DE10014034A1 - Plasma-Beschleuniger-Anordnung - Google Patents

Abstract

Für eine Plasma-Beschleuniger-Anordnung mit einem in eine Plasma-Kammer eingeleiteten gebündelten Elektronenstrahl wird eine ringförmige Struktur der Kammer und eine Hohlzylinderform des Elektronenstrahls vorgetragen. Ein strahlführendes Magnetsystem und ggf. ein Elektrodensystem ist vorzugsweise mehrstufig in angepaßter toroidaler Form ausgebildet.

Description

Die Erfindung betrifft eine Plasma-Beschleuniger-Anordnung mit einer Plasma- Kammer um eine Längsachse, mit einer Elektrodenanordnung zur Erzeugung eines elektrischen Potentialgefälles für positiv geladene Ionen über eine Be­ schleunigungsstrecke parallel zur Längsachse und mit Mitteln zur Einleitung eines gebündelten Elektronenstrahls in die Plasma-Kammer und dessen Füh­ rung durch ein Magnetsystem. Eine derartige Anordnung ist beispielsweise aus der DE 198 28 704 A1 beschrieben. Die Ausführungen in dieser Schrift werden hiermit ausdrücklich als Bestandteil der Offenbarung der vorliegenden Erfin­ dung mit einbezogen, ohne die Angaben aus dieser Schrift alle im einzelnen zu wiederholen.

Bei der bekannten Anordnung ist eine kreiszylindrische Plasma-Kammer vor­ gesehen, in welche ein von einer Strahlerzeugungs-Einrichtung generierter, scharf gebündelter Elektronenstrahl entlang der Zylinderlängsachse eingeleitet ist. Der Elektronenstrahl ist entlang der Zylinderachse durch ein Magnetsystem geführt, welches insbesondere durch abwechselnde Polung aufeinanderfolgen­ der Abschnitte gekennzeichnet sein kann. Die mit hoher Geschwindigkeit in die Plasma-Kammer eingeleiteten Elektronen des Elektronenstrahls durchlaufen entlang der Längsachse der Plasma-Kammer eine Potential-Differenz, welche bremsend auf die Elektronen des Elektronenstrahls wirkt. Der Plasma-Kammer ist ein ionisierbares Gas, insbesondere eine Edelgas zugeführt, welches durch die Elektronen des eingeleiteten Elektronenstrahls sowie durch Sekundärelek­ tronen ionisiert wird. Die dabei entstehenden positiven Ionen werden entlang der Längsachse der Plasma-Kammer durch das Potentialgefälle beschleunigt und bewegen sich in gleicher Richtung wie der eingeleitete Elektronenstrahl. Die Ionen werden gleichfalls durch die Magnetanordnung sowie durch Raumla­ dungseffekte gebündelt entlang der Längsachse geführt und treten zusammen mit einem Teil der Elektronen des Elektronenstrahls am Ende der Plasma- Kammer in Form eines neutralen Plasma-Strahls aus.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese bekannte Anord­ nung vorteilhaft weiterzubilden.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird der Elektronenstrahl nicht als scharf gebündelter Strahl in eine kreiszylindrische Plasma-Kammer eingeleitet, son­ dern es wird, z. B. über eine ringförmige Kathodenfläche ein zylindrischer Hohlstrahl erzeugt, welcher in eine toroidförmige Plasma-Kammer eingeleitet wird. Die Plasma-Kammer ist radial durch eine äußere Kammerwand und eine innere Kammerwand begrenzt und der Hohlstrahl mit einer gegen den Radius des Hohlzylinders geringen Wandstärke wird zwischen diesen Wänden einge­ speist und durch ein Magnetsystem geführt. Die ganze Anordnung ist vorzugs­ weise zumindest annähernd rotationssymmetrisch oder zumindest drehsym­ metrisch um eine Längsachse der Anordnung. Das Magnetsystem weist vor­ zugsweise gleichfalls eine doppelte toroidale Struktur mit einer bezüglich der Plasma-Kammer radial außenliegenden ersten Magnetanordnung und einer zweiten innenliegenden Magnetanordnung auf.

