DE1220940B - Ionenquelle - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. CL:

HOSh

G21g

Deutschem.: 21g-21/01

Nummer: 1220940

Aktenzeichen: U 9592 VIII c/21 g

Anmeldetag: 19. Februar 1963

Auslegetag: 14. Juli 1966

Die Erfindung bezieht sich auf Ionenquellen, bei welchen Ionen durch Kollision zwischen den Elektronen und den Gasmolekülen in einer elektrischen Gleichstrom-Gasentladung entstehen, mit einer hohlzylindrischen Anode, an deren beiden offenen Stirnselten mit Abstand gleichachsig zwei flächenförmige Kithoden angeordnet sind, die auf gleichem- Potential liegen und von denen die eine mindestens eine Aistrittsöffnung für die Ionen aufweist.

Die Erfindung findet insbesondere Anwendung bei Vorrichtungen zum Ausführen oder Auslösen einer Kernreaktion durch Beschießen eines Targets mit Hochenergieionen in einem Ionenstrahl, wobei die Ionen in einem Plasma einer Ionenquelle erzeugt und über eine Beschleunigungskammer bzw. einen Beschleunigungsspalt beschleunigt werden, welcher Gas mit im wesentlichen dem gleichen Druck wie demjenigen des Gases in der Ionenquelle enthält.

Eine Vorrichtung der obengenannten Art erfordert keine Pumpeinrichtung (Vakuumpumpe), um den ao Gasdruck im Beschleunigungsspalt niedrig zu halten, und demzufolge können Ionenquelle und Beschleunigungsspalt in einer gemeinsamen abgedichteten Umhüllung enthalten oder eingeschlossen sein.

Die Vorrichtung findet in erster Linie Verwendung als Neutronengenerator, und in diesem Falle sind die bevorzugten Kernreaktionen sogenannte DT- und DD-Reaktionen, und es ist eine Gasdruckregeleinrichtung in der abgedichteten Umhüllung vorgesehen, um den Gasverbrauch bei der Kernreaktion oder den Gasverlust durch Absorption an oder auf festen (oder massiven) Flächen auszugleichen.

Bei einer derartigen Vorrichtung ist unbedingt eine Ionenquelle erforderlich, die bei sehr niedrigen Gasdrücken bis herab zu 10 ■ 10~³ Torr arbeiten kann. Da die mittlere freie Weglänge der Elektronen bei den zu verwendenden niedrigen Gasdrücken groß ist, ist es unbedingt erforderlich, eine Vorrichtung zu schaffen, die die Lebensdauer der Elektronen ausreichend verlängert.

Eine Ausführungsform von Ionenquellen, welche bisher für diesen Zweck verwendet worden sind, bestdht im wesentlichen aus zwei Kathoden, die einander von entgegengesetzten Seiten der Ionenquelle zugewandt sind, aus einer zylindrischen Anode, die zwischen den Kathoden angeordnet ist, wobei ihre Enden den Kathoden zugewandt sind oder gegenüberstehen, sowie aus einem Magneten oder Elektronmagneten zur Erzeugung eines Magnetfeldes, welches das Plasma durchdringt und die gleiche Richtung wie die Achse der zylindrischen Anode hat. Die beiden Kathoden erzeugen eine Potentialmulde, Ionenquelle

Anmelder:

United Kingdom Atomic Energy Authority,

London

Vertreter:

Dipl.-Ing. E. Schubert, Patentanwalt,

Siegen, Eiserner Str. 227

Als Erfinder benannt:

James David London, Hedley Wood, St. Ives,

Letchworth, Hertfordshire (Großbritannien)

Beanspruchte Priorität:

Großbritannien vom 20. Februar 1962 (6503)

in welcher Elektronen innerhalb der zylindrischen Anode hin- und herschwingen können, und das Magnetfeld zwingt die Elektronen in schraubenlinienförmige Wege und vergrößert die Länge der Wege, die sie durchwandern, bevor sie durch die Anode eingefangen werden.

