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Einrichtung zur Erzeugung eines Strahlenbündels metallischer Ionen
Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Erzeugung eines Strahlenbündels metallischer
Ionen, bei der die Ionisation des Metalldampfes durch eine zwischen einer Anode
und einer aus dem betreffenden flüssigen Metall gebildeten Kathode parallel zu einem
Austrittsschlitz sich einstellende Bogenentladung erfolgt.
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Um eine derartige Einrichtung unter optimalen Bedingungen betreiben
zu können und um die Potentialdifferenz zwischen dem Mittelbereich des Lichtbogenplasmas
und der metallischen Hülle der Ionenquelle so klein wie möglich zu machen, sind
erfindungsgemäß an den Enden und in der Mitte des Plasmabereichs der Bogenentladung
die dort herrschende Potentiale abnehmende Sonden vorgesehen, an die ein Rechenwerk
angeschaltet ist, daß entsprechend den von den Sonden empfangenen Meßwerten die
Spannungsquellen für die Bogenentladung und die Kathodenheizung derart steuert,
daß das Potential im Mittelbereich des Plasmas gegenüber dem oder denjenigen der
Bündelungselektroden konstant bleibt. Auf Grund der hier vorgeschlagenen Maßnahmen
wird in jedem Augenblick innerhalb der Bogenentladung eine gewünschte Potentialverteilung
erzielt und so eine Metallionenquelle erhalten, die sich mit besonderem Vorteil
auf dem Gebiet der Massenspektroskopie verwenden läßt. Das den die an den verschiedenen
Stellen der Bogenentladung herrschenden Potentiale messenden Sonden zugeordnete
Rechenwerk kann auf Grund der Information über die Werte dieser verschiedenen Potentiale
die Änderungen der Spannung zur Speisung dieses Lichtbogens und der Kathodenheizspannung
steuern, um eine entsprechende Verteilung des Anoden- und Kathodenspannungsabfalls
zu erzielen und dabei zu erreichen, daß das Potential im Mittelbereich der Bogenentladung
gegenüber dem oder denjenigen der Bündelungselektroden konstant bleibt. Der wesentliche
Vorteil der hier vorgeschlagenen Einrichtung liegt darin, daß eine beachtliche Ionendichte
in dem Lichtbogen erzielt wird, ohne daß es notwendig ist, daß Metall auf eine solche
Temperatur zu erhitzen, daß in der gesamten Ionenquelle eine ausreichende Dampfspannung
vorhanden ist. Hieraus ergibt sich gegenüber den bisher üblichen Verfahren ein wesentlich
geringerer Verlust an durch den Austrittsspalt der Ionenquelle entweichenden ungeladenen
Atomen.
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An Hand der Zeichnungen wird ein Ausführungsbeispiel der Einrichtung
beschrieben.
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F i g. 1 veranschaulicht im Schnitt eine Ionenquelle, die insbesondere
für die Benutzung in einem Gerät zur elektromagnetischen Isotopentrennung geeignet
ist; F i g. 2 zeigt ebenfalls im Schnitt eine Teilansicht der Ionenquelle, und zwar
deren Anode und eine Trennwagü,° die in der Nähe dieser Anode angeordnet und mit
dem Austrittsspalt versehen ist; F i g. 3 gibt in. einer graphischen Darstellung
die Änderungen des Potentials längs des Lichtbogens wieder; F i g. 4 stellt ein
Betriebsschaltbild des Steuersystems der Ionenquelle dar; F i g. 5 verdeutlicht
schließlich die Anordnung der Sammelablaufeinrichtung, die die Kathodenflüssigkeit
in die Kathode ohne Hervorrufen von Kurzschluß zurückfließen läßt.
