DE1014671B - Einrichtung zur Erzeugung mehrfach geladener Ionen in einer Bogenentladungsquelle - Google Patents

Description

DEUTSCHES

Bei Ionenbesöhleunigungsanlagen, wie sie beispielsweise für die Erzeugung kernphysikalischer Prozesse gebraucht werden, ist es vorteilhaft, statt einfach geladener Ionen mehrfach geladene zu verwenden. Die Beschleunigungsspannung braucht dann nur noch einen Bruchteil der für normale Ionen erforderlichen zu betragen, da die Energie eineis Ions dem Produkt aus Ladungszahl, Ladungseinheit und Beschleunigungsspannung entspricht. Auf dieser Grundlage eröffnen sich Möglichkeiten, den Aufwand für Ionenbeschleuniger ganz erheblich zu senken. Es hat daher nicht an Versuchen gefehlt, Quellen zu bauen, die die Erzeugung mehrfach geladener Ionen gestatten. Eine bekannte Quelle dieser Art weist beispielsweise einen rohrförmigen Emtladungsrauim auf, dessen Wendung als Anode dient und der auf der einen Seite von einer Kathode, auf der anderen von einer Antikathode abgeschlossen ist, so daß sich Elektronenpendelungen einstellen. Die Elektronen werden auf ihren Bahnen durch ein zur Rohrachse paralleles Magnetfeld gehalten. Diese Quelle ist jedoch wegen des Austrittes der Ionen senkrecht zur Magnetfeldriohtung nur für Kreisbahnbeschleuniger (Zyklotrons und ähnliche Einrichtungen) geeignet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Quelle zur Erzeugung mehrfach geladener Ionen zu schaffen, die auch zur Verwendung bei Linearbeschleunigern geeignet ist. Es ist einleuchtend, daß hierbei ein völlig anderer Weg wie bei der bekannten Einrichtung einige schlagen werden muß.

Für die Bildung mehrfach geladener Ionen sind vor allem drei Einflußgrößen wichtig, und zwar die Entladungsspannunig, die Stromdichte der Entladung und die Zeit, in der sich die Ionen in der Entladungszone befinden (Verweilzeit). Die Entladuogsspannung und die von dieser abhängige Energie der Plaismaelektronen wird von der gewünschten Ladungszahil der Ionen bestimmt und muß um so· höher sein, je größer diese Ladungszahl isit, während die Entladungsstrom-Einrichtung zur Erzeugung

mehrfach geladener Ionen

in einer Bogenentladungsquelle

Anmelder:

Siemens-Schuckertwerke

Aktiengesellschaft,

Berlin und Erlangen,

Erlangen, Werner-von-Siemens-Str. 50

Dr. phil. Heinz Fröhlich, Erlangen,
ist als Erfinder genannt worden

erforderliche Höhe zu bringen, wird in an sich bekannter Weise durch Unterheizung der Kathode ein Zwischenstadium zwischen der Kaltentladung und der Plasmaentladung hergestellt (Übergang zur Sättigungsemisision der Kathode). Es ist auf diese Weise leicht möglich, die erforderliche Entladungsspannung je nachdem, ob es sich um zwei-, drei-, vier- oder mehrfach geladene Ionen handeln soll, geeignet zu bemessen.

Für die Durchführung der notwendigen Stufenprozesse ist ferner eine hohe Bogenstromdichte erforderlich. Diese kann unter anderem in an sich bekannter Weise durch ein magnetisches Hilfsfeld erreicht

werden, welches die Plasmaentladung vor der Emisdichte und die Verweilzeit der Ionen im Plasma am 40 sionsöffnaing in der Anode auf einen kleinen Quer-Ort der Emissionsöffnung die Konzentration der schnitt konzentriert.

mehrfach geladenen Ionen bestimmt, die zur Ab- Das grundlegende Problem ist jedoch die Erzielung

saugung gelangen können. einer genügend langen Verweilzeit der Ionen im Raum

Die Grundlage für die Ionenquelle nach der Erfin- vor der Emissionsöffnung. Da eine Absaugung quer dung bildet die bekannte Niederdruck-Plasima-Ionen- 45 zur Plasniaachse bei Linearbeschleunigern wegen des quelle, in der zwischen einer Glühkathode und einer für eine genügende Elektronenkonzentration notwen-Anode eine Bogenentladung stattfindet und deren digen homogenen (Elektronenpendelung) oder in-Emissionsöffnung sich in der Anode befindet. Bei der homogenen (Plasmakontraktion) Magnetfeldes nicht Ausbildung eines normalen Plasmas ist hierbei die möglich ist, muß man die Emissionsöffnung entweder Entladungsspannung im wesentlichen durch die geo- 50 in die Kathode oder in die Anode verlegen. Wegen