Das Plasma ist ein elektrisch leitendes Medium, da es im wesentlichen aus positiven Ionen und Elektronen besteht, und daher endigen elektrostatische Feldlinien an seiner Grenze und erstrecken sich nicht in sein Inneres. Das Magnetfeld kann das Plasma durchdringen und übt daher einen Zwang auf das ganze Plasma aus, welches dadurch seine optimale Wirkung hat, und es gilt allgemein als unbedingt erforderlich, daß dieser Einfluß so gleichmäßig wie möglich in dem Plasma zur Wirkung kommt.

Bisher ist das Magnetfeld das einzige bekannte Mittel gewesen, das verwendet wurde, um zu verhindern, daß geladene Teilchen entweichen und zu den Wänden der Ionenquelle diffundieren, und um die Bewegungsrichtungen der Elektronen einzuzwängen. Dieses Magnetfeld kann am besten entweder durch einen Permanentmagneten innerhalb der abgedichteten Umhüllung oder durch eine elektromagnetische Spule erzeugt werden, die sich außerhalb der abgedichteten Umhüllung befindet.

Bei beiden der vorstehend genannten Arten von Magnetänordnungen treten jedoch Nachteile auf. Starke Permanentmagnete bestehen gewöhnlich aus gesintertem Metall und enthalten bedeutende Men-

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gen von Gas in ihren Hohlräumen. Ein derartiges Gas hat die Tendenz, unter den niedrigen Druckbedingungen, die in dem Generator herrschen, frei zu werden, und kann daher unerwünschte Verunreinigungen einführen, welche die Leistung des Generators erheblich verschlechtern können.

Durch die Außenanordnung wird der Umfang und der Raumbedarf des Rohres wesentlich vergrößert, was Komplikationen für die Konstruktion der Ionenquelle mit sich bringt, da.dann eine besondere Bauweise für das Rohr erforderlich ist, um ein Abschirmen zu vermeiden, durch welche der Eintritt des Magnetfeldes in das Innere der Ionenquelle und das Plasma verhindert wird.

Die Erfindung schafft eine Ionenquellenanordnung, welche nicht die Verwendung eines Magnetfeldes erfordert und daher die im vorstehenden genannten Nachteile nicht aufweist.

Die Erfindung besteht darin, daß bei einer Ionenquelle, wie sie eingangs definiert ist, eine, bezogen auf die Kathoden, negative Elektrode vorhanden ist, _(i die den Spalt zwischen der Kathode ohne Öffnung und der Anode, diese Kathode und einen Teil der Anode umhüllt und gleichachsig zu den übrigen Elektroden angeordnet ist.

Die Wirkung dieser negativen Elektrode ist höchst ._- unerwartet im Hinblick auf die bekannten Eigenschaften des Plasmas. Bei den niedrigen Gasdrücken, die normalerweise verwendet werden, erstreckt sich das Plasma bis auf Entfernungen von einigen 10~³ mm an die Kathode heran, und daher werden _?!_ die durch die Kathode ausgeschickten Elektroden beinahe sofort durch das Plasma verschluckt und sollten daher gegen das. Feld der negativen Elektrode abgeschirmt werden. Es ist offensichtlich, daß die Anode selbst das Plasma gegen jedes äußerliche .... elektrische Feld abschirmen muß, und es wäre zu erwarten, daß das Verhalten des Plasmas daher nur durch das Feld bestimmt wäre, welches von der Anode und der Kathode ausgeübt wird, und daß das System sich einfach als Ionenquelle verhalten würde, welche kein Magnetfeld hat. Wie aus der Arbeit von Penning wohlbekannt ist, würde man erwarten, daß der Gasdruck, welcher zur Erzeugung von Ionen in irgendeiner brauchbaren Menge erforderlich ist, ungefähr das Tausendfache des Drucks ist, der in Gegenwart des Magnetfeldes verwendet werden könnte.

Im Gegensatz hierzu hat sich herausgestellt, daß die Anwendung des elektrischen Feldes, wie sie im vorstehenden genannt ist, einen starken Einfluß auf die ganze Ionenquelle hat und daß auf das Magnetfeld völlig verzichtet werden kann.

Die Ionenquelle kann entweder eine solche der Kaltkathodenbauart oder eine solche der Heißkathodenbauart sein. Bei der Kaltkathodenbauart ist jede Kathode mit einer zusätzlichen negativen Elektrode versehen.