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Die in F i g. 1 dargestellte und für ein Gerät zur elektromagnetischen
Isotopentrennung vorgesehene Ionenquelle besteht im wesentlichen aus einer flüssigen
Kathode 12 und einer Anode 13, die in einem Metallbehälter 14 enthalten sind,
der einen schlitzförmigen Austrittsspalt 15 zum Herausziehen der durch die Ionenquelle
gebildeten Ionen aufweist. Die flüssige Kathode 12 besteht aus demjenigen Metall,
dessen Isotopen man zu trennen wünscht. Im Betrieb der Ionenquelle stellt sich zwischen
der Anode und der Kathode eine Bogenentladung 11 ein, die senkrecht verlaufen muß,
da sie von einer flüssigen Kathode aus erfolgt, die zwangsweise im unteren Teil
der Ionenquelle angeordnet sein muß. Dieser zu der Anode 13 führende Lichtbogen
verläuft in seiner Gesamtheit in dem Behältex1,14; der den Schlitz 15
besitzt,
durch den die aus dem Bogen unter Einwirkung des durch eine auf geeigneter Spannung
gehaltene Trennelektrode 16 erzeugten elektrischen Feldes herausgelösten Ionen austreten.
Sämtliche vorbeschriebenen Teile sind in einem vakuumdichten Behälter 17 angeordnet,
und ein entsprechendes Magnetsystem, dessen Polmassen bei 18 dargestellt sind, erzeugt
das den Bogen stabilisierende Magnetfeld H. Um zu verhindern, daß der Bogen sich
aus seiner zum Magnetfeld parallelen Lage verschiebt und demzufolge gegenüber dem
Trennschlitz 15 veränderliche Lagen einnimmt, was den Betrieb des die Isotopen elektromagnetisch
trennenden Geräts stören würde, ist die Anode 13 durch einen Deckel 19 abgedeckt,
in dem eine der Lage des Bogens entsprechende Öffnung 20 vorgesehen ist.
Zum Zünden der Bogenentladung ist eine Zündelektrode 21 vorgesehen, die aus entsprechendem
Werkstoff besteht und in der Lage ist, in die Oberfläche der flüssigen Kathode 12
entweder ständig oder intermittierend einzutauchen. Da die geringe Abmessung der
Öffnung 20 den Aufbau des Lichtbogens an derAnode 13 im Augenblick der Zündung
behindern kann, kann es zweckmäßig sein, in Nähe der Öffnung 20 eine Zündhilfselektrode
anzuordnen. In F i g. 2 ist die Anordnung einer solchen Zündhilfselektrode 22 dargestellt,
die über ein Isolierzwischenstück 23 an dem Behälter 14 der Ionenquelle befestigt
ist. Eine Verbindungsleitung 25 bringt diese Zündhilfselektrode22 im Augenblick
der Zündung des Lichtbogens auf ein gegenüber der Kathode positives Potential. Wenn
der Bogen gezündet hat und bis zu der Hilfselektrode 22 gelangt ist, kann er leicht
zu der Anode 13 übertreten, vorausgesetzt, daß diese gegenüber der Kathode auf einem
höheren positiven Potential als die Hilfselektrode 22 liegt. Wenn die Bogenentladung
zwischen der Kathode und der Anode 13 hergestellt ist, kann man vorzugsweise die
Zündhilfselektrode 22 auf das Kathodenpotential legen.
