DE3018623C2

DE3018623C2 - Beschleunigungsgitter

Info

Publication number: DE3018623C2
Application number: DE3018623A
Authority: DE
Inventors: Helmut 8025 Unterhaching Fränkle; Johann Dr. Hemmerich; Peter Dipl.-Phys. Dr. 5170 Jülich Kupschus
Original assignee: Kernforschungsanlage Juelich GmbH; Messerschmitt Bolkow Blohm AG
Current assignee: Forschungszentrum Juelich GmbH
Priority date: 1980-05-16
Filing date: 1980-05-16
Publication date: 1983-03-24
Also published as: FR2482777B1; FR2482777A1; US4439684A; GB2076220A; GB2076220B; CH650103A5; DE3018623A1; JPS5716389A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Beschleunigungsgitter, insbesondere für einen Ionenstrahl, bestehend aus mindestens einer am Außenrand an einem Träger befestigten Lochplatte mit einer Vielzahl von Durchgangsbohrungen mit untereinander ausgerichteten auf einen gemeinsamen Fokussierungspunkt gerichteten Mittelachse. Ein derartiges Beschleunigungsgitter ist z. B. aus der DE-OS 26 27 987 bereits bekannt.

Bekannte Beschleunigungsgitter dieser Art, wie sie etwa als lonenstrahlgitter in der Kernfusionstechnik Verwendung finden sollen und dann zumeist aus mehreren gekühlten, unter axialer Fluchtung ihrer Durchgangsbohrungen hintereinandergeschalteten Lochplatten bestehen, an denen ein jeweils unterschiedliches Hochspannungspotentia) anliegt, so daß die Ionen beim Passieren des Gitters zugleich hochbeschleunigt und fokussiert werden, sind aus ebenen, fest an einem Träger eingespannten Lochplatten oder -plattensegmenten zusammengesetzt und im Betrieb einer erheblichen thermischen Belastung und Wärmeexpansion unterworfen, unter deren Wirkung es zu einer breiten Streuung der Mittelachsen ihrer Durchgangsbohrungen am nominellen Fokussierungspunkt und

jo zwischen den einzelnen Lochplatten zu so großen Relativverschiebungen kommt, daß der zulässige Toleranzbereich im Plattenabstand überschritten wird und sich ein örtlich starker Mittelachsversatz zwischen den Durchgangsbohrungen benachbarter Lochplatten einstellt. Dies hat zur Folge, daß die ionenoptischen Eigenschaften des Beschlcunigungsgitters merklich gestört werden.

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Beschleunigungsgitter der beanspruchten Art so auszubilden, daß die durch die Wärmeexpansion im Lochplattenbereich verursachte Störwirkung möglichst kleingehalten wird und die Mittelachsverschiebung der Durchgangsbohrungen bezüglich des Fokussicrungspunktes eng begrenzt bleibt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei dem Beschieunigungsgitter der eingangs erwähnten Art dadurch gelöst, daß die Lochplatte(n) der Außenrandbefestigung vorgeschaltete, in Richtung der Flächenausdehnung der Platte elastische bezüglich der Lochplattenmitte gegenläufig federnde Randfelder aufweist bzw. aufweisen (wobei als gegenläufig federnd eine kompensatorische Federwirkung punktsymmetrisch zum Mittelpunkt des Gitters verstanden wird).

Durch diese besondere Art der federnden Aufhängung am Träger werden die einzelnen Lochplatten erfindungsgemäß derart räumlich stabilisiert, daß das Lochplattenzentrum bei einer thermisch bedingten Flächenexpansion seine Fluchtung zum Fokussierungspunkt beibehält und einen Fixpunkt bildet, auf den bezogen sich die Lochplatte zentralsymmetrisch und weitgehend restspannungsfrei ausdehnt.

Das heißt, es ist darauf zu achten, daß die Federwirkung der Randfelder bezogen auf den Mittelpunkt des Gitters symmetrisch ist. Dies bietet in

b5 Verbindung mit der Ausbildung der Randfelder als gerichtet elastische, platteneigene und materialgleiche Federelemente die Gewähr, daß ungesteuerte Verwerfungen oder Fehlorientierungen der Lochplattenfläche

unter der Einwirkung des Ionenstrahl vermieden und die Mittelachsabweichungen der Durchgangsbohrungen von dem raumfesten Fokussierungspunkt in engen Grenzen gehalten werden.