Wie bereits bei der bekannten Anordnung enthält auch die Anordnung gemäß der Erfindung vorzugsweise wenigstens eine Zwischenelektrode im Verlauf der Plasma-Kammer in Längsrichtung, wobei die Zwischenelektrode auf einem Zwischenpotential des Potentialgefälles entlang der Längsrichtung der Plasma- Kammer liegt. Die Unterteilung in mehrere Zwischenpotentiale ermöglicht eine deutliche Verbesserung des Wirkungsgrads, indem Elektronen geringer kineti­ scher auf einer Zwischenelektrode mit gegenüber dem aktuellen Potential eines Elektrons geringem Potentialunterschied eingefangen werden. Der Wirkungs­ grad steigt monoton mit der Zahl der Zischenpotentialstufen.

Das Magnetsystem kann in einer ersten Ausführung einstufig ausgeführt sein mit für das außenliegende und das innenliegende Magnetsystem jeweils einem Polwechsel durch in Längsrichtung beabstandete entgegengesetzte Magnet­ pole. Wenigstens jeweils einer der beiden Magnetpole befindet sich in Längs­ richtung im Bereich der Plasma-Kammer. Vorzugsweise liegen beide in Längs­ richtung beabstandeten Pole des einstufigen Magnetsystems innerhalb der Längserstreckung der Plasma-Kammer. Besonders vorteilhaft ist eine Anord­ nung, bei welcher das Magnetsystem mehrstufig ausgeführt ist mit in Längs­ richtung mehreren aufeinanderfolgenden Teilsystemen, von denen jeweils je­ des eine außenliegende und eine innenliegende Magnetanordnung aufweist und bei welchem die in Längsrichtung aufeinanderfolgenden Teilsysteme alter­ nierend gegensinnig ausgerichtet sind.

Besonders günstig ist eine Plasma-Beschleuniger-Anordnung gemäß der Erfin­ dung, bei welcher im Längsverlauf der Plasma-Kammer im Bereich der Seiten­ wände der Plasma-Kammer noch wenigstens eine Zwischenelektrodenanord­ nung vorliegt, welche auf einem Zwischenpotential des Potentialgefälles zur Beschleunigung der positiven Ionen bzw. Verzögerung des eingeleiteten Elek­ tronenstrahls liegt. Auf einer solchen Zwischenelektrode können Elektronen eingefangen werden, welche lediglich eine geringe kinetische Energie besitzen. Die Potentialdifferenz zwischen Kathode und Anode kann dadurch in zwei oder mehr Beschleunigungspotentiale unterteilt werden. Verluste durch dem einge­ leiteten Elektronenstrahl entgegen beschleunigte Elektronen können dadurch wesentlich verringert werden. Insbesondere der elektrische Wirkungsgrad nimmt monoton mit der Anzahl der Potentialstufen zu. Vorteilhafterweise sind die Elektroden in Längsrichtung jeweils zwischen die Polenden eines Magnet­ systems bzw. Magnetteilsystems gelegt. Hierdurch ergibt sich ein besonders günstiger Verlauf von elektrischen und magnetischen Feldern.

Die Erfindung ist nachfolgend unter Bezugnahme auf die Abbildungen anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele noch detailliert erläutert.

In der Plasmaphysik ist bekannt, daß in Folge der hohen Beweglichkeit der Elektronen bedingt durch ihre geringe Masse im Vergleich zu den meist positiv geladenen Ionen das Plasma sich ähnlich wie ein metallischer Leiter verhält und ein konstantes Potential annimmt.

Befindet sich ein Plasma zwischen zwei Elektroden unterschiedlichen Potenti­ als, so nimmt das Plasma jedoch näherungsweise das Potential der Elektrode mit dem für die positiven Ionen höheren Potential (Anode) an, weil sich die Elektronen so lange sehr schnell zu der Anode bewegen, bis sich das Potential des Plasmas auf dem näherungsweise konstanten Potential der Anode befindet und das Plasma damit feldfrei ist. Nur in einer vergleichsweise dünnen Grenz­ schicht an der Kathode fällt das Potential im sogenannten Kathodenfall steil ab.

