DE3782789T2

DE3782789T2 - Elektronenkanone mit plasmaanode.

Info

Publication number: DE3782789T2
Application number: DE8787902195T
Authority: DE
Inventors: J Harvey
Original assignee: Hughes Aircraft Co
Current assignee: DirecTV Group Inc
Priority date: 1986-03-24
Filing date: 1987-02-13
Publication date: 1993-05-27
Anticipated expiration: 2007-02-14
Also published as: WO1987006053A1; JPS63503022A; EP0261198B1; JPH0449216B2; US4707637A; IL81721A; DE3782789D1; IL81721A0; EP0261198A1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Plasma-Anoden- Elektronen-Kanonen-Anordnung und bezieht sich insbesondere auf kalte Kathodenelektrodenquellen für freie Elektronenlaser (FEL), Klystrons, Wanderwellenröhren und Gyroklystrons.
Aus der GB-A-1 145 013 ist eine nicht-thermoionische Kathodenplasmaentladungsvorrichtung bekannt geworden, welche eine Elektrodenanordnung mit einer bei beiden Enden offenen röhrenförmigen Anode und einer benachbart zu einem Ende der Anode angeordneten Kathode aufweist. Während des Betriebes der Vorrichtung wird das Gas in der Anode ionisiert, und es entsteht eine Plasmaentladung, wobei zumindest einige der in dem Gas somit erzeugten positiven Ionen die Kathode bombardieren, und bewirken, daß die Kathode einen Strahl von Elektronen emittiert, welche axial bezüglich der Anode durch elektrische Felder der Anode und Kathode fokussiert und ausgerichtet werden.
Herkömmlicherweise werden bei der Erzeugung von Elektronenstrahlen für Linearbeschleuniger, freie Elektronenlaser und Gyrotrons thermoionische Kathoden oder gepulste "kalte" Kathoden-Quellen, wie beispielsweise Plasmakathoden und Feldemitter, verwendet. Jedoch sind die thermoionischen Kathoden in ihrer Stromdichte begrenzt, benötigen eine Heizleistung, strahlen Wärme ab und neigen zu Verunreinigung; außerdem emittieren gepulste Hochspannungsdioden zwar höhere Ströme, aber dafür arbeiten sie lediglich für höchstens ein paar us (Mikrosekunden) und mit einer niedrigen Anzahl der Betriebszustände, die bei periodischem Betrieb der Anlage auftreten. Desweiteren ist die Gittersteuerung bei den herkömmlichen Quellen schwierig, da das Gitter bei der hohen Spannung der Kathode betrieben werden muß.
Demgemäß ist es hauptsächlich Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Elektronenstrahl mit hoher Dichte zur Verfügung zu stellen, ohne die Vielzahl von Problemen zu haben, die normalerweise mit thermoionischen Kathoden einhergehen.
Entsprechend der vorliegenden Erfindung gemäß Anspruch 1 wird eine kalte Kathode verwendet, die aus einem Material mit einem relativ großen Verhältnis der Emission von Sekundärelektronen zu einfallenden Ionen gebildet ist. Eine kombinierte Anoden- und Ionenquelle kann eine kreisförmige Kammer zur Aufnahme eines Gasplasmas und Anordnungen zum selektiven Auslösen von Ionen zum Auftreffen auf die Kathode aufweisen, wodurch Sekundärelektronen erzeugt werden. Die Anode kann hohlförmig sein, wie vorstehend vermerkt wurde, und kann eine Mittenöffnung aufweisen, wobei die Elektronen über die Öffnung in die Anode zur Bildung eines Elektronenstrahles ausgerichtet werden.
Weitere Merkmale und bevorzugte Einzelheiten der Erfindung können die folgenden Elemente aufweisen:
1. Die Kathode kann bei einem äußerst großen negativen Potential liegen, wie beispielsweise einige zehn kV (Kilovolt) oder bis 100 kV (Kilovolt) oder eine noch größere Spannung bezüglich der kombinierten Anoden- und Plasmaquelle. Das Verhältnis von Sekundärelektronen zu einfallenden Ionen kann in der Größenordnung von 14 oder 15 Elektronen pro Ion sein, wobei ein Kathodenpotential in dem Bereich von -100 kV (Kilovolt) liegt.
2. Bei einer Ausführungsform kann die Kathode relativ flach oder leicht plattenförmig in der Weise einer herkömmlichen Pierce-thermoionischen Kathode gebildet sein, und die kreisförmige Anodenelektrode kann Ionen auslösen für ein Auftreffen innen auf die Kathodenstruktur, wobei die emittierten Elektronen zurück zur kombinierten Anoden- und Ionenquelle hingezogen werden und über die zentrale Öffnung hiervon durchgehen, zur Bildung eines fokussierten Elektronenstrahles entlang der Achse. Bei diesem Prozeß wandern die Elektronen entlang zu den Ionen erheblich unterschiedlicher Trajektorien, welche periphär zur Kathode hin hereinkommen und zur Bombardierung der Kathode entsprechend der gewünschten Elektronenemissionsdichte angeordnet sind.
3. Bei einer weiteren alternativen Geometrie, welche für Gyrotron-Anwendungen geeignet ist, kann die Plasmaquelle im wesentlichen zylindrisch ausgebildet sein, und die Ionen nach innen zu einer entsprechend zylindrischen inneren kalten Kathode hin richten, von wo aus die Elektronen zuerst emittiert und daran anschließend axial durch die kombinierte Wirkung des elektrischen und negativen Feldes zur Bildung eines Strahles für die Verwendung des Gyrotrons unter der Steuerung eines Axialmagnetfeldes gerichtet werden.
4. Die Ionenimpulse können durch eine oder mehrere Drahtanodensteuerelektroden gesteuert sein, die sich in die Plasmakammer erstrecken, welche mit einem Niedrigdruckgas, wie beispielsweise Helium, gefüllt ist. Falls die Steuerelektrode gepulst wird, beispielsweise auf eine positive Spannung in der Größenordnung eines Kilovolt, werden Plasmaelektronen durch die elektrischen Felder des Drahtes gefangen und ionisieren das Gas aufgrund des Draht-Ionen- Plasma-Mechanismus, wobei die resultierenden Ionen aus gegenüber der Kathode angeordneten Öffnungen emittiert werden, wie es in US-A-3,949,260 von J. R. Bayless und Robin Harvey dargestellt ist.
5. Eine Zusatzgitterelektrode mit einer relativ geringen positiven Spannung, wie beispielsweise 50 bis 100 V (Volt) kann ebenfalls benachbart zu den Öffnungen in der Ionenquelle und der Anode, welche der Kathode gegenüberliegen, angeordnet sein, um ein Leck der Ionen während der Bildung oder des Zerfalles des Plasmas in der Plasmakammer zu verhindern, und somit die Pulswellenform des Ionenstrahles zu schärfen oder zu modulieren.
6. In einem alternativen Ausführungsbeispiel kann die Ionenquelle in zwei verbundene Kammern unterteilt sein, wobei die Auslösung von Ionen durch Pulsen einer Elektrode in der rückseitigen Kammer, welche entfernt ist von den der Kathode gegenüberliegenden Öffnungen, durchgeführt wird.
7. Bei einer alternativen Ausführungsform können zusätzliche Magnete verwendet sein zur Vereinfachung der Einrichtung eines Plasmas durch den Überkreuz-Feld-Entladungsmechanismus innerhalb der Ionenquelle durch Einfangen der Plasmaelektronen und Anheben der Bildung der Ionen innerhalb der kreisförmigen Ionenquelle.
8. Bei einem alternativen Ausführungsbeispiel ist die Energie der die Kathode bombardierenden Ionen für eine maximale Sekundärausbeute und minimalen Leistungsverbrauch der Kathode optimiert durch Vorsehen der Betriebsweise der Ionenquelle als eine Zwischenelektrode, die bei beispielsweise 130 kV relativ zur Kathode eingestellt ist, während die Elektronen auf eine unterschiedliche oder höhere Energie durch zusätzliche Anodenpotentialstufen beschleunigt werden.
Dieser neue Entwurf umfaßt die folgenden Vorteile.

