays in which the in an auxiliary discharge space below Influence of electric or magnetic fields or both types of fields formed positive ions are separated out, characterized in that the ion formation influencing electric or magnetic fields or both high frequency fields are.

2. Discharge tube according to claim r, characterized in that an electrical and a magnetic field are provided whose lines of force are perpendicular to each other stand.

3. Discharge tube according to claim ä, characterized in that a high frequency electrical rotating field is used. q ..

Discharge tube according to one of the preceding Claims, characterized in that the space used for generating ions and the main discharge space are connected by a long tube, which may be is designed as an electrode of the main discharge space.

5. Discharge tube after Claim q., Characterized in that the connecting tube has one or more intermediate electrodes having.