In einem Plasma lassen sich also nur dann unterschiedliche Potentiale auf­ rechterhalten, wenn die Leitfähigkeit des Plasmas nicht isotrop ist. Eine vorteil­ hafte starke Anisotropie der Leitfähigkeit läßt sich bei der erfindungsgemäßen Anordnung auf günstige Weise erzeugen. Da Elektronen in Folge der Lorentz­ kraft bei einer Bewegung quer zu Magnetfeldlinien eine Kraft senkrecht zu den Magnetfeldlinien und senkrecht zur Bewegungsrichtung erfahren, lassen sich Elektronen zwar in Richtung der Magnetfeldlinien leicht verschieben, d. h. in Richtung der Magnetfeldlinien besteht eine hohe elektrische Leitfähigkeit und ein Potentialgefälle in dieser Richtung wird leicht ausgeglichen. Einer Be­ schleunigung der Elektronen durch eine elektrische Feldkomponente senkrecht zu den Magnetfeldlinien wirkt aber die genannte Lorentzkraft entgegen, so daß sich die Elektronen spiralförmig um die Magnetfeldlinien bewegen. Senkrecht zu den Magnetfeldlinien können demzufolge elektrische Felder ohne sofortigen Ausgleich durch Elektronenfluß bestehen. Für die Stabilität solcher elektrischer Felder ist es besonders günstig, wenn die zugehörigen elektrischen Äquipoten­ tialflächen näherungsweise parallel zu den Magnetfeldlinien verlaufen und da­ mit elektrische und magnetische Felder im wesentlichen gekreuzt sind.

Die Fig. 1 zeigt eine mehrstufige Anordnung nach der vorliegenden Erfindung, bei welcher einer im wesentlichen um eine Längsachse LA als Symmetrieachse toroidalen Plasma-Kammer, deren Form im einzelnen Variationen zugänglich ist, ein hohlzylindrischer Elektronenstrahl ES zugeführt ist, dessen Zylinderach­ se mit der Längsachse LA zusammenfällt und dessen Strahlwandstärke DS (Fig. 2) gering ist gegen den Radius RS der hohlzylindrischen Strahlform. Ein solcher Hohlstrahl kann beispielsweise mittels einer ringförmigen Kathode und einem angepaßten Strahlsystem erzeugt werden. Die Elektronen des Elektro­ nenstrahls haben beim Eintritt in die Plasma-Kammer eine kinetische Energie von typischerweise < 1 keV. Der Übersichtlichkeit halber sind die Wände der Plasma-Kammer PK nicht mit eingezeichnet.

Wesentlich bei der Anordnung nach Fig. 1 ist, daß das Magnetsystem nicht mehr einen einzelnen Ring um die Längsachse LA aufweist, sondern daß be­ züglich der Plasma-Kammer außenliegend eine Magnetanordnung RMA vor­ handen ist, welche in sich beide entgegengesetzten Magnetpole in Längsrich­ tung LR beabstandet aufweist. In gleicher Weise ist eine bezüglich der Plasma- Kammer radial innenliegende weitere Magnetordnung RMI vorgesehen, welche wiederum in sich beide Magnetpole in Längsrichtung LR beabstandet aufweist.

Die beiden Magnetanordnungen RMA und RMI stehen sich radial gegenüber mit in Längsrichtung LR im wesentlichen gleicher Erstreckung. Die beiden Ma­ gnetanordnungen sind mit gleicher Ausrichtung, d. h. in Längsrichtung LR glei­ cher Polfolge, im Beispielsfall N-S ausgerichtet. Dadurch stehen sich gleiche Pole (N-N bzw. S-S) radial gegenüber und die magnetischen Felder sind für jede der beiden Magnetanordnungen in sich geschlossen. Der Verlauf der Ma­ gnetfelder von radial gegenüberstehenden Magnetanordnungen RMA und RMI kann dadurch durch eine im wesentlichen in der Mitte der Plasma-Kammer lie­ gende Mittenfläche getrennt angesehen werden. Die Magnetfeldlinien verlaufen zwischen den Magnetpolen jeder Anordnung gekrümmt, ohne durch diese Mit­ tenfläche, welche nicht notwendigerweise eben ist, hindurchzutreten. Auf jeder radialen Seite einer solchen Mittenfläche wirkt damit im wesentlichen lediglich das Magnetfeld einer der beiden Magnetanordnungen RMA bzw. RMI.