Die Erfindung soll nunmehr an Hand der sie beispielsweise wiedergebenden Zeichnung näher erläutert werden, und zwar zeigt

Fig. 1 einen Schnitt durch einen Neutronengenerator,

F i g. 2 die Plasmaimpedanz bei 2 · 10~² Torr Deuteriumdruck,

F i g. 3 Abänderungen der Plasmaspannung in Abhängigkeit von der Spannung an der abschirmenden negativen Elektrode,

F i g. 4 die Beziehung von Targetstrpm zu Gas druck,

F i g. 5 die Beziehung zwischen Targetstrom um Targetspannung,

Fig. 6 den Neutronenstrom als Funktion de Targetspannung, während

Fig. 7 die Neutronenausbeute als Funktion de Spannung an der negativen Abschirmelektrode dar stellt.

Eine Oxyd-Heißkathode 1 auf Erdpotential, die ai Halteleitungen 2 befestigt ist, ist von einer zylindri sehen negativen Elektrode 3, im folgenden als Ab schirmelektrode bezeichnet, umgeben, die an eine Verbindungsleitung_4. befestigt ist. Eine, zylindrisch Anode 5 sitzt auf einer Halteleitung 6. Alle Halte leitungen führen durch einen Quetschfuß 7 eine Glasumhüllung 8. Eine Extraktorkathode 9 auf Erd potential mit Austrittsöffnungen für die Ionen is zwischen der Anode 5 und einem Target 10 ange bracht. Leitungen 11 sind mit dem Target 10 verbun den, welches aus mit Tritium versetztem Titan au Molybdänbasis besteht. Eine Vorratsvorrichtung ΐ. für Deuterium ist in einem Glasverlängerungsrohr II und erne Vakuummeßvorrichtung 14 ist in einem an deren Glasverlängerungsrohr 15 enthalten, derei Inneres unmittelbar mit dem Raum innerhalb de Umhüllung 8 in Verbindung steht.

Ein durchsichtiger Plastikbehälter 16 schützt dei Glasbehälter 8, und ein Koronaschild 17 bedeckt da eine Ende des Behälters 16.

Der beschriebene Generator ist zur Verwendung als kontinuierlicher Generator geeigneter als ein dis kontinuierlicher Generator.

Der Betrieb des Rohrs bei Gleichstrom wurdi untersucht.

Die untersuchten Betriebsniveaus lagen im Bereicl von:

Druck IO-² bis 4 · ΙΟ"² Torr

Plasmastrom 0,4 bis 2,0 mA

Plasmaspannung .,

Abschirmspannung

+ 9 bis +35 in bezug
auf die Kathode

— 2 bis -200 in bezug
auf die Kathode

Targetspannung —10 bis —90 kV in bezug

auf die Kathode

In F i g. 2 ist die Änderung der Plasmaspannunj in Abhängigkeit vom Plasmastrom aufgetragen, wo bei die Abschirmspannungen von —100 bi —200 Volt und die Targetspannungen von 50 bi 90 kV variieren. Der Druck betrug 2 · 10~² Torr. E zeigt sich, daß bis zu 1 mA Plasmastrom die Impe danz am Plasma stetig zunimmt. Über 1 mA ist dl· Impedanz ziemlich konstant bis zu 1,7 mA; übe 1,7 mA fällt die Impedanz. Eine Wegnahme de Targetspannung scheint keine merkliche Änderunj in der Plasmaimpedanz zu erzeugen.

F i g. 3 zeigt die Abhängigkeit der Plasmaspannunj (oben) und des Abschirmstromes (unten) von de Abschirmspannung für 1 mA Plasmastrom be Drücken von 10~² bis 4 · 10~² Torr. Es ist darau hinzuweisen, daß während der Periode, wo Ablesun gen gemacht wurden, keine Targetspannung angeleg wurde.

Fig. 4 zeigt die Abhängigkeit des Targetstroms vom Druck. Die Abschirmelektrode wurde an —200 Volt gelegt. Parameter ist die Targetspannung.