Eine im Hinblick auf die Wärmeexpansion besonders günstige Raumform der Lochplatte besteht in deren teilkugelförmiger Ausbildung mit dem Fokussierungspunkt als Krümmungsmittelpunkt, wodurch sichergestellt wird, daß die Lochplatte unter Hitzeeinwirkung raumkonform zum Krümmungsmittelpunkt aufweitet und dieser als gemeinsamer Schnittpunkt der Mittelachsen aller Durchgangsbohrungen erhalten bleibt.

Vorzugsweise ist die Lochplatte in Umfangsrichtung geschlossen von den elastischen Plattenfeldern umrandet, so daß auch bei einer lückenlos durchgehenden, hochgradig last- und formbeständigen Befestigung am Träger eine allseitige Wärmeexpansion der Lochplatte bezüglich des Lochplattenzentrums als träger- bzw. raumstabiler Fixpunkt gewährleistet wird.

Aus Gründen einer maßgenauen, von Eigenspannungen freien Lochplattenherstellung und -verankerung am Träger und einer hochspannungsgünstigen Formgebung mit glatten Oberflächen ohne Stoßfugen, Grate oder Befestigungsschrauben empfiehlt es sich, die Lochplatte unter integraler Anformung am Träger auf galvanoplastischem Wege, also durch ein kaltes Formgebungsverfahren, herzustellen, insbesondere, wenn in der Lochplattenfläche Kühlkanäle vorgesehen sind und der Träger als Kühlmittelverteiler ausgebildet ist.

In baulich und fertigungsgemäß einfacher Weise bestehen die elastischen Plattenfelder bevorzugt aus durch ein die Platte durchsetzendes Schutzmauer voneinander getrennten, federnd nachgiebigen Plattenstegen. Ein für diesen Fall besonders günstiges thermisch beaufschlagte Fliehe heran und sind gleichzeitig so schmal, daß die mechanische Festigkeit nicht wesentlich beeinträchtigt wird und Störungen im Feldverlauf vermieden werden. Zweckmäßigerweise gehen diese Trennfugen jeweils von Zwischenlochbereichen aus und zur Kühlung der Lochplatte ist ein Net7 von wellenförmigen Kühlkanälen vorgesehen, die alternierend mit den rechten bzw. linken Nachbarkanälen zusammentreffen.

Insbesondere bei Verwendung in der lonenstrahltechnik enthält das Beschleunigungsgitter vorzugsweise mehrere, jeweils unabhängig voneinander über federnd ausgebildete Randfelder in Strahlrichtung hintereinanderliegend am Träger befestigte, auf einen gemeinsamen Fokussierungspunkt ausgerichtete Lochplatten, und ein solches mehrschaliges Gitter garantiert aufgrund der besonderen, für alle Lochplatten gleichartig federnden, auch unter Wärmeexpansion hochgradig raumstabilen Plattenaufhängung eine äußerst präzise Mittelachsfluehtung der Durchgangsbohrungen unter Beibehalt eines gleichförmigen Plattenabstands, so daß selbst bei starker Aufheizung des Gitters störende Deformationen klein sind und eine im hohen Maße konzentrierte Strahlbündelung am raumkonstanten Fokussierungspunkt gewährleistet bleibt, und zwar vorzugsweise unter gleichzeitiger Strahlbeschleunigung zwischen den kugelförmigen Lochplatten in einem zu der Mittelarhsorientierung der Durchgangsbohrungen gleichgerichteten Hochspannungsfeld. Die Erfindung wird nunmehr anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 eine teilweise geschnittene (Schnittrichtung 1-1 von Fig. 2) Seitenansicht eines Fokussierungsgitters

Schlitzmuster, bei dem die elastischen Plattenfelder 35 nach der Erfindung und

nach Art von in der Lochplattenfläche wirksamen, Fi g. 2 die Aufsicht einer Lochplatte mit zugeordne

federnden Knautschzonen ausgebildet werden, umfaßt zweckmäßigerweise mindestens zwei, vorzugsweise drei, in Umfangsrichtung der Lochplatte parallel zueinander verlaufende, sich gegeneinander versetzt überlappende Schlitzreihen.

Eine andere, zweckmäßige Gestaltung der elastischen Plattenfelder wird dadurch erreicht, daß der ungelochte Plattenrand etwa senkrecht zur Flächenausdehnung der tem Träger.