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Für einen stabilen und wirksamen Betrieb des elektromagnetischen Isotopentrenngeräts
muß die Potentialverteilung in der Ionenquelle entsprechend angepaßt und stabil
sein. In F i g. 3 ist die Potentialverteilung in einem Metalldampfbogen graphisch
dargestellt, in dem längs der CA-Achse die verschiedenen Bereiche des Bogens und
auf der CV-Achse die Spannungen an den verschiedenen Punkten des Bogens aufgetragen
sind. Im Bereich CPl liegt der Kathodenspannungsabfall, im BereichP@P2 der Spannungsabfall
im Plasma und im Bereich PQA der Anodenspannungsabfall. Im Punkt C befindet sich
die Kathode, im Punkt A die Anode der Bogenentladung. Man sieht, daß die an den
verschiedenen Punkten des Plasmas herausgezogenen Ionen infolge des Spannungsabfalls
im Bereich P,P2 nicht auf gleichem Potential liegen. Die Bahnen dieser verschiedenen
Ionen in dem Trennmagnetfeld hängen insbesondere von diesen ursprünglichen Spannungsdifferenzen
ab, und man wird dies berücksichtigen, indem man den Sammelschlitzen entsprechende
Form gibt. Damit das Gerät für die elektromagnetische Isotopentrennung entsprechend
arbeitet, ist es ferner notwendig, daß der Plasmabereich PA ständig vor dem Austrittsschlitz
der Ionenquelle liegt und daß die Potentiale an den verschiedenen Punkten des Plasmas
gegenüber den verschiedenen Elektroden des Geräts nicht schwanken. Zu . diesem Zweck
läßt es sich einrichten, daß das Potential des Mittelpunkts M der Nutzlänge des
Plasmas gleich dem Potential des Behälters ist, der den schlitzförmigen Austrittsspalt
der Ionenquelle enthält.
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In den gesamten vorstehenden Ausführungen ist angenommen, daß der
die öffnung 20 aufweisende Deckel 19 (F i g. 1) in Nähe der Anode angeordnet
ist; es ist jedoch auch möglich, diesen Deckel in Nähe der Kathode vorzusehen. In
diesem Fall muß die Anordnung der F i g. 2 so verstanden werden, daß die Teile 22,
23 und 25 in Nähe der Kathode angeordnet sind.
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In F i g. 4 ist ein Steuersystem dargestellt, daß dieseAufgabe zu
lösen gestattet. Die Bogenentladung 11 wird zwischen der Kathode
12 und der Anode 13
hergestellt. Die gesamte Entladungsstrecke ist
in dem Behälter 14 eingeschlossen, jedoch ist bei 15 ein Schlitz vorgesehen,
durch den der Strom 32 positiver Ionen austreten kann. Zur Vereinfachung der Darstellungsweise
ist jedoch in dieser Figur das Magnetfeld nicht dargestellt, das einmal zur Stabilisierung
des Bogens 11 und zum anderen der Abtrennung der positiven Ionen unterschiedlicher
Massen dient, die das Strahlenbündel 32 positiver Ionen bilden. Das Strahlenbündel
32 wird aus der Ionenquelle durch das elektrische Feld herausgezogen, das durch
den Trennschlitz 33 und Bündelungsschlitz 34 geschaffen ist, die an entsprechenden
Potentialen der Hochspannungsquellen 35 und 36 liegen. Dieses Bündel positiver Ionen
wird nach Trennung in dem Magnetfeld in Sammlern aufgefangen, von denen einer bei
37 dargestellt ist. Der Bogen 11 wird von der Spannungsquelle 38 gespeist.