Die vorstehenden Ausführungen sind auf ein Magnetsystem mit lediglich einer einfachen inneren und äußeren Magnetanordnung bezogen. Eine solche Ma­ gnetanordnung kann beispielsweise durch zwei konzentrische ringförmige Per­ manentmagnete mit im wesentlichen parallel zur Symmetrieachse SA beab­ standeten Polen gebildet sein. Eine solche Anordnung ist isoliert in Fig. 3 skiz­ ziert.

Eine besonders vorteilhafte Ausführung der Erfindung sieht vor, in Längsrich­ tung LR zwei oder mehrere solcher Anordnungen hintereinander anzuordnen, wobei die Polausrichtung aufeinanderfolgender Magnetanordnungen wie bei der eingangs genannten bekannten Anordnung gegensinnig ist, so daß die sich in Längsrichtung gegenüberstehenden Pole aufeinanderfolgender Magne­ tanordnungen gleichartig sind und somit kein magnetischer Feldkurzschluß auftritt und die zu der einstufigen Ausführung beschriebenen Feldverläufe im wesentlichen für alle aufeinanderfolgenden Stufen erhalten bleiben.

Die aufeinanderfolgenden Magnetfelder wirken zum einen fokusierend auf den in die Plasma-Kammer eingeleiteten Primärelektronenstrahl und verhindern zum anderen den Abfluß von in der Plasma-Kammer erzeugten Sekundärelek­ tronen von einer Stufe zur nächsten. Eine Ionenbarriere IB verhindert ein Über­ treten von Ionen zu der Kathode KA.

Bevorzugt ist eine Plasma-Beschleuniger-Anordnung, bei welcher im Längsverlauf der Plasma-Kammer noch wenigstens eine weitere Zwischen­ elektrode vorgesehen ist, welche auf einem Zwischenpotential des Potential­ gefälles liegt. Eine solche Zwischenelektrode ist vorteilhafterweise an wenig­ stens einer Seitenwand, vorzugsweise in Form von zwei Teilelektroden gegen­ überliegend an der inneren und äußeren Seitenwand der Plasma-Kammer an­ geordnet. Insbesondere günstig ist es, die Elektrode in ihrer Lage in Längs­ richtung zwischen zwei Magnetpole zu positionieren. In der Anordnung nach Fig. 1 sind in Längsrichtung mehrere Stufen S0, S1, S2 mit jeweils einem ma­ gnetischen Teilsystem und jeweils einem Elektrodensystem vorgesehen. Die magnetischen Teilsysteme bestehen jeweils aus einem inneren RMI und einem äußeren RMA Magnetring wie in Fig. 3 skizziert. Die Teilelektrodensysteme umfassen in den aufeinanderfolgenden Stufen S0, S1, S2 jeweils einen äuße­ ren Elektrodenring AA0, AA1, AA2 und radial gegenüberstehend einen inneren Elektrodenring AI0, AI1, AI2, wobei die Erstreckung der Elektroden in Längs­ richtung für die äußeren und die inneren Ringe im wesentlichen gleich ist. Die einander gegenüberstehenden Elektrodenringe jedes Teilsystems, also AA0 und AI0 bzw. AA1 und All bzw. AA2 und AI2 liegen jeweils auf gleichem Po­ tential, wobei insbesondere die Elektroden AA0 und AI0 auf Massepotential der gesamten Anordnung liegen können. Die durch die Elektroden erzeugten elek­ trischen Felder verlaufen in für die Ausbildung des Plasmas wesentlichen Be­ reichen annähernd senkrecht zu den magnetischen Feldlinien. Insbesondere im Bereich der größten Potentialdifferenz zwischen den Elektroden aufeinanderfolgender Stufen verlaufen die magnetischen und elektrischen Feldlinien im wesentlichen gekreuzt, so daß die entlang der Bahn der fokusierten Primäre­ lektronen erzeugten Sekundärelektronen einschließlich vollständig abgebrem­ ster Primärelektronen keinen direkten Kurzschluß der Elektroden verursachen können. Da sich die Sekundärelektronen nur entlang der Magnetfeldlinien des im wesentlichen toroidalen mehrstufigen Magnetsystems bewegen können, bleibt der erzeugte Plasmastrahl im wesentlichen auf das Zylinderschichtvolu­ men der fokusierten Primärelektronen begrenzt. Ausbuchtungen des Plasmas gibt es im wesentlichen lediglich im Bereich des Vorzeichenwechsels der ach­ sialen Magnetfeldkomponente, wo das Magnetfeld im wesentlichen radial auf die Pole der Magnetanordnungen zeigt.