metrischen Abmessungen der Quelle, den Gasdruck und die Gasart gegeben. Um nun zunächst die Entladungsspannung einstellen zu können und vor allem um sie auf die zur Bildung mehrfach geladener Ionen des Kaithodenfailles, der in jedem Plasma vorhanden ist, ist die Verweilzeit der an der Kathode zur Emission gelangenden Ionen im Kathodenplasma auf jeden Fall viel zu kurz. Es ergeben sich aber auch Schwie-

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rigkeiiten, wenn mam die Emissionsöffnmig· in die Bündelung· der von der Kathode emittierten Eiek-Anode verlegt. In einem normalen Niederdruckpiasma tronen. Gleichzeitig zieht sie aus dem Entladungsbefindet sich bekanntlich vor der Anode immer ein raum zwischen Kathode und Anode eine große Zahl ,

kleines Gebiet mit negativem oder positivem Anoden- der von den Elektronen erzeugten. Ionen an, wfefeei

fall. Im ersteren Fall werden die Ionen, die in diesem 5 durch Wandrekombination wieder Neutralatome ge-Gebiet erzeugt werden, auf die Anode zu beschleunigt bildet werden. Es entsteht daher in diesem Raum ein ' und emittiert, im anderen Fall werden sie auf die Ionenmangel oder, mit anderen Warten, eine negative Kathode zu beschleunigt und können nicht abgesaugt Raumladung, die eine vermehrte Zufuhr bzw. Erzeuwerden. Auf jeden Fall ist wegen der geringen Aus- gung von positiven Ionen aus dem Anod-enraum verdehnung des Anodenfallgebietes (Größenordnung i₀ langt. Die Störung des Konzentrati Ungleichgewichtes 1 mm) auch bei Stromdidhten der Größenordnung zwischen negativen, und positiven Ladungsträgern von 10⁴ A/cm² die Verweilzeit der Ionen im Verhält- durch die negativ vorgespannte Hilfselektrode führt,: nis zur notwendigen Zeit für die· Stufenprozesse viel außerdem zu einer Verringerung der Leitfähigkeit des zu gering. Stellt man nun die Forderung, daß die Plasmas an dieser Stelle, oder — was dasselbe ist — Elektronen im Anoderigebiet eine Energie haben 15 zu einer Vergrößerung des Spannungsabfalles an. der sollen, die zur Bildung mehrfach geladener Ionen aus- gestörten Strecke. Dadurch hebt sich das Plasmareichit, so heißt das, daß der Kathodenfall bis mög- potential vor der Anode in positiver Richtung an, wo- ,, liehst an. die Anode heranreichen muß, wobei aller- bei die Bogenspannung als Ganzes konstant bleibt, dings die Gefahr besteht, daß sich der Kathodenfall und der Potentialgradient vor der Anode, der infolge ; an dieser Stelle wie ein positiver Anodenfall auswirkt 20 des bis an die Anode heranreichenden KathodenfäHes^! ' und die Ionen in Richtung Kathode von der Anode einem positiven Anodenfall entsprach, wird verringert. ■ abzieht. Nach der Erfindung ist es jedoch möglich, die Das kann bei genügender negativer Vorspannung der Größe des Potentialgradienten vor der Anode zu steu- Hilfselektrode so weit gehen, daß sich der Poteatialern und gleich Null zu machen. Das Prinzip besteht gradient vor der Anode umkehrt und, zum negativen ■■■ darin, solche Verhältnisse zu schaffen, daß sich ein 25 Anodenfall wird, wobei das Plasmapotential, gemessen negativer Anodenfall und der Kathodenfall im gegenüber dem Anodenpotential, vor der Anode poei-Anodengebiet gerade kompensieren. Mit anderen tiv wird. Die Potentialdifferenz zwischen Kathode Worten, -der negative Anodenfall, der sich durch, ge- und dem positiven Potential vor der Anode ist dabei eignete Geometrie der Anode und des Anodenplasmas größer als die Bogenspannung. Daß durch diesen Vorstets in bekannter Weise herstellen läßt, wird sich 30 gang auch der Forderung nach einer vermehrten beim Fortschreiten des Kathodenfallbereiches bis zur Ionenerzeugung und Ionenzufuhr nach der oben- ' Anode in einen positiven Anodenfall umpolen. Da erwähnten Störungsstelle Rechnung getragen wird, ^; dieser Vorgang stetig vor sich geht, gibt es einen Zu- bedarf weiter keiner näheren Erläuterung. »

stand, in dem er gerade gleich Null ist. Dazwischen gibt es nun einen Zustand, in dem der