Die Spannungen der Elektroden 12 und 13 und der verschiedenen Bereiche des Bogens
11 sind gegenüber den anderen Elektroden des Trenngeräts mittels der Spannungsquelle
39 festgelegt. Damit diese Spannungsquelle 39 wirksam sein kann, ist es notwendig,
daß die Kathode 12 von dem Behälter 14 isoliert ist; es wird daher vorgesehen, daß
die aus flüssigem Metall bestehende Kathode 12 in einem Isolierbehälter
40 enthalten ist. Eine durch die Spannungsquelle 42 gespeiste Heizeinrichtung
41 hält die Kathode auf einer geeigneten Temperatur, damit sich der Bogen 11 ausreichend
ausbilden kann. Das Potential am Mittelpunkt des Plasmas des Bogens 11 wird
durch die Sonde 43 erfaßt. Diese Spannung wird mit der Spannung des Behälters
14 in der Steuereinrichtung 44 verglichen. Diese Steuereinrichtung
44 wirkt auf die Spannungsquelle 39 derart, daß die Differenz zwischen der Spannung
des Mittelpunkts des Plasmas des Bogens 11 und der Spannung des Behälters 14 auf
Null eingeregelt wird. Zur Sicherstellung einer genauen Betriebsweise des Bogens
und insbesondere einer passenden Verteilung der Kathoden-Anoden- und Plasma-Spannungsabfälle
sowie der Konstanz des Spannungsabfalls P,PQ zwischen den beidseitigen Enden des
Plasmas nehmen Sonden 45 und 46 die Spannung an den Enden des Plasmas ab. Die Anzeigen
der Sonden 43, 45 und 46 und die Werte der Spannungen der Elektroden
12 und 13 sowie des von der Stromquelle 38 abgegebenen Stroms werden in eine Rechen-
und Steuereinrichtung 47 eingegeben, die auf die für die Speisung des Bogens vorgesehene
Stromquelle 38 und auf die für die Heizung der Kathode bestimmte Stromquelle 42
einwirkt, um das gewünschte Ergebnis zu erreichen. Sofern notwendig, kann man in
den Rechner 47 Informationen über die Temperatur der Kathode und die von der Stromquelle
42
abgegebene Leistung mittels Leiter 48 und 49 eingeben.
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Um zu vermeiden, daß die Sonden 43, 45 und 46 sich mit einer Schicht
des die Kathode bildenden Metalls bedecken, ist ferner vorgesehen, sie zu heizen,
um diesen Nachteil auszuschließen. Sie können daher durch von einem entsprechenden
Strom durchflossene Metallschleifen, durch innen geheizte gekapselte Elemente oder
durch einfache, einem entsprechend angeordneten, durch Strahlung oder Wärmeleitung
wirkenden Heizsystem ausgesetzte Elektroden gebildet sein, die jedoch von diesem
Heizsystem elektrisch isoliert sind. Die Notwendigkeiten der Steuerung des Potentials
des Bogens zwingen zur elektrischen Isolierung der Kathode 12 vom Behälter 14. Im
übrigen ist es wünschenswert, daß das die Kathode bildende Metall, das sich an den
Innenwandungen der Ionenquelle niederschlägt, von selbst durch Schwerkraft in die
Kathode zurückgelangen kann. Hierfür ist es notwendig, daß die Kathode, obwohl sie
von der Ionenquelle elektrisch isoliert ist, in dem unteren Bereich des Behälters
der Ionenquelle angeordnet ist und der Gesamtaufbau auf einer leicht über der Schmelztemperatur
des die Kathode bildenden Metalls liegenden Temperatur gehalten wird. Ferner müssen
die auf die Innenwandungen der Ionenquelle rieselnden Metalltropfen zur Kathode
zurückkehren, ohne zwischen dem Behälter und der Kathode Kurzschluß hervorzurufen.
Zu diesem Ergebnis gelangt man, indem man die Sammelabläufe entsprechend anordnet.
In F i g. 5 ist ein Ausführungsbeispiel einer solchen Anordnung dargestellt. Die
Kathode 12 befindet sich in einem Isolierstück 40, das seinerseits in dem Behälter
14 der Ionenquelle angeordnet ist. Der obere Teil des Isolierstücks 40 ist derart
ausgebildet, daß zwischen ihm und dem Behälter 14 ein Ablauf 53 gebildet ist. Das
von diesem Ablauf 53 aufgenommene Metall kehrt über den Überlauf 54 zur Kathode
zurück. Dieser Überlauf 54 ist derart angeordnet, daß das abfließende Metall keinen
ununterbrochenen Strahl, sondern vielmehr voneinander getrennte Tropfen 55 bildet.
Dieses Ergebnis erzielt man durch entsprechende Bemessung des Volumens des Ablaufs
53 und der Form des Überlaufs 54 unter Berücksichtigung der Viskosität und der Oberflächenspannung
des Metalls. Notfalls kann man noch in den Strom der Tropfen 55 isolierende Zwischenstücke
hinzusetzen.