Das in den Figuren gezeigte Beschleunigungssystem bestehend aus drei Gittern 2 mit vorgeschalteter, mit einem Kathodenkopf 4 und Permanentmagneten 6 bestückter Plasmakammer 8 enthält drei teilkugelförmige, in der Aufsicht (Fig.2) rechteckige Lochplatte 1OA, B, C gleichförmiger Wandstärke in konzentrischer Anordnung mit dem außerhalb der Fig. 1 liegenden

Platte abgebogen ist und die elastischen Plattenfelder 45 Fokussierungspunkt FaIs Krümmungsmittelpunkt. Jede

aus durch parallele, zum Plattenrand hin verlaufende

Schlitze im abgebogenen Plattenrand voneinander getrennten, federnd ausbiegbaren Plattenstegen bestehen, wodurch sich die Federcharakteristik der Plattenstege durch entsprechende Dimensionierung der Stegbreite und -länge einfach variieren läßt, die so sein soll, daß eine Auslenkung parallel zur Seitenkante bei •hermischer Belastung der Lochplattenfläche erfolgen kann, bevor letztere verformt wird. Zugleich läßt sich

senkrecht zur Flächenausdehnung der Lochplatte, also in Richtung des Fokussierungspunktes, eine äußerst stabile Abstützung über die elastischen Plattenfelder erzielen. Dabei sind zum weiteren Abbau von thermisch bedingten Restspannungen im Übergangsbereich zwischen den abgebogenen Plattenstegen und dem gelochten Plattenteil zweckmäßigerweise jeweils an die zum Plattenrand hin verlaufenden Schlitze anschließende Trennfugen vorgesehen, was im Hinblick auf eine ungehinderte Wärmeexpansion der Lochplatte im Bereich des Temperaturgradienten zwischen ionendurchströmtem Lochplattenteil und ihrem kühleren, am Träger befestigten Außenrand von besonderem Vorteil ist. Diese Trennfugen reichen möglichst nahe an die dieser Lochplatten ist auf galvanoplastischem Wege und unter integral fester Verbindung mit einem zugeordneten, ebenfalls rechteckförmigen Träger \2A B, C hergestellt und von einer Vielzahl von Durchgangsbohrungen 14 durchsetzt, deren Mittelachsen mit denen der Durchgangsbohrungen der benachbarten Lochplatten gemeinsamen Fokussierungspunkt F schneiden. Im ungelochten Teil außerhalb des Lochmusters ist jede Lochplatte mit in Richtung ihrer Flächenerstreckung elastischen Randfeldern 16, 18 versehen, die das Lochmuster in Umfangsrichtung geschlossen umranden und bei einer Wärmeexpansion der Lochplatte 10 zentralsymmetrisch zum Lochplattenzentrum Zfedernd nachgeben.

Die elastischen Randfelder 16 werden jeweils durch drei, parallel zueinander und zu den Schmalseiten der Lochplatte 10 verlaufende, gegeneinander versetzte Schlitzreihen 20, 22 und 24 gebildet, so daß die dazwischenliegenden, etwa doppel-U-förmigen Plattenb5 Stege 26 bei einer Wärmeexpansion der Lochplatte 10 zusammengedrückt werden und dabei die thermische Längenzunahme der Platte 10 zwischen dem jeweiligen Randfeld 16 und dem Plattenzentrum Z aufnehmen.

Die elastischen Randfelder 18 an den Plattenlängsseiten hingegen sind in dem mit sanftem Übergangsradius topfförmig abgebogenen Plaltenabschnitt 28, an dessen unterem Ende die Lochplatte 10 fest mit dem zugeordneten Träger 12 verbunden ist. ausgebildet und bestehen aus durch parallele, zum Rand hin verlaufende Schlitze 30 voneinander getrennten, aufrechten Platten-Stegen 32, die sich bei einer Aufheizung der Platte 10 federnd ausbiegen, und zwar an bezüglich des Plattenzentrums Z sich diametral gegenüberliegenden Stellen gleich weil und in entgegengesetzter Richtung.

Zur Entlastung von Restspannung an den Plattenlängsseiten sind jeweils an die Schlitze 30 anschließende, sich bis in die Nähe des Lochmusters in der Lochplattenfläche erstreckende Trennfugen 34 vorgesehen.