Die Aufspaltung des Potentialgradienten vor der 35 Potentialgradient vor der Anode Null und damit das Anode in zwei Komponenten, Kathodenfall und nega- Plasmapotential gleich, dem Anodenpotential ist. Die tiven Anodenfall, ist insofern gerechtfertigt, als sich Ionen unterliegen in diesem Fall vor der Anode > der Potentialgradient durch die gleichen Maßnahmen (Emissionsöffnung) keinen elektrischen Feldfträffen und in gleicher Richtung und Größe verändern läßt, und werden lediglich durch Diffusion emittiert. Sie die man zur getrennten Steuerung des Anodenfalles 40 haben also eine relativ lange Verweilzeit und werden einerseits und des Kathodenfalles andererseits in demzufolge durch die energiereichen Plasmaelekitronen einem normalen Plasma anwenden kann. mehrfach ionisiert.

Die Steuerung des Kathodenfalles geschieht in be- Wesentlich mitbestimmend für die richtige Aus-

kannter Weise durch geeignete Unterheizung der bildung der geschilderten Erscheinung ist, wie schon "■ Kathode und passende Einstellung des Neutralgas- 45 erwähnt, der Gasdruck in der Quelle, der daher bei druckes. Bei konstanter Heizung ist der Kathodenfall der Einstellung der Potentiarwerte mitberücksichitigt um so länger, je kleiner der Druck ist. Da die Re- bzw. entsprechend gewählt werden muß. konibinationsverluste der mehrfach geladenen Ionen Die Erfindung bezieht sich demgemäß auf eine ^;

(Umladung) mit sinkendem Druck abnehmen, ist der Einrichtung zur Erzeugung mehrfach geladener ; kleinste Gasdruck, der gerade noch zur Aufrecht- 50 Ionen in einer Bogenentladungsquelle und ist gekenn- ■■'■ erhaltung eines plaismaähnlichen Kathodenfalles der zeichnet durch eine derartige Einstellung der Entgewünschten Länge und Stärke ausreicht, am besten ladungsspannung ·— auf dem Weg der Kathodengeeignet. Für die Feinregelung des Potentialgradien- unterheizung ■— und eines gegenüber der Kathode ten vor der Anode könnte man annehmen, daß sie negativen Potentials der den Kathodenraum umdurch eine positiv vorgespannte Hilfselektrode im Be- 55 gebenden Hilfselektrode unter Berücksichtigung des reich des Kathodenraumes erreicht werden, kann, Gasdruckes in der Quelle, daß in einem weiten Bereich welche die Aufgabe hätte, die in Richtung auf die vor der Anodenemissionsöffnung kein, oder nahezu Kathode fliegenden Ionen zu bremsen. Es hat sich kein Potentialgradient auftritt. Die gebildeten, mehrjedoeh herausgestellt, daß eine solche Vorspannung fach geladenen Ionen treten durch Diffusion aus der der Hilfselektrode keinerlei Erfolg mit sich bringt. 60 Quelle aus und gelangen in den Bereich einer deMmter Eingehende Untersuchungen dieser überraschenden angeordneten, an sich beliebig ausgebildeten BescMeiu-Erscheinung haben zu dem auf den ersten. Blick nigungsanordnung.

paradoxen Ergebnis geführt, daß der erwähnten Die Einstellung der richtigen Betriebswerte nach

Hilfselektrode ein ganz bestimmtes, gegenüber der der Erfindung ist verhältnismäßig kritisch, und es ist Kathode negatives Potential gegeben werden muß, um 65 daher von Vorteil, die Hilfselektrodenspannung und eine genügende Verweilzeit der Ionen im Bereich vor den Gasdruck in an sich bekannter Weise zu stabilider Anodenemissionsöffnung zu erzielen. sieren. Ebenso ist es sehr wichtig, die Entladungs-

Eine den Kathodenraum umgebende, gegenüber der spannung auf ihrem vorgeschriebenen Wert zu halten. Kathode negativ vorgespannte Hilfselektrode wirkt Es genügt nicht, zu diesem Zweck den Heizstrom zunächst wie ein Wehneltzylinder im Sinne einer 70 konstant zu halten, da mit der Zeit durch Verwinde"

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Claims (8)