F i g. 5 zeigt eine Änderung des Targetstroms mit der Spannung. Parameter sind die Abschirmspannung und die Stromentnahme aus dem Plasma. Der Druck betrug 2 · 10~² Torr. Es ist ersichtlich, daß die graphische Darstellung in zwei Gruppen einzuteilen ist. Die drei Hochniveaugeraden wurden erhalten, als der Plasmastrom zwischen 1,5 und 2,0 mA eingestellt war. Die drei unteren Kurven wurden erhalten, als der Plasmastrom zwischen 1,1 und 1,3 mA lag. Es besteht ein kleiner Unterschied in der Neigung der Geraden zwischen den beiden Abschnitten, der nicht leicht zu erklären ist.

F i g. 6 zeigt die Neutronenausbeute als Funktion der Targetspannung bei einer Spannung von

— 100 V an der Abschirmelektrode, einem Plasmasü;om von 1,1 mA und einem Druck von 2 · 10~² Torr. Es ist zu beachten, daß der Ionen- ao strahl mit zunehmender Spannung an der negativen Abschirmelektrode im Durchmesser abnimmt. Es ist ohne Zweifel ein Vorteil, die Ionenquelle in einem Durchmesser unterzubringen, der demjenigen des Targets gleich ist, und zwar wegen der verstärkten Leistungsfähigkeit des Rohrs. Es ist jedoch möglich, das Abschirmpotential zu erhöhen, bis schließlich die Ionen in einem bleistiftförmigen Strahl konzentriert sind, welcher über einen kleinen Bereich der Targetfläche arbeitet, wodurch aber eine Beschädigung verursacht wird.

F i g. 7 zeigt die Neutronenausbeute als Funktion der Abschirmspannung. Die Targetspannung ist 50 kV, der Plasmastrom 1 mA und der Gasdruck 2 · 10~² Torr. Es ist ersichtlich, daß die Neutronenausbeute mit zunehmender Spannung an der negativen Abschirmelektrode im Bereich von —25 bis

— 100 V ansteigt.

Ein Versuch bei 90 kV Targetspannung und -20OVoIt an der negativen Abschirmelektrode erzeugte eine Neutronenausbeute von 10⁸ Neutronen je Sekunde.

Es ist sehr lehrreich, diese Ausbeuten mit den Ausbeuten zu vergleichen, die mit einem der bekannten Neutronengeneratoren erhalten wurde, welche eine Magnetspule verwenden, um das Plasma magnetisch einzuschnüren. Bei Gleichstrombetrieb betrug die Neutronenausbeute bei dem bekannten Neutronengenerator mit 70 kV Targetspannung, 1 mA Plasmastrom und 200 Gauß Magnetfeld 10⁷ Neutronen je Sekunde. Dies ist in der gleichen Größenordnung, wie sie mit dem Generator unter Verwendung der vorliegenden Erfindung erzielt wurde.

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Ionenquelle, bei welcher Ionen durch Kollision zwischen den Elektronen und den Gasmolekülen in einer elektrischen Gleichstrom-Gasentladung entstehen, mit einer hohlzylindrischen Anode, an deren beiden offenen Stirnseiten mit Abstand gleichachsig zwei flächenförmige Kathoden angeordnet sind, die auf gleichem Potential liegen und von denen die eine mindestens eine Austrittsöffnung für die Ionen aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß eine den Spalt zwischen der Kathode (1) ohne Öffnung und der Anode (5), diese Kathode (1) und einen Teil der Anode (5) umhüllende und, bezogen auf die Kathoden, negative Elektrode (3) gleichachsig zu den übrigen Elektroden angeordnet ist.

2. Ionenquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine zweite in bezug auf die Kathoden negative Elektrode um den Spalt zwischen Ionenextraktionskathode (9) und Anode (5) herum angeordnet ist.

3. Anwendung der Ionenquelle nach Anspruch 1 oder 2 in einem vakuumdicht abgeschlossenen Neutronengenerator mit einer eingebauten Gasdruckregeleinrichtung und einem Target gegenüber der Ionenextraktionskathode.

In Betracht gezogene Druckschriften:

Deutsche Auslegeschrift Nr. 1100 189;

Die Technik, 11. Jahrgang, 1956, H. 2, S. 66 bis 72;

Atomkernenergie, 1956, H.

4, S. 121, 122;

Kernenergie, Bd. 4, Januar 1961, S. 71 bis 74;

Nudear Instr. & Methods, Vol. 10, 1961, S. 263 bis 271.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

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