DE3045468C2

DE3045468C2 - Gasentladungs-Elektronen-Ionenquelle

Info

Publication number: DE3045468C2
Application number: DE19803045468
Authority: DE
Inventors: Sergej Ivanovi&ccaron; Tomsk Beljuk; Anatolij Fedorovi&ccaron; Saratov Dzjuba; Sergej Vasil'evi&ccaron; Gavrincev; Vladimir Alekseevi&ccaron; Gruzdev; Vladimir Petrovi&ccaron; Kok&scaron;arov; Julij Efimovi&ccaron; Krejndel
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1980-12-02
Filing date: 1980-12-02
Publication date: 1985-05-09
Also published as: DE3045468A1

Description

dadurch gekennzeichnet, daß

g) die Öffnung in der Ringatiode (1) derart angeordnet ist, daß ihre Symmetrieachse (3) bezüglich der Symmetrieachse des Innenraumes (6) der zylindrischen Hohlkatode (4) um einen Abstand a verschoben ist, der den Gesamtwert der Halbmesser der öffnung in der Anode (1) und der öffnung des Irnenrau-'-ies (6) der Hohlkatode (4) nicht überschreitet.

2. Elektronen-Ionenquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Betrag der Verschiebung um den Abstand a gleich dem Halbmesser der Öffnung des Innenraumes (6) der Hohlkatode (4) ist.

Die Erfindung betrifft eine Gasentladungs-Elektronen-Ionenquelle mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Merkmalen. Solche Gasentladungs-Elektronen-Ionenquellen können für das Elektronenstrahlschweißen oder für die Bearbeitung von Werkstücken mit Erfolg eingesetzt werden.

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 öffnung in der Anode, der Emissionskanal und das Beschleunigungssystem sind gleichachsig angeordnet.

Der Wert eines durch 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 ge

kennzeichnet wird.

Es ist auch eine Gasentladungs-Elektronen-Ionenquelle der eingangs genannten Art bekannt, in der zum Unterschied von der oben genannten 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 zusammenfällt (s. Μ.ύ. Αγιο denne »Tabellen zur angewandten Physik«, Bd. 1,1973, S. 645).

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 Elektronenausziehung auf Grund der Anwendung einer zylindrischen Hohlkatode mit einem eine Zusammenziehung der Entladung zur Achse des Emissionskanals hin fördernden Innenraum.

Diese Quelle zeichnet sich aber durch eine starke 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 um- laufenden azimutalen Inhomogenität in der Entladung geschaffen, weshalb sich der erzeugte Strom selbst bei einer gleichbleibenden, durch das Besohleunigungssystem induzierten Beschleunigungsspannung als modulierter (Impuls)-Strom mit einer Folgefrequenz von 100 bis 20OkHz erweist. Diese Erscheinung erschwert in einer Reihe von Fällen die praktische Benutzung der Quelle.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Gasentladungs-Elektronen-Ionenquelle der eingangs genannten Art zu schaffen, die eine Modulation eines extrahierten Stroms von geladenen Teilchen unter Sicherung einer recht hohen Effektivität der Extraktion ausschließt.
Die gestellte Aufgabe wird gemäß der Erfindung

durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs genannten Merkmale gelöst.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist der Betrag der Verschiebung um den Abstand a gleich dem Halbmesser der öffnung des Innenraumes der Hohlkatode.

Die erfindungsgemäße Gasentladungs-Elektronenlonenquelle sichert die Eliminierung einer Modulation des erzeugten Stroms, eine hohe Effektivität seiner Erzeugung, ist einfach im Aufbau und zuverlässig bei der Arbeit.

Die Erfindung ist im folgenden anhand der Beschreibung eines in der Zeichnung dargestellten konkreten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 schematisch eine Gasentladungs-Elektronen-Ionenquelle im Schnitt;

F i g. 2 eine Draufsicht einer Ringanode.
Die Gasentladungs-Elektronen-Ionenquelle enthält eine Ringanode 1 (Fig. 1, 2) und einen koaxial zu dieser angeordneten Dauermagneten 2, der als Mittel zur Erzeugung eines (gestrichelt gezeigten) homogenen Magnetfeldes B in Anodennähe wirkt, das in Richtung einer Symmetrieachse 3 der öffnung in der Anode 1 verläuft. Auf verschiedenen Seilen von der Anode 1 liegen eine zylindrische Hohlkniodc 4 und eine Emissionskatode 5, die miteinander elektrisch verbunden sind. Der Innenraum 6 der Katode 4 und der Emissionskanal 7 der Katode 5 liegen koaxial, und deren Längsachsen verlaufen parallel zu den