1. 5 6

   rung des Querschnittes der Glühkathode Änderungen einrichtung für die Heizung wird eine Genauigkeit in der Emission auftreten. Daher wird in weiterer von mindestens etwa ± 1 °/o verlangt.
   Ausbildung der Erfindung· vorgeschlagen, eine Rege- . Bei beiden Ausführungsbeispielen können Hilfslung der Entladungsspannung durch Steuerung des elektrode und Anode aus Eisen ausgeführt sein und Heizstromes in Abhängigkeit von der Entladungs- 5 gleichzeitig die Pole eines Magneten bilden, welcher spannung vorzunehmen. ein die Entladung bündelndes Magnetfeld erzeugt. Da bei der Ionenquelle nach der Erfindung die Dies ist näher in Fig. 3 dargestellt. Darin ist wieder Kathode dauernd, im Bereich der Unterheizung arbei- die Kathode mit 1, die Anode mit 3 und die Hilfselektet, ist eine Oxydkathode unvorteilhaft. Am besten trode mit 2 bezeichnet. Die Anode ist durch einen eignet .sich Tantalkarbid, welches gleichzeitig den io Ring 22 vom Gehäuse 14 der Ionenquelle elektrisch Vorteil bietet, daß mit ihm die Erzeugung mehrfach isoliert und kann beispielsweise auf Erdpotential Kegeladener KohlenstofHonen. unmittelbar aus Kohlen- gen. Mit Hilfe von isoliert eingesetzten Schrauben 13 wasserstoffverbindungen möglich ist. Bei geringeren ist die Anodenplatte mit dem Gehäuse 14 unter Zwi-Anforderungen hinsichtlich der Lebensdauer der schenfügung eines nicht näher bezeichneten Dichtungs-Kathode ist auch Wolfram verwendbar. Die Kathode 15 ringes verbunden. Ferner ist an das Gehäuse die kann in Haarnadelfo«n oder in Röhrenfo*m mit Hilfselektrode angeschraubt und mit' ihr ein Kathodendirekter oder indirekter Heizung ausgebildet sein. träger 17 verbunden, in den Isolierrohre 19 mit Dich-Nähere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus tungsscheiben 20 zur Aufnahme der Stromzuführunder nachfolgenden Beschreibung von Ausführungs- gen 21 zur Kathode 1 eingesetzt sind. Durch Bohrunbeispielen, die in der Zeichnung schematisch dar- 20 gen im Hilfselektrodenteil 2 sind Rohre 18 für den gestellt sind. Es zeigt Gaseinlaß sowie für Vakuummeter- und Pumpen-

   Fig. 1 ein stark vereinfachtes Schaltbild für die anschlüsse eingeführt.

   Ionenquelle nach der Erfindung, Zwischen Anodenplatte und Hilfselektrodenteil ist

   Fig. 2 die Anwendung der Spanniungsstabiliisieriung ein Dauermagnet eingeklemmt, welcher zwischen der

   in Darstellung als Blockschaltbild, 25 Hilfselektrode und der Anode das erwähnte fokussie-

   Fig. 3 den Aufbau der Ionenquelle in näheren rende Hilfsfeld erzeugt. Statt dessen kann auch eine

   Einzelheiten. magnetische Erregung mit Hilfe einer Spule vorge-

   In Fig. 1 ist mit 1 eine Haarnadelkathode bezeich- sehen sein.

   net, welche von einer Hilfselektrode 2 umgeben ist. Bei der praktischen Ausführung der Erfindung Die Anode der Quelle ist mit 3, die Emissionsöffnung 30 kann noch ein weiterer Vorteil erreicht werden. Auch mit 4 bezeichnet. Der Hochspannungsgenerator 6 ist bei relativ hohem Vakuum im Beschleunigungsraum mit einem Pol mit der Anode verbunden und geerdet, hinter der Emissionsöffnung werden durch Zusammenwährend der andere Pol über einen Widerstand 7 an stoßen der beschleunigten Ionen mit Restgasteilchen die Kathode angeschlossen ist. Die Heizstromquelle Elektronen erzeugt, die teilweise auf die Emissionsist vereinfacht als Batterie 8 dargestellt, während die 35 öffnung zurückfliegen. Da die Elektronen hierbei die Einstellung des Heizstromes durch einen Widerstand 9 volle Beschleunigungsgeschwindigkeit erhalten, ist geschieht. Die Quellen werden meistens im Impuls- ihre gesamte Energie sehr groß. Es ist nun bereits betrieb verwendet; in diesem Fall kann der Generator 6 früher erwähnt worden, daß durch magnetische Mittel ein Rechtedigenerator sein. Die für die mehrfache eine Konzentrierung des im Entladungsraum beschleu-Ionisation erforderliche Ionisationsspannung wird zu- 40 nigten Elektronenbündels erreicht werden kann. Durch nächst dadurch eingestellt, daß eine geeignete Unter- geeignete Formgebung der Polschuhe und Bemessung heizung der Kathode 1 vorgenommen wird. Die Hilfs- der Feldstärke ist es nun möglich, nicht nur diesen elektrode 2 ist an den Abgriff eines Hochspannungs- Effekt zu erzielen, sondern auch die aus dem Bepotentiotneters 5 gelegt, so daß hierauf das gewünschte schleunigungsraum auf die Anode zurückfliegenden Hilfselektrodenpotential eingestellt werden kann. Es 45 Elektronen zu bündeln. Es gelingt auf diese Weise, sie liegt, wie bereits erwähnt, um einen bestimmten, und gewissermaßen durch die Emissionsöffnung in die zwar etwa in der Größenordnung der Entladungsspan- Quelle zurückzufädeln und dort zur Unterstützung der nung liegenden Betrag unter dem Kathodenpotential. Ionisierung zu verwenden.