A. Massenpotentialmodulation

Der hochenergetische Elektronenstrahl wird durch einen Niedrigleistungssteuerimpuls gesteuert, der unmittelbar oberhalb des Potentiales der Anodenstruktur und der Elektronenstrahlleitung funktioniert, die auf herkömmliche Weise geerdet ist. Es wird kein Hochspannungssteuerschaltkreis in der Kathodenschaltung benötigt, welche eine DC-Versorgung sein kann. Der Strahlstrom kann desweiteren in der Amplitude bei einer konstanten Spannung moduliert sein, falls dies gewünscht ist.

B. Vereinfachter thermomechanischer Entwurf

Die Herstellung ist im Vergleich zu der eine thermoionische Kathode verwendenden Anordnung erheblich vereinfacht, da die Raumtemperaturkathode die Verbindungssysteme nicht überheizt, keine ernsthafte thermische Ausdehnung relativ zu den anderen Strukturen erfährt, keinen Heizer benötigt, in Niedrigdruckatmosphären betrieben werden kann und nicht einfach einer Verunreinigung unterliegt.

C. Strahlprofilsteuerung und geringe Aberration

Beginnend mit einer herkömmlichen Pierce-Elektronenkanonengeometrie wird die Möglichkeit für eine hohe elektronenoptische Qualität durch Vorsehen des Ionenbombardements auf die Kathode vereinfacht, wobei die Ionen bei der Anode erzeugt werden. Der Ionenbombardementfluß kann durch Ändern der Elektrodenformen maßgeschneidert werden. Die resultierende Elektronendichteverteilung kann entsprechend einem für die jeweilige Anwendung optimalen Profil eingestellt werden. Desweiteren bewirkt das Vorhandensein von ionischen Raumladungen in dem Bereich der axialen Anodenöffnung eine Verringerung des Astigmatismus durch wirksames Ausdehnen der Anodenäquipotentialoberfläche gleichförmiger über die zentrale Öffnung, durch welche der Strahl hindurchgeht.