Bei der skizzierten Anordnung ergeben sich Plasmakonzentrationen in Längs­ richtung in Positionen zwischen aufeinanderfolgenden Elektroden, welche zu­ gleich mit den Polstellen der aufeinanderfolgenden Magnetanordnungen zu­ sammenfallen. Mit der in Fig. 1 skizzierten Anordnung kann vorteilhafterweise das Plasma in den einzelnen aufeinanderfolgenden Stufen auf die stufenweise unterschiedlichen Potentiale der aufeinanderfolgenden Elektroden gelegt wer­ den. Hierzu sind insbesondere die Elektroden und die Magnetanordnungen in Längsrichtung so angeordnet, daß die räumlichen Phasenlagen des quasiperi­ odischen Magnetfelds gegenüber dem gleichfalls quasiperiodischen elektri­ schen Felds gemessen zwischen Betragsminimum des magnetischen axialen Felds und der Mitte der Elektroden um max. +/-45° insbesondere max. +/-15° verschoben sind. Hierbei kann ein Kontakt der Magnetfeldlinien mit der an der Seitenwand der Plasma-Kammer angeordneten Elektrode erreicht und durch die leichte Verschiebbarkeit der Elektronen entlang der Magnetfeldlinien das Plasmapotential auf das Elektrodenpotential dieser Stufe gesetzt werden. Die Plasma-Konzentrationen zu verschiedenen aufeinanderfolgenden Stufen befin­ den sich damit auf unterschiedlichen Potentialen.

Der Ort des größten Potentialgradienten in achsialer Richtung liegt damit in ei­ ner Plasmaschicht, die durch die in achsialer Richtung elektrisch isolierend wir­ kenden radialen Magnetfeldverläufe gekennzeichnet ist. An diesen Stellen er­ folgt im wesentlichen die Beschleunigung der positiven Ionen in Richtung des für diese in Längsrichtung fallenden elektrischen Potentials. Da genügend Se­ kundärelektronen vorhanden sind, welche als Hallströme auf geschlossenen Driftbahnen in der toroidalen Strukturkreisen, wird ein im wesentlichen neutra­ les Plasma in Längsrichtung zur Ausstoßöffnung der Plasma-Kammer hin be­ schleunigt. Dabei geben sich in einer Schichtebene an einer bestimmten Posi­ tion in Längsrichtung LR der Anordnung in unterschiedlichen Radien entgegen­ gesetzte ringförmige Hallströme II bzw. IA wie in Fig. 1 und Fig. 2 skizziert.

Die genannte günstige Phasenverschiebung der quasiperiodischen magneti­ schen und elektrischen Strukturen läßt sich zum einen durch eine Anordnung nach Fig. 2 mit der genannten zulässigen Verschiebung um max. +/-45°, ins­ besondere max. +/-15° erreichen. Eine alternative Variante ist in Fig. 4 skiz­ ziert, wo die Periodenlänge der in Längsrichtung beabstandeten Elektroden­ stufen AL_i , AI_i+1 doppelt so groß ist wie die Periodenränge aufeinanderfolgender Magnetringanordnungen. Eine solche Anordnung kann auch in Stufen mit ge­ genüber Fig. 1 doppelter Länge unterteilt werden, welche dann jeweils zwei entgegengerichtete Magnet-Teilsysteme und ein Elektrodensystem enthalten.

