DE3045468C2 - Gas discharge electron ion source - Google Patents
Gas discharge electron ion sourceInfo
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Description
dadurch gekennzeichnet, daßcharacterized in that
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.g) the opening in the Ringatiode (1) is arranged in such a way that its axis of symmetry (3) is shifted with respect to the axis of symmetry of the interior (6) of the cylindrical hollow cathode (4) by a distance a which is the total value of the radius of the opening in the Anode (1) and the opening of the inner space (6) of the hollow cathode (4) does not exceed.
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.2. Electron ion source according to claim 1, characterized characterized in that the amount of displacement by the distance a is equal to the radius of the Opening of the interior (6) of the hollow cathode (4) is.
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.The invention relates to a gas discharge electron ion source with the features mentioned in the preamble of claim 1. Such gas discharge electron ion sources can be used successfully for electron beam welding or for machining workpieces.
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.There is known a gas discharge ion source which is a Penning cell and a ring anode Means for generating a homogeneous one running in the direction of the axis of symmetry of the opening in the anode Magnetic field near the anode, two arranged on different sides of the anode and with each other electrically coupled flat cathodes, one of which is provided with an emission cathode and an emission channel is, contains. There is an acceleration system opposite the exit opening of the emission channel. the opening in the first cathode, the opening in the anode, the emission channel and the acceleration system are arranged coaxially.
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 geThe value of a current generated by the accelerating system in this power source is small because a stable glow discharge without the formation of cathode spots in the Penning cell by a low one Density of charged particles in a unit of volume ge
kennzeichnet wird.is marked.
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).It is also a gas discharge electron ion source known of the type mentioned, in which, in contrast to the above-mentioned Penning cell, the The first cathode is designed in the form of a hollow cylinder, in which the direction of the axis of symmetry of the interior with the axial direction of the opening in the anode, the emission channel of the emission cathode and of the acceleration system coincides (see Μ.ύ. Αγιο denne "Tables for Applied Physics", Vol. 1.1973, P. 645).
Diese Quelle stellt ebenso wie die vorhergehende eine Quelle mit einer longitudinalen Extraktion von Teilchen aus einer Hohlkatoden-Reflexionsentladung dar.This source, like the previous one, represents a source with longitudinal extraction of particles from a hollow cathode reflection discharge.
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.It ensures that the electron extraction is quite effective due to the use of a cylindrical hollow cathode with a contraction the discharge to the axis of the emission channel promoting interior.
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.However, this source is characterized by a strong modulation of the electricity generated (approx. 80 to 100%). In a discharge chamber formed by the ring anode and the cathodes of the construction described, conditions for the occurrence of a ongoing azimuthal inhomogeneity is created in the discharge, which is why the generated current is self-contained a constant, through the acceleration system induced acceleration voltage as a modulated (pulse) current with a repetition frequency of 100 up to 20OkHz. This phenomenon makes the practical use of the in a number of cases difficult Source.
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 ErfindungThe invention is based on the object of creating a gas discharge electron ion source of the type mentioned at the outset which excludes modulation of an extracted stream of charged particles while ensuring that the extraction is quite effective.
The object set is according to the invention
durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs genannten Merkmale gelöst.solved by the features mentioned in the characterizing part of the claim.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist der Betrag der Verschiebung um den Abstand a gleich dem Halbmesser der öffnung des Innenraumes der Hohlkatode. According to a further development of the invention, the amount of the shift by the distance a is equal to that Radius of the opening of the interior of the hollow cathode.
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.The gas discharge electron ion source according to the invention ensures elimination of modulation of the generated electricity, a high efficiency of its generation, is simple in structure and reliable in the Job.
Die Erfindung ist im folgenden anhand der Beschreibung eines in der Zeichnung dargestellten konkreten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigtThe invention is detailed below with reference to the description of one shown in the drawing Embodiment explained in more detail. It shows
Fig. 1 schematisch eine Gasentladungs-Elektronen-Ionenquelle im Schnitt;1 schematically shows a gas discharge electron ion source on average;
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 denF i g. 2 is a plan view of a ring anode.
