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Beschreibung
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Die Erfindung betrifft Gasentladungsröhren und bezieht sich insbesondere
auf Elektronen-Ionenquellen, die f'wi das ElektronenstrahlschweiÇen oder fur die
Bearbeitung von Werkstücken mit Erfolg eingesetzt werden können.
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Es ist eine Gasentladungs-Ionenquelle bekannt, die eine Penning-Zelle
darstellt und eine Ringanode, ein Mittel zur Erzeugung eines in Richtung der Symmetrieachse
der Öffnung in der Anode verlaufenden homogenen Magnetfeldes in Anodennähe, zwei
auf verschiedenen Seiten der Anode angeordnete und miteinander elektrisch gekoppelte
Flachkatoden, deren eine eine Emissionskatode und mit einem Emissionskanal versehen
ist, enthält. Gegenüber der Austrittsöffnung des Emissionskanals liegt ein Beschleunigungssystem.
Die Öffnung in der ersten Katode, die Uffnung in der Anode, der Emissionskanal und
das Beschleunigungasystem sind gleichachsig angeordnet (s. beispielsweise M.D. Gabowitsch,
Physik und Technik vDn Plasmaionenquellen, Moskau, "Atomizdat", 1972,S. 116).
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Der Wert eines durch Be das Beschleunigungssystem in dieser Stromquelle
erzeugten Stroms ist gering, weil eine stabile Glimmentladung ohne Bildung von Katodenflecken
in der Penning--Zelle durch eine niedrige Dichte geladener Teilchen in einer Volumeneinheit
gekennzeichnet wird.
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Es ist auch eine Elektronen-Ionenquelle bekannt, in der zum Unterschied
von der Penning-Zelle die erste Katode in Form eines Hohlzylinders ausgeführt ist,
bei dem die Richtung der Symmetrieachse des Innenraumes mit der Achsenrichtung
der
Öffnung in der Anode, des Emissionskanals der Emissionskatode und des Beschleunigungssystems
(s. den SU-Urheberschein N. 456322,Kl. HOIJ 3/02,1975) zusammenfällt.
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Diese Quelle stellt ebenso wie die vorhergehende eine Quelle mit
einer longitudinalen Extraktion von Teilchen aus einer Hohlkatoden-Reflexionsentladung
dar. Sie gewährleistet eine recht hohe Effektivität der Elektronenaus ziehung auf
Grund der Anwendung einer zylindrischen Hohlkatode mit einem eine Zusammenziehung
der Entladung zur Achse des Emissionskanals hin fördernden Innenraum.
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Diese Quelle zeichnet sich aber durch eine tiefe Modulation des erzeugten
Stroms (ca. 80 bis 100%) aus. In einer durch die Ringanode und die Katoden der geschilderten
Konstruktion ausgebildeten Entladungskammer werden Bedingungen zum Auftreten einer
umlaufenden azimutalen Inhomogenität in der Entladung geschaffen, weshalb sich der
erzeugte Strom selbst bei einer gleichbleibenden, durch das Beschleunigungssystem
induzierten Beschleunigungsspannung als durchmodulierter (Impuls) -strom mit einer
Folgefrequenz von 100 bis 200 kHz erweist. Diese Erscheinung erschwert in einer
Reihe von Fallen die praktische Benutzung der Quelle Der Erfindung liegt die Aufgabe
zugrunde, eine Elektronen-Ionenquelle mit einersoldlen Bauart der Entladungskammer
zu schaffen, die eine Modulation eines extrahierten Stroms von geladenen Teilchen
unter Sicherung einer recht hohen Effektivität der Extraktion ausschlieet.
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Die gestellte rufgabe wird dadurch gelöst, daß in
der
Elektronen-Ionenquelle, die eine Ringanode, ein Mittel zur Erzeugung eines in Richtung
der Symmetrieachse der Uffnung in der Anode verlaufenden homogenen Magnetfeldes
in Anodennahe, eine zylindrische Hohlkatode, bei der die Achse des Innenraumes parallel
zu magnetischen Feldstärkelinien verläuft,und eine Emissionskatode, deren Emissionskenal
gleichachsig zum Innenraum der Hohlkatode liegt, die auf verschiedenen Seiten von
der Anode angeordnet und miteinander elektrisch gekoppelt sind, und ein Beschleunigungssystem
gegendber der Austrittsöffnung des Emissionskanals enthält, die Uffnung in der Anode
gemaß der Erfindung derart angeordnet ist, daß ihre Symmetrieachse in bezug auf
die Achse des Innenraumes der zylindrischen Hohlkatode um einen Abstand a verschoben
ist, der den Gesamtwert der Halbmesser der Uffnung in der Anode und des Innenraunsder
Katode nicht überschreitet.
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Es ist zweckm'aßicr,', den Betrag der Verschiebung gleich dem Halbmesser
des Innenraumes der Katode zu wählen.
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Die erfindungsgemaSe Elektronen-Ionenquelle sichert die Eliminierung
einer Modulation des erzeugten Stroms, einehohe hffektivität seiner Erzeugung, ist
einfach im Aufbau und zuverlässig bei der Arbeit.
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Die Erfindung ist im folgenden anhand der Beschreibuns, einer konkreten
Ausführungsform und der Zeichnung näher erlautert. Es zeigt, gemaß der Erfindung:
Fig. 1 schematisch eine Elektronen-Ionenquelle im Schnitt; Fig. 2 eine Draufsicht
einer Ringanode.
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Die Elektronen-Ionenquelle enthalt eine Ringanode 1 (Fig. 1, 2) und
einen koaxial zu dieser angeordneten Dauermagneten 2, der als Mittel zur Erzeugung
eines (gestricbelt gezeigten) bomogenen Magnetfeldes B in Anodennähe auftritt, das
in Richtung einer Symmetrieachse 3 der Oeffnung in der Anode 1 verlauft. Auf verschiedenen
Seiten von der Anode 1 liegen eine zylindrische Hohlkatode 4 und eine Emissionskatode
5, die miteinander elektrisch gekoppelt sind. Der Innenraum 6 der Katode 4 und der
Emissionskansl 7 der Katode 5 liegen koaxial, und deren Längsachsen verlaufen parallel
zuden Feldlinien des Magnetfeldes B. Gegenüber der Austrittsöffnung des EmisEionskanals
7 ist gleichachsig zu diesem ein Beschleunigungesystem, hier eine Beschleunigungselektrode
8, anOeordnet. Die Öffnung in der Ringanode 1 ist derart ausgeführt, daß ihre Symmetrieachse
3 bezuglich der Symmetrieachse des Innenraumes 6 der Katode 4 um einen Abstand a
verschoben ist, der den Gesamtwert der Halbmesser in der Anode 1 und dem Innenraum
6 der Katode 4 nicht über schreitet. Es ist bevorzugt, den Abstand a gleich dem
Wert des Halbmessers des Innenraumes 6 zu wählen. Anode 1, magnet 2, Katoden 4,
5 und Beschleunigungselektrode 8 sind in einem Gehäuse 9 aus IsolierstofS eingeschlossen,
das durch Flansche 10, 11 aus leitendem Material hermetisch abgedichtet ist. In
dem durch die wirksamen Flächen der Anode 1, der zylindrischn Hohlkatode 4 und der
Emissionskatode 5 begrenzten Rsum ist eine Entladungskammer 12 gebildet. Zur Spannungszuführung
zu den Elektroden (Anode 1 und Katode 5) der Entledungskemmer 12 dient eine außerhalb
des Gehäuses
9 liegende Stromquelle 13. Eine gleichfalls außerhalb
des Gehäuses 9 liegende Speisequelle 14 ist zur Erzeugung einer Beschleunigungsspannung
zwischen der Katode 5 und der Beschleunigungselektrode 8 vorgesehen. Die Anschlüsse
der Quellen 13, 14 sind mit den entsprechenden Elektroden der Elektronen-Ionenquelle
über in der Wand des Isoliergehäuses 9 ausgeführte hermetische Durchführungen 15
verbunden.