Die elastischen Randfelder 16, 18 sind zur Piasmakammer 8 hin durch eine Schutzscheibe 36 abgedeckt, die außerhalb des Lochmusters auf der obersten Lochplatte 104 aufliegt. Im Betrieb wird zwischen den Lochplatten 10 ein elektrisches Hochspannungsfeld angelegt, unter dessen Wirkung die Ionen beschleunigt und aufgrund der sphärischen Formgebung der Lochplatten 10 auf den Fokussierungspunkt /-"gebündelt werden. Die Wärmeexpansion der Lochplatien wird durch die elastischen Randfelder 16, 18 derart aufgenommen, daß das Lochplattenzentrum richtungsstabil bleibt, also im wesentlichen keine seitliche

ίο Verschiebung zum Träger 12 erfährt. Zur Kühlung der Lochplatten 10 sind am Träger 12 Kühlmiltelzu- und -ablaufstutzen 38, 40 vorhanden, an die (nicht gezeigte) die Lochplatte 10 durchsetzende Kühlmittelkanäle angeschlossen sind.

In Fig. 2 ist in der rechten unteren Ecke der Lochplatte ein bevorzugtes Kühlkanalnetz gestrichelt angedeutet und ferner angezeigt, daß die Trennfugen 34 insbesondere möglichst nahe an die thermisch beaufschlagte Fläche heranreichen sollen.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Beschleunigungsgitter, insbesondere für Ionen-Strahlen, bestehend aus mindestens einer am Außenrand an einem Träger befestigten Lochplatte (104, B, C) mit einer Vielzahl von Durchgangsbohrungen (14) mit untereinander ausgerichteten auf einen gemeinsamen Fokussierungspunkt (F) gerichteten Mittelachsen, dadurch gekennzeichnet, daß die Lochplatte^) (10) der Außenrandbefestigung vorgeschaltete, in Richtung der Flächenausdehnung der Platte elastische, bezüglich der Lochplattenmitte (Z) gegenläufig federnde Randfelder (16, 18) aufweist bzw. aufweisen.

2. Beschleunigungsgitter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lochplatte(n) (10) teilkugelförmig mit dem Fokussierungspun!· t (F) als Kugelmittelpunkt ausgebildet ist bzw. sind.

3. Beschleunigungsgitter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die LochpJalte(n) (10) in Umfangsrichtung geschlossen von den elastischen Plattenfeldern (16, 18) umrandet ist bzw. sind.

4. Beschleunigungsgitter nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die längs der Fläche mit Kühlkanälen versehene(n) Lochplatte(n) (10) galvanoplastisch hergestellt und integral am als Kühlmittelverteiler ausgebildeten Träger (12) angeformt ist bzw. sind.

5. Beschleunigungsgitter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlkanäle wellenförmig ausgebildet sind und alternierend mit dem rechten bzw. linken Nachbarkanal unter Bildung eines Kühlkanalnetzes zusammentreffen.

6. Beschleunigungsgitter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die elastischen Plattenfelder (16, 18) aus durch ein die Platte durchsetzendes Schlitzmuster (20, 22, 24, 30, 34) voneinander getrennten, federnd nachgiebigen Plattenstegen (26, 32) bestehen.

7. Beschleunigungsgitter nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Schlitzmuster mindestens zwei, in Umfangsrichtung der Lochplatte (10) parallel zueinander verlaufende, gegeneinander versetzt sich überlappende Schlitzreihen (20, 22, 24) aufweist.

8. Beschleunigungsgitter nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der ungelochte Plattenrand etwa senkrecht zur Flächenausdehnung der Platte (10) abgebogen ist und die elastischen Plattenfelder (18) aus durch parallele, zum Plattenrand hin verlaufende Schlitze (30) im abgebogenen Plattenrand (28) voneinander getrennten, federnd ausbiegbaren Plattenstegen (32) bestehen.

9. Beschleunigungsgitter nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß an jeden Schlitz (30) eine sich in den ungelochten Teil der Lochplattenfläche hinein erstreckende Trennfuge (34) anschließt.

10. Beschieunigungsgitter nach Anspruch 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennfugen (34) jeweils im Zwischenlochbereicb vorgesehen sind und möglichst nahe an die thermisch beaufschlagte Fläche heranreichen.

11. Beschleunigungsgitter nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Stege so dimensoniert sind, daß bei einer Wärmedehnung der thermisch beaufschlagten Fläche eine entsprechende Auslenkung parallel zur Seitenwand erreicht wird.