Bei der in Fig. 4 skizzierten Anordnung ergeben sich in Bereichen, wo die Elek­ troden die Polstellen aufeinanderfolgender Magnet-Teilsysteme überbrücken, Kontaktzonen, an welchen die den Magnetlinien folgenden Sekundärelektronen von den Elektroden aufgenommen werden und somit eine Kontaktzone KZ zwi­ schen dem Plasma und einer Elektrode entsteht, wogegen an Polstellen, welche zugleich zwischen zwei in Längsrichtung aufeinanderfolgenden Elektroden liegen, eine Isolationszone IZ mit hohem Potentialgradient im Plasma entsteht.

In einer anderen Ausführungsform können gegenüberstehender äußerer Ma­ gnetring und innerer Magnetring des Magnetsystems bzw. eines Magnet- Teilsystems auch mit entgegengesetzter Polausrichtung vorgesehen sein, so daß sich in einem Längsschnitt durch die Anordnung wie in Fig. 2 zu jeder Stufe eine magnetisches Quadropol-Feld ergibt. Die übrigen geschilderten Maßnahmen gemäß der Erfindung sind bei einer solchen Anordnung in ent­ sprechender Weise anwendbar.

Die vorstehend und in den Ansprüchen angegebenen Merkmale sind sowohl einzeln als auch in verschiedenen Kombinationen vorteilhafte realisierbar. Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern im Rahmen fachmännischen Könnens auf mancherlei Weise abwan­ delbar. Insbesondere ist nicht zwingend eine strenge Symmetrie um die Sym­ metrieachse SA erforderlich. Vielmehr kann eine gezielte Unsymmetrie dem symmetrischen Verlauf überlagert sein. Die Ringform von Feldern, Elektroden oder Magnetanordnungen bedeutet nicht notwendigerweise eine kreiszylindri­ sche Form, sondern kann von einer solchen sowohl hinsichtlich der Drehsym­ metrie als auch des zylindrischen Verlaufs in Längsrichtung abweichen.

Claims (6)

1. Plasma-Beschleuniger-Anordnung mit einer Plasma-Kammer um eine Längsachse, mit einer Elektrodenanordnung zur Erzeugung eines elektri­ schen Potentialgefälles für positiv geladene Ionen über eine Beschleuni­ gungsstrecke parallel zur Längsachse und mit Mitteln zur Einleitung eines gebündelten Elektronenstrahls in die Plasma-Kammer und dessen Führung durch ein Magnetsystem, wobei die Plasma-Kammer ringförmig um die Längsachse mit einer radial innenliegenden und einer radial außenliegenden Kammerwand ausgebildet und der Elektronenstrahl als zylindrischer Hohlstrahl zugeführt ist.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Magnetsy­ stem eine bezüglich der Plasma-Kammer radial innenliegende innere Ma­ gnetanordnung und eine radial außenliegende äußere Magnetanordnung aufweist.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Ma­ gnetsystem gleichfalls eine toroidale Struktur aufweist.

4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß in Längsrichtung im Verlauf der Plasma-Kammer wenigstens eine Zwischen­ elektrodenanordnung mit einer ersten an der äußeren Kammerwand und ei­ ner zweiten gegenüberliegend an der inneren Kammerwand um die Längs­ achse angeordneten Teilelektrode vorgesehen ist, die auf einem Zwischen­ potential des Potentialgefälles liegt.

5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Magnetsystem mehrere parallel zur Längsachse beabstandet aufeinan­ derfolgende Magnetanordnungen mit in Längsrichtung entgegengesetzter Polausrichtung umfaßt.

6. Anordnung nach Anspruch 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß wenig­ stens eine Zwischenelektrode eine Pollücke zwischen aufeinanderfolgenden Magnetanordnung teilweise oder vollständig überdeckt.