The gas discharge electron ion source contains a ring anode 1 (Fig. 1, 2) and a coaxially to this arranged permanent magnet 2, which acts as a means for generating a (dashed line) homogeneous magnetic field B near the anode, which in the direction of an axis of symmetry 3 of the Opening in the anode 1 runs. A cylindrical hollow node 4 and an emission cathode 5, which are electrically connected to one another, lie on different cables from the anode 1. The interior 6 of the cathode 4 and the emission channel 7 of the cathode 5 are coaxial, and their longitudinal axes run parallel to the
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,Field lines of the magnetic field B. An acceleration system, here an acceleration electrode 8, is arranged opposite the exit opening of the emission channel 7, equiaxed to this. The opening in the ring anode 1 is designed such that its axis of symmetry 3 is shifted with respect to the axis of symmetry of the interior 6 of the cathode 4 by a distance a which does not exceed the total value of the radius in the anode 1 and the interior 6 of the cathode 4 It is preferred to choose the distance a ίο equal to the value of the radius of the interior 6. Anode 1, magnet 2, cathodes 4, 5 and acceleration electrode 8 are enclosed in a housing 9 made of insulating material, which is secured by flanges 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 Entladungskammer11 is hermetically sealed from conductive material. In which by the effective areas of the anode 1, the space bounded by the cylindrical hollow cathode 4 and the emission cathode 5 is a discharge chamber
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.12 formed For supplying voltage to the electrodes (anode 1 and cathode 5) of the discharge chamber 12, a power source 13 located outside the housing 9 is used. A power source 13 is also used outside the housing 9 lying supply source 14 is to generate an acceleration voltage between the cathode 5 and the acceleration electrode 8 is provided. The connections of the sources 13, 14 are with the corresponding Electrodes of the electron ion source via hermetic implemented in the wall of the insulating housing 9 Bushings 15 connected.
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.The in F i g. 1 indicated polarity of the source 14 corresponds to the case of an electron extraction from the discharge. In case of need, ion frets! take off, the food source 14 is to be reversed.
Die Elektronen-Ionenquelle arbeitet wie folgt.The electron ion source works as follows.
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.The working gas flows into the discharge chamber 12 through the cathode compartment 6, up in this a pressure from 1.33 to 10 ~ 2 mbar is set.
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. When voltage is supplied between the cathodes 4, 5 and the anode 1 and when the above is generated Pressure in de: discharge chamber 12, a Penning discharge is initiated in this. With increasing current this Discharge when the extent of the cathode fall area is smaller than the radius of the opening of the interior 6 of the cathode 4, the plasma of the I'enning discharge penetrates into the interior 6. whereby a The hollow cathode effect is triggered, and the Penning discharge goes into a high plasma density In the axial direction of the inner rhyme, the hollow cathode reflection drainage is marked above. Since the axis of the cavity 6 of the cathode 4 with respect to the axis of Anode 1 is shifted. proves the area with a maximum discharge plasma density, which is always opposite the opening of the interior is fixed, also as shifted around the axis of the anode 1, and under these conditions the formation of an azimuthal circumferential inhomogeneity is difficult and Eliminates the modulation of the source output current. This is due to an inhomogeneity of the electric field in the volume of the discharge chamber 12.
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.The most favorable conditions are created when the axis offset is equal to the radius of the opening of the interior 6 is selected. In this case lies next to the elimination of the modulation of the output current the source maintains its high energetic effectiveness of electron extraction before.
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.Applying the Arscdc 1 with an axially displaced opening thus excludes a modulation of the generated current in the source described, what their practical area of application significantly expanded.
Die vorliegende Gasentladungs-Elektronen-Ionenqueile ist vorzugsweise zur Durchführung von Elektronenstrahlschweißen vorgesehen.The present gas discharge electron ion source is preferably intended for performing electron beam welding.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings
Claims (1)
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1980
- 1980-12-02 DE DE19803045468 patent/DE3045468C2/en not_active Expired
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