D. Differentielles Pumpen

Ein Niedrigdruckgas stört nicht die gesamte Funktionsweise der Plasma-Anoden-Elektronen-Kanone. Um die Kanone zu betreiben, kann Gas in den Plasmaquellenabschnitt eingeführt werden, wobei ein Druck in der Größenordnung von 40 ubar (30 milliTorr) von Helium benötigt wird. Das Gas diffundiert durch die Gitter und kann, falls dies durch die Anwendung benötigt wird, bei einer geeigneten Stelle entlang des äußeren Umfangs der Anode und entlang der axialen Wand der Anode abgepumpt werden. Der Gasdruck in dem Hochspannungsbereich wird gut unterhalb des Paschen-Durchbruchspegels gehalten, so daß der Effekt der durch ein hochenergetisches Elektronbombardement erzeugten Ionisation minimal ist. Desweiteren stellt die hohlförmige Anode (da sie gegenüber der hohlförmigen Kathode liegt) kein Gasdurchbruchsproblem dar, wobei die zur Bestimmung der Paschen-Durchbruchslänge verwendete Entfernung diejenige des Inneren des Hochspannungsabschnittes und entlang der Isolatoren ist. Das Plasma kann von dem Anodenabschnitt ausgeschlossen sein oder kann ebenso innerhalb des Zentrums des Elektronenstrahlbereiches innerhalb der Anode angeordnet sein für Zwecke der Verringerung der Effekte der elektronischen Raumladung des Strahles selbst.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Weitere Einzelheiten, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnung.
Es zeigt:
Fig. 1 eine schematische Schnittansicht einer Plasma- Anoden-Elektronenstrahlbildungsanordnung zur Darstellung der Prinzipien der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2 eine schematische Darstellung der elektrischen Steueranordnung für eine Plasma-Anoden-Elektronen-Kanone ähnlich zu derjenigen gemäß Fig. 1;
Fig. 3 eine schematische Darstellung einer Steueranordnung für ein Gas, welche für die Plasma-Anoden-Elektronen-Kanonen des vorliegenden Typs anwendbar ist;
Fig. 4 eine schematische Darstellung einer Plasma-Anoden-Elektronenstrahlbildungs-Kanone, bei der ein zusätzliches Gitter vorhanden ist, das mit der Ionenquelle zusammenwirkt;
Fig. 5 und 6 jeweils Darstellungen der Ionen- und der Elektronentrajektorien für eine Plasma-Anoden-Elektronen-Kanone des vorliegenden Typs;
Fig. 7 eine Darstellung einer alternativen Ionenquellenanordnung;
Fig. 8 eine schematische Darstellung eines alternativen Ausführungsbeispieles zur Erläuterung der Prinzipien der Erfindung bei der Anwendung auf ein Gyrotron;
Fig. 9 eine relativ grobe Kurve der Sekundäremissionselektroden pro einfallendem Heliumion für Molybdän, aufgetragen gegen die Energie der einfallenden Ionen in Kilovolt;
Fig. 10 eine Darstellung einer Modifizierung, welche die unabhängige Einstellung der Ionen- und Elektronenenergien für einen Betrieb bei Spannungen gut oberhalb von 100 kV ermöglicht; und
Fig. 11 eine schematische Ansicht zur Erläuterung, wie die vorliegende Erfindung zur Lieferung eines Elektronenstrahles für einen freien Elektronenlaser oder Modulator verwendet werden kann.
Fig. 1 zeigt eine entsprechend den Prinzipien der vorliegenden Erfindung gebildete Plasma-Anoden-Elektronen-Kanone.
Gemäß Fig. 1 kann die Kathode 12 aus einem Material mit einer hohen Sekundärausbeute, wie beispielsweise Molybdän gebildet sein, oder einen schweren Überzug aus Molybdän auf der plattenförmigen Kathodenoberfläche 14 aufweisen, welche in einer Pierce-Elektronen-Kanonenform gebildet ist. Die Ionen werden durch die Ionisation von Gas, wie beispielsweise Wasserstoff, Helium oder Sauerstoff, welches in die Kammer 16 bei einem Einlaß 40 eingeführt wird, gebildet. Das äußere Gehäuse 18 der Plasma-Anoden-Elektronenstrahlstruktur kann geerdet sein, und es wird ein hohes negatives Potential an die Kathode 12 über den Leiter 20 angelegt. Dieses negative Potential ist schematisch durch die DC-Spannungsquelle 22 angedeutet und liegt in der Größenordnung von 30000 oder 40000 V (Volt), wie sie in den bestimmten durchgeführten Tests verwendet worden ist; genauso gut kann das Potential in der Größenordnung von minus 100000 bis 500000 V (Volt) bei praktikablen Ausführungsbeispielen sein, aus Gründen, die nachstehend erläutert werden.
Das Gas mit relativ niedrigem Druck, welches an die Kammer 16 angelegt ist, kann durch einen Initialimpuls, beispielsweise von 1000 V (Volt), ionisiert sein, welcher an die Elektroden 24 angelegt ist, die sich in die Kammer 16 erstrecken. Nach der anfänglichen Ionisation kann das Potential auf den Drahtelektroden 24 zurück auf vielleicht 300 V (Volt) zur Aufrechterhaltung der Ionisierung abfallen. Die kombinierte Ionenquellenkammer 16 und die Anode 17 ist im allgemeinen kreisförmig in der Konfiguration und weist eine zentrale Öffnung 26 auf, durch welche der Elektronenstrahl hindurchgeht, wobei die Trajektorien im wesentlichen wie in Fig. 2, 5 und 6 aussehen. Betreffend der weiteren Merkmale gemäß Fig. 1 wird vermerkt, daß die isolierende Kathodenbuchse 28 die Kathode 12 und deren Eingangsleiter 20 von dem Gehäuse 18 trennt. Auf ähnliche Weise können die Drahtelektroden 24 auf dem Stützring 30 angebracht sein, der mehrere relativ schwere Leiter 31 aufweisen kann, die zusammen durch einen Stützring 32 verbunden sind und isolierende Hülsen 34 an der Stelle aufweisen, bei der die Leiter 31 über die umschließende Schale 18 hindurchgehen. Der allgemein durch den Pfeil 36 bezeichnete Elektronenstrahl geht durch den Durchgangspfad 38 für die Verwendung bei elektronischen Vorrichtungen oder Strukturen, die nicht näher dargestellt sind, nach rechts gemäß Fig. 1.