   Um die gewünschte mehrfache Ionisierung zu ge- Die Quelle nach der Erfindung kann rotationssymwährleisten, müssen im Dauerbetrieb beispielsweise 50 metrisch ausgeführt sein und demnach eine punktförder Abgriff am Potentiometer 5 oder aber der Heiz- mige Emissionsöffnung aufweisen. Die Hilfselektrode strom mittels des Widerstandes 9 so nachgestellt wer- besitzt dann eine zylinderförmige, gegebenenfalls auch den, daß immer die richtigen Betriebswerte gegeben konische öffnung. Es ist jedoch auch möglich, die sind. Statt dessen kann, wie in Fig. 2 dargestellt, eine Bauteile der Quelle in einer Koordinatenrichtung beRegelung vorgenommen werden. In diesem Fall kann 55 liebig zu verlängern, so daß eine spaltförmige Hilfses unter Umständen vom Standpunkt der Wirtschaft- elektrodenöffnung und eine entsprechende Emissionslichkeit aus günstig sein, die Hochspannungsquellen öffnung entsteht. Es handelt sich dann gewissermaßen für die Hilfselektrode und für die Entladung selbst um eine zweidimensionale Bauform, welche die Ergetrennt auszuführen. In Fig. 2 ist mit 12 ein stabili- zeugung von Fächern mehrfach geladener Ionen gesiertes Netzgerät bezeichnet, welches die eingestellte 60 stattet.
   Spannung der Hilfselektrode 2 mit großer Genauigkeit konstant hält. Die zur Konstanthaltung des Gasdruckes in der Quelle angewendeten Mittel können als Patentansprüche:
   bekannt vorausgesetzt werden und sind daher nicht
   dargestellt. Der Heizstrom der Kathode 1 wird von 65

   einem geregelten Heizgerät 10 geliefert, welches in 1. Einrichtung zur Erzeugung mehrfach gelade-Abhängigkeit von der Entladungsspannung den Heiz- ner Ionen in einer Bogenentladungsquelle, gekennkreis beeinflußt. Die Stromversorgung für die Ent- zeichnet durch eine derartige Einstellung der Entladung erfolgt von einem Netzgerät 11, welches nicht ladungsspannung — auf dem Wege der Kathodenunbedingt stabilisiert zu sein braucht. Von der Regel- 70 unterheizung — und eines gegenüber der Kathode

   negativen Potentials der den Kathodenraum umgebenden Hilfselektrode unter Berücksichtigung des Gasdruckes in der Quelle, daß in einem weiten Bereich vor der Emissionsöffnung kein oder nahezu kein Potentialgradient auftritt.
2. 2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die im Kathodenfall beschleunigten Elektronen in an sich bekannter Weise durch magnetische Feldkräfte auf ein Bündel konzentriert sind.
3. 3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannung durch an sich bekannte Mittel stabilisiert sind.
4. 4. Einrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 3, da-

   durch gekennzeichnet, daß die Entladungsspannung durch Steuerung des Heizstromes geregelt ist.
5. 5. Einrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 4, gekennzeichnet durch die Verwendung einer Tantalkarbidkathode.
6. 6. Einrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 4, gekennzeichnet durch die Verwendung einer Wolframkathode.
7. 7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß sie rotationssymmetrisch ausgebildet ist.
8. 8. Einrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß sie zweidimensional ausgebildet ist.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen