CH650103A5 - Beschleunigungsgitter. - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Beschleunigungsgitter, insbesondere für Ionenstrahlen, bestehend aus mindestens einer am Aussenrand an einem Träger befestigten Lochplatte mit einer Vielzahl von Durchgangsbohrungen mit untereinander ausgerichteten, vorzugsweise auf einen gemeinsamen Fokussierungspunkt gerichteten Mittelachsen.

Bekannte Beschleunigungsgitter dieser Art, wie sie etwa als Ionenstrahlgitter 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 Hochspannungspotential anliegt, so dass die Ionen beim Passieren des Gitters zugleich hochbeschleunigt und fokussiert werden, sind aus ebenen, fest an einem Träger eingespannten Lochplatten oder -plattenseg-menten 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 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 Beschleunigungsgitters 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 Fokussierungspunktes eng begrenzt bleibt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss bei dem Beschleunigungsgitter der eingangs erwähnten Art dadurch gelöst,

dass die Lochplatte der Aussenrandbefestigung vorgeschaltete, in Richtung der Flächenausdehnung der Platte elastische bezüglich der Lochplattenmitte gegenläufig federnde Randfelder aufweist (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 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 Ionenstrahls 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

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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 Schlitzmuster voneinander getrennten, federnd nachgiebigen Plattenstegen. Ein für diesen Fall besonders günstiges Schlitzmuster, bei dem die elastischen Plattenfelder nach Art von in der Lochplattenfläche wirksamen, 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 Platte abgebogen ist und die elastischen Plattenfelder 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 thermischer 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 ionendurch-strömtem Lochplattenteil und ihrem kühleren, am Träger befestigten Aussenrand von besonderem Vorteil ist. Diese Trennfugen reichen möglichst nahe an die thermisch beaufschlagte Fläche 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 Netz von wellenförmigen Kühlkanälen vorgesehen, die alternierend mit den rechten bzw. linken Nachbarkanälen zusammentreffen.

Insbesondere bei Verwendung in der Ionenstrahltechnik enthält die Beschleunigungsanordnung vorzugsweise mehrere, jeweils unabhängig voneinander über federnd ausgebildete Randfelder in Strahlrichtung hintereinanderliegend am Träger befestigte, auf einen gemeinsamen Fokussierungspunkt ausgerichtete Lochplatten, und ein solches mehrschali-ges Gitter garantiert aufgrund der besonderen, für alle Lochplatten gleichartig federnden, auch unter Wärmeexpansion hochgradig raumstabilen Plattenaufhängung eine äusserst präzise Mittelachsfluchtung 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 Lochpiatten in einem zu der Mittelachsorientierung der Durchgangsbohrun gen gleichgerichteten Hochspannungsfeld.

Die Erfindung wird nunmehr anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:

Figur 1 eine teilweise geschnittene (Schnittrichtung I-I von Figur 2) Seitenansicht einer Beschleunigungsanordnung nach der Erfindung; und

Figur 2 die Aufsicht einer Lochplatte mit zugeordnetem Träger.

Die in den Figuren gezeigte Beschleunigungsanordnung 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 Lochplatten 10A, B, C gleichförmiger Wandstärke in konzentrischer Anordnung mit dem ausserhalb der Figur 1 liegenden Fokussierungspunkt F als Krümmungsmittelpunkt. Jede dieser Lochplatten ist auf galvanoplastischem Wege und unter integral fester Verbindung mit einem zugeordneten, ebenfalls rechteckförmigen Träger 12A, B, C hergestellt und von einer Vielzahl von Durchgangsbohrungen 14 durchsetzt, deren Mittelachsen mit denen der Durchgangsbohrungen der benachbarten Lochplatten fluchten und sich in dem für alle 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 Z federnd 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 dop-pel-U-förmigen Plattenstege 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 topfför-mig abgebogenen Plattenabschnitt 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 Plattenstegen 32, die sich bei einer Aufheizung der Platte 10 federnd ausbiegen, und zwar an bezüglich des Plattenzentrums Z sich diametral gegenüberliegenden Stellen gleich weit und in entgegengesetzter Richtung.

Zur Entlastung von Restspannungen 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 Plasmakammer 8 hin durch eine Schutzscheibe 36 abgedeckt, die ausserhalb des Lochmusters auf der obersten Lochplatte 10A 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 F gebündelt werden. Die Wärmeexpansion der Lochplatten wird durch die elastischen Randfelder 16,18 derart aufge-

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nommen, dass das Lochplattenzentrum richtungsstabil bleibt, also im wesentlichen keine seitliche Verschiebung zum Träger 12 erfährt. Zur Kühlung der Lochplatten 10 sind am Träger 12 Kühlmittelzu- und -ablaufstutzen 38,40 vorhanden, an die (nicht gezeigte) die Lochplatte 10 durchsetzende Kühlmittelkanäle angeschlossen sind.

In Figur 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 sol-5 len.

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1 Blatt Zeichnungen

Claims (12)

650 103 PATENTANSPRÜCHE

1. Beschleunigungsgitter, insbesondere für Ionenstrahlen, bestehend aus mindestens einer am Aussenrand an einem Träger befestigten Lochplatte mit einer Vielzahl von Durchgangsbohrungen mit untereinander ausgerichteten, auf einen gemeinsamen Fokussierungspunkt gerichteten Mittelachsen, dadurch gekennzeichnet, dass die Lochplatte (10) der Aussen-randbefestigung vorgeschaltete, in Richtung der Flächenausdehnung der Platte elastische, bezüglich der Lochplattenmitte (Z) gegenläufig federnde Randfelder (16,18) aufweist.

2. Beschleunigungsgitter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lochplatte(n) (10) teilkugelförmig mit dem Fokussierungspunkt (F) als Kugelmittelpunkt ausgebildet ist bzw. sind.

3. Beschleunigungsgitter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Lochplatte(n) (10) in Umfangsrich-tung 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 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 Plattenstégen (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. Beschleunigungsgitter nach Anspruch 8 und 9,

dadurch gekennzeichnet, dass die Trennfugen (34) jeweils im Zwischenlochbereich vorgesehen sind und möglichst nahe an die thermisch beaufschlagte Fläche heranreichen.

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

12. Beschleunigungsanordnung mit Beschleunigungsgittern nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch mehrere, jeweils unabhängig voneinander über federnd ausgebildete Randfelder (16,18) in Strahlrichtung hiotereinanderliegend am Träger (12) befestigte, auf einen gemeinsamen Fokussierungspunkt (F) ausgerichtete Lochplatten (10A, B, C).