Fig. 2 zeigt ein schematisches Diagramm einer bevorzugten Anordnung der Ionenquellenkammer 42 und der Kathode 44. In Fig. 2 sind die Trajektorien der Ionen allgemein durch unterbrochene Linien 46 bezeichnet, und die Trajektorien der Elektronen, die erzeugt werden, wenn die Ionen auf die Kathode 44 auftreffen, sind bei 48 durch die durchgehenden Linien dargestellt. Die Öffnungen 50 für die Ionen sind mit einem Winkel in Richtung der Kathode 44 versehen dargestellt, um die Ionen auf die Trajektorien zu zwingen, welche durch die unterbrochenen Linien 46 dargestellt sind. In Versuchen wurde bestimmt, daß es einen gewissen Betrag eines Lecks der Ionen von den Öffnungen 50 geben würde, solange die Ionisation innerhalb der Kammer 42 aufrechterhalten war. Dementsprechend kann zur Verhinderung eines derart unerwünschten Lecks ein Hilfsgitter 52 vorgesehen sein. Durch die permanente Vorspannung dieses Gitters mit einem relativ kleinen negativen Potential von beispielsweise 70 V (Volt) bezüglich der Öffnungen 50 wird ein unerwünschtes Leck der positiven Ionen verhindert, wie es in US-A-4,462,522 beschrieben ist.
Falls es erwünscht ist, können kleine Permanentmagnete 54 und 56 zur Reduzierung der mittleren freien Weglänge der Ionen innerhalb der Kammer 52 vorgesehen sein, sowie ferner zur Erleichterung der Ionisierung des Gases in dieser Kammer. In diesem Zusammenhang wird Bezug genommen auf das ältere Patent desselben Anmelders, US-A-4,247,804, in welchem dieses Prinzip verwendet ist. Ebenfalls ist in Fig. 2 ein Abschnitt eines Solenoidmagnetes 58 dargestellt, welcher ein zusätzliches Fokussierfeld für den Elektronenstrahl 48 liefert, falls eine derartige zusätzliche Fokussierung benötigt oder entsprechend der Anwendung gewünscht ist. Jedoch kann eine Raumladungsneutralisation des Elektronenstrahls durch ein beliebiges Restplasma vorgesehen sein, welches zu diesem Zweck in den Driftbereich 47 der Anode initiiert ist. Die Verfügbarkeit dieser Strahlfokussiermöglichkeit stellt ein wichtiges Merkmal für Wanderwellenröhren oder freie Elektronenlaser(FEL)-Typen von Anwendungen dar und kann zur Gewährleistung eines kollimierten Strahles verwendet werden.
Fig. 3 zeigt in einer schematischen Ansicht die Gassteueranordnung, welche im Verlauf der Implementation der vorliegenden Erfindung bei Anwendungen verwendet werden kann, bei denen kein Restgas stromaufwärts der Elektronenkanone erwünscht ist. Insbesondere wird Heliumgas über das Leckventil 64 an die kreisförmige Ionisationskammer 66 geliefert. Innerhalb des Plasmaquellenabschnittes 66 wird ein endlicher Druck benötigt, in der Größenordnung von etwa 40 ubar (30 milliTorr) von Helium. Das Gas diffundiert über die Struktur gemäß Fig. 3 und wird bei geeigneten Stellen um den äußeren Umfang der geerdeten Anode 70 und entlang der axialen Wand der Anode gemäß Bezugsziffer 72 abgepumpt. Im übrigen bezeichnet der Pfeil 74 den Elektronenstrahl, der auf einen zugehörigen FEL gerichtet ist.
Die Anordnung gemäß Fig. 4 ist ähnlich zu der gemäß Fig. 1, so daß entsprechende Elemente in den beiden Figuren entsprechende Bezugsziffern aufweisen und nicht mehr näher erläutert werden. Ein wichtiger Unterschied bei der Anordnung gemäß Fig. 4 ist das Vorsehen eines getrennten Gitters 82 außerhalb der Öffnungen 84 in der Kammer 16, in welcher das Plasma gebildet wird. Das Gitter 82 wird bei einer kleinen positiven Spannung von beispielsweise etwa 70 V (Volt) gehalten durch Anlegen dieser DC-Vorspannung gemäß der schematischen Darstellung bei 85 an die Eingangsleiter 86. Um die Leiter 86 herum sind geeignete Isolationshülsen 88 vorgesehen. Zur Absorption des Elektronenstrahles ist ein geeigneter "Faraday"-Käfig 90 vorgesehen, um den Elektronenstrahlstrom in der gemäß Fig. 4 dargestellten Struktur zu messen. Im übrigen erstrecken sich die Wände des Faraday-Käfigs 90 zurück in Richtung zur Kathode 14, neigen zum Einfangen sämtlicher Elektronen, einschließlich der Sekundärelektronen, die erzeugt werden könnten, und vermeiden eine Wechselwirkung zwischen dem absorbierten Elektronenstrahl und der Wirkungsweise der Ionenquelle und der Kathode. In einem Satz von Versuchen wurde die Kathode 14 bei einem Potential von ungefähr minus 35 kV (Kilovolt) relativ zur geerdeten Ionenquelle oder Anode gehalten, der Kathodenstrom betrug ungefähr 1,5 A (Ampere), und der Strahlstrom wurde von dem Faraday-Käfig erfaßt und betrug ungefähr 1,25 A (Ampere). Eine Impulsquelle 91 liefert kurze positive Impulse in der Größenordnung von einem Kilovolt an die Drahtelektroden 24 zur Auslösung der Ionen und zum Pulsen des Elektronenstrahles. Bei einer beispielhaften Struktur weist der äußere Durchmesser des Gehäuses 18 gemäß der in Fig. 1 und 4 einen Wert von etwa 9,5 cm (Zentimeter) auf, wobei die weiteren Elemente im wesentlichen maßstabsgetreu dargestellt sind.
Höhere Kathodenspannungen von erheblich mehr als minus 100000 kV (Kilovolt) können in sämtlichen hier dargestellten Ausführungsbeispielen verwendet werden, so daß ein beträchtlich höheres Verhältnis von Sekundärelektronen zu einfallenden Ionen erhalten wird (vgl. Fig. 9) und demzufolge höhere Strahlströme und Stromdichten erzielt werden könnten.
Betreffend der mechanischen Abstützung und elektrischen Verbindung mit dem Faraday-Käfig 90 und der Metallmuffe 92, die einen Teil der Anodenstruktur bildet, kann das rechtsseitige Ende 94 des Faraday-Käfigs 90 als Teil einer eine Apertur aufweisende Platte 96 gebildet sein, über welche eine Anzahl von Metallfüßen 98 sich zur Abstützung der äußeren Muffe 90 der Anode erstrecken können. Die schweren Leiter 100 stützen die Platte 96 und stellen die elektrische Verbindung mit der inneren Muffe 92 zur Verfügung; diese erstrecken sich durch die Endplatte 93 unter der Verwendung von Isolationshülsen.
Unter Bezugnahme auf Fig. 5 und 6 sind typische Ionentrajektorien und Elektronentrajektorien für Plasma-Anoden-Kanonen der allgemeinen Konfiguration gemäß den Fig. 1 bis 4 dargestellt. In Fig. 5 ist die Quelle der Ionen durch die Bezugsziffer 104 dargestellt, wobei die Kathode durch die Fläche 106 angedeutet ist. Für die Zwecke der Fig. 5 sind die Geometrien in mm (Millimeter) angegeben, wobei angenommen wird, daß die Kathode auf einem negativen Potential von ungefähr 400 kV (Kilovolt) bezüglich der geerdeten Anode oder der Quelle der Ionen liegt. Unter diesen Bedingungen würde der durch die positiv geladenen Heliumionen getragene Ionenstrom ungefähr 7,2 A (Ampere) betragen, welcher das Raumladungslimit darstellt. Unter Bezugnahme auf die Elektronentrajektorien gemäß Fig. 6 werden die Elektronen in Richtung eines Punktes fokussiert, der gut unterhalb der Ionenquelle 104 liegt. Desweiteren wird der Strahlstrom als ungefähr 106 A (Ampere) abgeschätzt, welcher wiederum die Raumladungsgrenze darstellt. Bei dieser Berechnung ist das Verhältnis der Sekundäremissionselektronen pro einfallendem Ion zu 14,7 angenommen. Die Hinzufügung einer Krümmung an den Plasmabereich der Kathode 106 gemäß den Fig. 5 und 6 würde die Fokussierung des Elektronenstrahles ändern und die Erzeugung von laminaren Trajektorien erlauben, welche nicht die Anode entsprechend der Pierce-Elektronen-Kanonenart treffen.
Fig. 7 zeigt eine Teilansicht eines Abschnittes einer Ionenquelle 108, welche bei der Plasmaanodenstrahlgeometrie gemäß den Fig. 1 bis 4, aber auch gemäß 10 und 11 verwendet sein könnte. Insbesondere zeigt Fig. 7 eine schematische Schnittansicht durch einen Abschnitt einer kreisförmigen Ionenquelle. Die Ionenquelle 108 weist die üblichen Öffnungen 110 auf, um die Loslösung von Ionen zu ermöglichen, wie es durch die Pfeile 112 angedeutet ist, wenn ein positiver Impuls in der Größenordnung von 1 Kilovolt an die Elektrode 114 angelegt ist. Die mit einer Apertur versehene Baffle-Platte 116 ergibt eine hohlförmige Kathodenentladungskammer in dem Volumen nach links des Baffle, wie es in Fig. 7 dargestellt ist. Somit kann beispielsweise nach einem initialen Ionisationsimpuls in der Nähe von 1000 V (Volt) die normale Energie der Elektrode 114 in der Größenordnung von 200 V (Volt) liegen. Wenn daran anschließend ein ein kV (Kilovolt) Impuls an die Elektrode 114 angelegt wird, wird die Kammer 108 ionisiert und die Ionen 112 werden durch die Öffnungen 110 der Ionenquelle losgelöst.
Fig. 8 zeigt ein alternatives Ausführungsbeispiel der Erfindung, welches für Strukturen vom Gyrotrontyp anwendbar ist. Im übrigen wird auf einen repräsentativen Artikel über freie Elektronenlaser und Gyrotrons mit dem Titel "New Sources of High Power Coherent Radiation" Bezug genommen, welcher in der Ausgabe vom März 1984 von Physics Today, Seiten 44 bis 51 erschienen ist. Gemäß Fig. 8 weist die Plasmaionenquelle 22 eine kreisförmige Konfiguration auf und weist Öffnungen auf deren innerer Oberfläche 124 auf, die der Kathode 126 gegenüberliegt. Wie bei den Ausführungsbeispielen gemäß den Fig. 1 bis 4 kann beispielsweise die Kathode 126 aus Molybdän hergestellt sein oder einen schweren Überzug aus Molybdän auf der Fläche aufweisen, wo die durch unterbrochene Linien 128 angedeuteten Ionen auftreffen. Wie im Falle der zuvor erläuterten Anordnungen kann das zusätzliche Gitter 130 auf einem beträchtlich niedrigen negativen Potential, wie beispielsweise etwa 70 V (Volt), vorgespannt sein, um ein Leck von Heliumionen zu vermeiden, die dem gewünschten Impuls folgen. Eine zusätzliche Elektrode 132, die ebenfalls kreisförmig sein kann, wird durch eine Leitung 134 versorgt. Um das Heliumgas in der Kammer 122 zu ionisieren, erstreckt sich ein magnetisches Feld in der Größenordnung von einigen Hundert Gauss (1 Gs = 10&supmin;&sup4; T) oder mehr von dem stärkeren Gyrotronbereich 138 in die Kammer 122, wobei ein anfänglicher Impuls von 800 oder 1000 V (Volt) an die Elektrode 132 auf der Leitung 134 angelegt werden kann, welche eine Überkreuzfeldentladung in der Kammer 122 bewirkt. Nach der Ionisierung kann die Spannung zurück zu etwa 300 V (Volt) zur Aufrechterhaltung der Ionisierung verringert sein. Dieses Verfahren wird verwendet, wenn es gewünscht ist, Ionen von dem Schirm 124 loszulösen. Es wird ein Steuerimpuls, der in der Größenordnung von 1000 V (Volt) liegen kann, an die Elektrode 132 angelegt, wobei dieser die an das Gitter 130 angelegte positive Vorspannung übersteigt, und Ionen werden gemäß der angedeuteten unterbrochenen Linien 128 losgelöst. Sekundärelektronen 136 werden von der Oberfläche der Kathode 26 losgelöst, und als Ergebnis des durch die Pfeile 138 angedeuteten und mit B bezeichneten axialen Magnetfeldes folgen die Elektronen den ungefähr angedeuteten Pfaden 136.
Fig. 9 zeigt eine schematische Kurve der Sekundäremission von Elektronen aus einer Molybdänkathode, wenn diese mit Ionen bombardiert wird, in Abhängigkeit der Kathodenspannung in Kilovolt. Es wird vermerkt, daß die Sekundäremission schnell mit einem Anstieg der negativen Spannungen ansteigt, bis zu etwa 100000 V (Volt), und daran anschließend lediglich eine leichte positive Steigung aufweist. Schließlich tritt bei Spannungen in der Größenordnung von 1000000 V (Volt) eine Umkehr in dem Verhältnis auf.
Fig. 10 zeigt, wie man am besten den Vorteil des Sekundäremissionsmechanismus verwenden kann, ohne eine übermäßige Aufheizung oder Sputtern einzuführen; es ist möglich, eine Ionenquelle zu verwenden, die innerhalb einer Hilfselektrode 160 angeordnet ist, die bei einem Zwischenpotential zwischen der Kathode 166 und der Anode 168 durch eine externe Schaltung 162 gehalten ist, welche auch Niedrigleistungstriggermodulator 164 bedient und durch faseroptische Steuerimpulse aktiviert ist.
Fig. 11 zeigt in einer schematischen Darstellung ein modifiziertes Ausführungsbeispiel der Erfindung, in welcher die kalte Kathode 142 auf einem konischen Träger 144 entgegengesetzt zur Ionenquelle 146 angebracht ist. Die Quelle der Gatterimpulse 148 ist ähnlich zu der hierin beschriebenen und weist Anordnungen zum anfänglichen Ionisieren des Gases, zur Aufrechterhaltung der Ionisation und aufeinanderfolgenden periodischen Pulsen des Plasmas an ein angehobenes Potential derart auf, daß die Ionen für einen Aufprall auf die Kathode 142 losgelöst werden, und Erzeugung eines Elektronenstrahles, wie es allgemein durch den Pfeil 150 angedeutet ist. Ein freier Elektronenlaser oder Modulator 151 ist allgemein nach rechts in Fig. 11 angedeutet, wobei die sog. "Wiggler"-Permanentmagnete durch das Bezugszeichen 152 dargestellt sind. Ebenfalls gezeigt in Fig. 11 ist die normale Hochspannungsversorgung WVO, die zur Leitung 154 gerichtet ist, und beispielsweise eine negative Spannung von 250000 kV (Kilovolt) an die Kathode 142 liefert.
Zusammenfassend zeigt sich, daß die vorstehende detaillierte Beschreibung und die begleitenden Figuren illustrative Ausführungsbeispiele der Erfindung betreffen. Es können verschiedene Modifizierungen durchgeführt werden, ohne von der Idee und dem Umfang der Erfindung abzuweichen. Somit können als Beispiel, aber nicht als Begrenzung, irgendwelche Gitter und Anregungsanordnungen und axiale Magnetfeldanordnungen, die in Verbindung mit den verschiedenen Ausführungsbeispielen gezeigt sind, verwendet werden in Kombination mit in anderen Figuren der Zeichnung dargestellten Anordnungen. Somit kann das negativ oder positiv vorgespannte Steuergitter entweder innerhalb oder unmittelbar außerhalb der Ionisierungskammer liegen, und der resultierende Elektronenstrahl kann in Verbindung mit einer beliebig bekannten Elektronenstrahlvorrichtung verwendet werden. Zusätzlich können anstelle der Verwendung einer kontinuierlichen kreisförmigen Ionenquelle mehrere getrennte und beabstandete Ionenquellen verwendet sein, um im wesentlichen dieselbe Funktionsweise durchzuführen. Desweiteren kann auch die Symmetrie der Vorrichtung in linearer Weise angeordnet sein, wie die axialsymmetrische Anordnung gemäß der Figuren. Dementsprechend ist die vorliegende Erfindung nicht auf die Ausführungsbeispiele gemäß dieser Beschreibung begrenzt, sondern lediglich durch den Umfang der Ansprüche.

Claims

1. Plasma-Anoden-Elektronen-Kanonen-Anordnung, welche aufweist:

- eine aus einem Material mit einem hohen Verhältnis von Sekundärelektronen zu einfallenden Ionen gebildete Kathode (12, 14, 44, 126, 142, 166);

- eine kombinierte Anoden- und Ionenquellenelektrodenstruktur (16, 17, 42, 66, 108, 122, 146, 168), wobei die Struktur eine Hohlkammer (16, 42, 66) mit einer inneren Oberfläche, welche einen Durchgangspfad (38) für von der Kathode (12, 14, 44, 126, 142, 166) emittierte Sekundärelektronen bildet, aufweist;

- eine Vorrichtung (24, 91, 114, 132, 148, 160, 162, 164, 168) zum Erzeugen eines Ionenplasmas in der Hohlkammer (16, 42, 66);

- eine Vorrichtung (20, 22, 154, 162) zum Vorspannen der Kathode (12, 14, 44, 126, 142, 166) auf ein negatives Potential relativ zur kombinierten Anoden- und Ionenquellenstruktur (16, 17, 42, 66, 108, 122, 146, 168);

- eine Vorrichtung (24, 91, 114, 132, 148, 160, 164, 168) zum jeweiligen Auslösen von Ionen von der Hohlkammer (16, 42, 66) zum Auftreffen auf die Kathode (12, 14, 44, 126, 142, 166); und

- eine Vorrichtung (26) zum Ausrichten der von der Kathode (12, 14, 44, 126, 142, 166) ausgelösten Sekundärelektronen über den Durchgangspfad (38) in der Hohlkammer (16, 42, 66).

2. Anordnung nach Anspruch 1, bei der das Sekundärelektronenverhältnis ausreichend groß ist zur Erfüllung einer vorbestimmten Strombedingung.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, bei der die Hohlkammer (16, 42, 66) ringförmig ausgebildet ist, wobei deren innere Oberfläche radial ist.

4. Anordnung nach Anspruch 1, 2 oder 3, bei der die Kathode (12, 14, 44, 126, 142, 166) eine Molybdänoberfläche aufweist.

5. Anordnung nach Anspruch 3, bei der die kombinierte Anoden- und Ionenquellenstruktur (16, 17, 42, 66, 108, 122, 146, 168) eine Vielzahl von Öffnungen (50, 84, 110) aufweist, die der Kathode (12, 14, 44, 126, 142, 166) gegenüberstehen.

6. Anordnung nach Anspruch 5, bei der ein Gitter (52, 82, 130) unmittelbar benachbart zu den Öffnungen (50, 84, 110) angeordnet ist, und eine Vorrichtung (85, 86) vorgesehen ist zum Vorspannen des Gitters (52, 82, 130) positiv relativ zur kombinierten Anoden- und Ionenquellenstruktur (16, 17, 42, 66, 108, 122, 146, 168).

7. Anordnung nach Anspruch 3, mit einer Vorrichtung (20, 22, 154, 162) zum Anlegen eines negativen Potentiales an die Kathode (12, 14, 44, 126, 142, 166) relativ zur kombinierten Anoden- und Ionenquellenstruktur (16, 17, 42, 66, 108, 122, 146, 168) von 50 000 V (Volt) oder mehr.

8. Anordnung nach Anspruch 3, bei der die Vorrichtung (24, 91, 114, 132, 148, 160, 164, 168) zum Auslösen der Ionen eine Elektrode (24, 114, 132, 160, 168) innerhalb der ringförmigen Hohlkammer (16, 42, 66) und eine Vorrichtung (91, 148, 162) zum Anlegen einer positiven Spannung an die Elektrode (24, 114, 132, 160, 168) aufweist.

9. Anordnung nach Anspruch 8, bei der die Elektrode (24, 114, 132, 160, 168) einen feinen Draht bzw. Drähte darstellt.

10. Anordnung nach Anspruch 8, bei der die Elektrode (24, 114, 132, 160, 168) eine Platte darstellt, und ein Hilfsmagnetfeld an die ringförmige Hohlkammer (16, 42, 66) über Magnete (54, 56) angelegt ist.

11. Anordnung nach Anspruch 8, bei der die Elektrode (24, 114, 132, 160, 168) in einer getrennten Kammer enthalten ist, welche mit der ringförmigen Plasmahohlkammer (16, 42, 66) über eine Öffnung verbunden ist, wobei die ringförmige Ionenquellenhohlkammer (16, 42, 66) eine Hohlkathodenkonfiguration darstellt.

12. Anordnung nach Anspruch 3, bei der die Kathode (12, 14, 44, 126, 142, 166) auf der Achse der Anordnung in Ausrichtung mit dem Durchgangspfad (38) der ringförmigen Hohlkammer (16, 42, 66) angeordnet ist, und die Kathode (12, 14, 44, 126, 124, 166) eine leicht gewölbte Oberfläche (14) aufweist, welche der ringförmigen Hohlkammer (16, 42, 66) gegenübersteht.

13. Anordnung nach Anspruch 3, mit einer Vorrichtung (58, 138) zum Anlegen eines axialen Magnetfeldes zur Fokusierung der an der Kathode (12, 14, 44, 126, 142, 166) erzeugten Elektronen.

14. Anordnung nach Anspruch 3, bei der die Kathode (12, 14, 44, 126, 142, 166) eine im wesentlichen zylindrische Konfiguration aufweist, und bei der die kombinierte Anoden- und Ionenquellenstruktur (16, 17, 42, 66, 108, 122, 146, 168) um die Kathode (12, 14, 44, 126, 142, 166) herum angeordnet ist.

15. Anordnung nach Anspruch 3, bei der die ringförmige Hohlkammer (16, 42, 66) zwei Plasmavolumina aufweist, welche über eine oder mehrere Öffnungen (50, 84, 110) miteinander verbunden sind, wobei eines der Volumina, welches näher an der Kathode (12, 14, 44, 126, 142, 166) liegt, mit einer Vielzahl von der Kathode (12, 14, 44, 126, 142, 166) gegenüberstehenden Öffnungen (50, 84, 110) ausgestattet ist zum Auslösen von Zonen zum Auftreffen auf der Kathode (12, 14, 44, 126, 142, 166), und zumindest eine Steuerelektrode (160) aufweist, welche sich in das zweite der Volumina erstreckt, sowie eine Vorrichtung (162, 164) aufweist zum Anlegen von positiven Spannungsimpulsen an die Steuerelektrode (160) zum Bewirken der Auslösung der Ionen zum Auftreffen auf die Kathode (12, 14, 44, 126, 142, 166).

16. Anordnung nach Anspruch 1, 2, 3, 4, 5, 6, 8 oder 15, aufweisend eine Vorrichtung zum Aufrechterhalten eines Niedrigdruckgases in der Hohlkammer (16, 42, 66).

17. Anordnung nach Anspruch 16, bei der die Kathode (12, 14, 44, 126, 142, 166) eine leicht gewölbte Oberfläche (14) aufweist, welche entlang der Achse der Anordnung in Abstand zur und gegenüberliegend der kombinierten Ionenquellen- und Anodenstruktur (16, 17, 42, 66, 108, 122, 146, 168) angeordnet ist.

18. Anordnung nach Anspruch 16 oder 17, bei der das Niedrigdruckgas Helium darstellt.

19. Anordnung nach Anspruch 16 oder 17, bei der das Niedrigdruckgas Sauerstoff darstellt.

20. Anordnung nach Anspruch 16 oder 17, mit einer Vorrichtung (20, 22, 154, 162) zum Anlegen eines negativen Potentiales an die Kathode (12, 14, 44, 126, 142, 166) relativ zur kombinierten Anoden- und Ionenstruktur (16, 17, 42, 66, 108, 122, 146, 168) von 100 000 V (Volt) oder mehr.

21. Anordnung nach Anspruch 1, 2, 3 oder 14, bei der das negative Potential zwischen der Kathode (12, 14, 44, 126, 142, 166) relativ zur kombinierten Anoden- und Ionenquellenstruktur (16, 17, 42, 108, 122, 146, 168) eine Potentialdifferenz von mehr als 30 000 V (Volt) darstellt.

22. Anordnung nach Anspruch 21, bei der die auf die Kathode (12, 14, 44, 126, 142, 166) auftreffenden Ionen vorbestimmten Trajektorien folgen.

23. Anordnung nach Anspruch 22, bei der die von der Kathode (12, 14, 44, 126, 142, 166) über den Durchgangspfad (38) in der Hohlkammer (16, 42, 66) ausgelösten Elektronen entlang Trajektorien (48) ausgerichtet sind, welche unterschiedlich sind zu den vorbestimmten Ionentrajektorien (48).

24. Anordnung nach Anspruch 21, 22 oder 23, mit einer Vorrichtung zum Ausrichten der Ionen nach innen zur Kathode (12, 14, 44, 126, 142, 166), und mit einer Vorrichtung zum Ausrichten der Elektronen zur Ausbildung eines Strahles entlang der Achse der Kathode (12, 14, 44, 126, 142, 166) und der Kanonenanordnung.