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Die in Fig. 1 angedeutete Polarität der Quelle 14 entspricht dem
Fall einer Elektronenextraktion aus einer Entladung. Bei der Notwendigkeit, ein
Ionenbündel auszuziehen, ist die Speisequelle 14 umzupolen.
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Die Elektronen-Ionenquelle arbeitet wie folgt.
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Das Arbeitsgas strömt in die Entladungskammer 12 durch den Katoderaum
6 ein, bis sich in dieser ein Druck von 1.102 Torr eingestellt hat.
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Bei Spannungszusübrung zwischen den Katoden 4, 5 und der Anode 1
und bei der erzeugung des genannten Drucks in der Entladungskammer 12 wird in dieser
eine Penning--Entladung initiiert. Mit steigendem Strom dieser Entladung, wenn die
Ausdehnung des Katodenfallgebiets kleiner als der Halbmesser der Apertur des Innenraumes
6 der Katode 4 wird, dringt das Plasma der Penning-Entladung in den Innenraum 6
ein, wodurch ein Rohlkatodeneffekt ausgelbst wird, und die Penning-Entladung geht
in eine durch eine hohe PlasmadichBe in Achsrichtung des Innenraumes gekennzeichnete
Hohlkatoden-Reflexionsentladung über. Da die Achse des Hohlraumes 6 der Katode 4
bezüglich der Achse der Anode 1 verschoben ist, erweist sich das Gebiet mit einer
maximalen Entladuagsr.
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plasmadichte, das stets gegenüber der Apertur des Innenraumes fixiert
wird, gleichfalls als verschoben um die Achse der Anode 1, und unter diesen Bedingungen
ist die Entstehung einer azimutalen umlaufenden Inhomogenität erschwert und hat
eine Beseitigung der Modulation des Ausgangsstroms der Quelle zur Folge. Dies ist
auf eine Inhomogenität des elektrischen Feldes im Volumen der Entladungs kammer
12 zuriickzuf"uhren.
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Die günstigsten Bedingungen werden geschaffen, wenn die Achsenversetzung
gleich dem Halbmesser der Apertur des Innenraumes 6 gewahlt ist. In diesem Fall
liegt neben der Beseitigung der Modulation des Ausgangsstroms der Quelle eine Aufrechterhaltung
ihrer hohen energetischen Effektivität der Elektronenextraktion vor.
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Die Anwendung der Anode 1 mit einer -axial verschobenen Öffnung schließt
also in der geschilderten Quelle eine Modulation des erzeugten Stroms aus, was deren
praktischen Anwendungsbereich wesentlich erweitert.
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Kurz umrissen unfaßt die Erfindung eine Elektronen-Ionenquelle, die
eine Ringanode 1, ein Mittel zur Erzeugung eines in Richtung der itrrtrieachse 3
der 8ffnung in der Anode 1 verlaufenden homogenen Magnetfeldes B in Anodennähe,
eine zylindrische Hohlkatode 4 , bei der die Achse des Innenraumes 6 parallel zu
den Feldstärkelnien des Magnetfeldes B verläuft, und eine Emissionskatode 5 , deren
Emissionskanal 7 gleichachsig zum Innenraum 6 der zylindrischen Hohlkatode 4 liegt,
die auf verschiedenen Seiten von der Anode 1 angeordnet und miteinander elektrisch
gekoppelt sind, und ein Beschleunigungssystem gegenüber der Austrittsöffnung des
Emissionskanals
enthalt, Die Uffnung in der Anode 1 ist derart angeordnet, daß ihre Svmmetrieachse
3 bezüglich der achse des Innenraumes 6 der zylindrischen Hohlkatode 4 um einen
Abstand a verschoben ist, der den Gesamtwert der Halbmesser der Uffnung in der Anode
1 und dem Innenraum 6 der Katode 4 nicht überschreitet.
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Die vorliegende Elektronen-Ionenquelle ist vorzugsweise zur Durchführung
von Elektronenstrahlschweißen vorgesehen.
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