Feldlinien des Magnetfeldes B. Gegenüber der Austrittsöffnung des Emissionskanals 7 ist gleichachsig zu diesem ein Beschleunigungssystem, hier eine Beschleunigungselektrode 8, angeordnet. Die Öffnung in der Ringanode 1 ist derart ausgeführt, daß ihre Symmetrieachse 3 bezüglich 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 überschreitet Es ist bevorzugt, den Abstand a ίο 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 Isolierstoff eingeschlossen, das durch Flansche 10,

11 aus leitendem Material hermetisch abgedichtet ist. In dem durch die wirksamen Flächen der Anode 1, der zylindrischen Hohlkatode 4 und der Emissionskatode 5 begrenzten Raum ist eine Entladungskammer

12 gebildet Zur Spannungszuführung zu den Elektroden (Anode 1 und Katode 5) der Entladungskammer 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 An-Schlüsse der Quellen 13, 14 sind mit den entsprechenden Elektroden der Elektronen-Ionenquelle über in der Wand des Isoliergehäuses 9 ausgeführte hermetische Durchführungen 15 verbunden.

Die in F i g. 1 angedeutete Polarität der Quelle 14 entspricht dem Fall einer Elektronenextraktion aus der Entladung. Bei der Notwendigkeit, ein Ionenbünde! auszuziehen, ist die Speisequelie 14 umzupolen.

Die Elektronen-Ionenquelle arbeitet wie folgt.

Das Arbeitsgas strömt in die Entladungskammer 12 durch den Katodenraum 6 ein, bis sich in dieser ein Druck von 1,33 - 10~²mbar eingestellt ist.

Bei Spannungszuführung zwischen den Katoden 4, 5 und der Anode 1 und bei der Erzeugung des genannten Drucks in de: Entladungskammer 12 wird in dieser eine Penning-Entladung iniziiert. Mit steigendem Strom dieser Entladung, wenn die Ausdehnung des Katodenfallgebicts kleiner als der Halbmesser der Öffnung des Innenraumes 6 der Katode 4 wird, dringt das Plasma der I'enning-Entladung in den Innenraum 6 ein. wodurch ein Hohlkatodeneffekt ausgelöst wird, und die Penning-Entladung geht in eine dtJrch eine hohe Plasmadichte in Achsrichtung des Innenreimes gekennzeichnete Hohlkatoden-Reflexionsentlatiung 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 Entladungsplasmadichte, das stets gegenüber der öffnung 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 Eleseitigung der Modulation des Ausgangsstromes der Quelle zur Folge. Dies ist auf eine Inhomogenität des elektrischen Feldes im Volumen der Entladungskammer 12 zurückzuführen.

Die günstigsten Bedingungen werden geschaffen, wenn die Achsenversetzung gleich dem Halbmesser der öffnung des Innenraumes 6 gewählt ist. In diesem Fall liegt neben der Beseitigung der Modulation des Ausgangsstroms der Quelle eine Aufrechterhaltung ihrer hohen energetischen Effektivität der Elektronenextraklion vor.

Die Anwendung der Arscdc 1 mit einer axial verschobenen öffnung schließt also in der geschilderten Quelle eine Modulation des erzeugten Stroms aus, was deren praktischen Anwendungsbereich wesentlich erweitert.

Die vorliegende Gasentladungs-Elektronen-Ionenqueile ist vorzugsweise zur Durchführung von Elektronenstrahlschweißen vorgesehen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Gasentladungs-Elektronen-Ionenquelle, enthaltend

a) eine Ringanode,

b) ein Mittel zur Erzeugung eines in Richtung der Symmetrieachse der öffnung in der Anode verlaufenden homogenen Magnetfeldes in Anodennähe,

c) eine zylindrische Hohlkatode und eine mit dieser elektrisch verbundene Emissionskatode, die auf verschiedenen Seiten der Anode liegen,

d) einen zylindrischen Innenraum der Hohlkatode, dessen Symmetrieachse parallel zu den Feldstärkelinien des homogenen Magnetfeldes verläuft,

e) einen gleichachsig zum Innenraum der Hohlkatode liegenden Emissionskanal in der Emissionskatode, und

f) ein Beschleunigungssystem gegenüber der Austrittsöffnung des Emissionskanals,