DE102008057342B4

DE102008057342B4 - Gasentladungskammer mit Glühkathode und Polschuhlinse

Info

Publication number: DE102008057342B4
Application number: DE200810057342
Authority: DE
Inventors: Ulrich Gerhardt
Original assignee: Gerhardt Ulrich Prof Dr
Current assignee: Gerhardt Ulrich Prof Dr
Priority date: 2008-11-14
Filing date: 2008-11-14
Publication date: 2011-02-10
Anticipated expiration: 2028-11-15
Also published as: DE102008057342A1

Abstract

Gasentladungskammer mit Glühkathode und Polschuhlinse zur Erzeugung von Plasmen hoher Dichte nach dem Prinzip des Duoplasmatrons als Quelle elektromagnetischer Strahlung, insbesondere von Ionen- oder Vakuum-UV-Strahlung, wobei diese Kammer eine Längsachse hat, die zentral durch eine Kathodenkappe (3) mit Glühkathode (4), durch eine an die Kathodenkappe elektrisch leitend angeflanschte, einen Entladungsraum radial begrenzende Zwischenelektrode (1) und durch eine Anodenkappe (2) verläuft, die an die Zwischenelektrode elektrisch isolierend angeflanscht ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenelektrode (1) eine radiale Einschnürung aufweist, in deren Bereich außerhalb des Entladungsraums koaxial zur Längsachse die Polschuhlinse (6) angeordnet ist, so dass deren Magnetfeld auf der Längsachse sein Maximum innerhalb einer Engstelle des Entladungsbereichs erreicht und wobei die Zwischenelektrode (1), die Kathodenkappe (3) und die Anodenkappe (2) jeweils aus einem nicht ferromagnetischen Material mit einer Wärmeleitfähigkeit in der Größenordnung derjenigen von Kupfer oder höher bestehen und von außen gekühlt werden können.

Description

Das bei elektrischen Entladungen in verdünnten Gasen entstehende Plasma eignet sich sowohl als Ionen- als auch als Photonenquelle, wobei sich die erreichbaren Stromdichten der Ionen beziehungsweise der Photonen mit wachsender Dichte der Plasmen erhöhen. M. von Ardenne hat eine aus einer Glühkathode, einer Zwischenelektrode und einer Anode bestehenden Anordnung vorgeschlagen, bei welcher die Plasmen der verschiedenen Gase sowohl durch eine Engstelle in der Zwischenelektrode als auch durch das inhomogene Magnetfeld einer Polschuhlinse komprimiert werden und die Plasmen dadurch eine hohe Dichte erreichen (Tabellen der Elektronenphysik, Ionenphysik und Übermikroskopie; VEB Deutscher Verlag der Wissenschaften, Berlin, 1956, S. 543–548). In dieser von ihm treffend als Duoplasmatron bezeichneten Anordnung sind die Zwischenelektrode und die Anode die beiden ferromagnetischen Polschuhe der Polschuhlinse und gleichzeitig die Wände der Entladungskammer. Das Duoplasmatron wird häufig als Ionenquelle benutzt, erfolgreich auch in der Variante, dass die Anode aus Kupfer besteht und das inhomogen Magnetfeld allein von der ferromagnetischen Zwischenelektrode sowie der sie koaxial umgebenden Spule erzeugt wird (O. B. Morgan, G. G. Kelley, and R. C. Davis, Rev. Sci. Instr. 38, 467 (1967)). Als Photonenquelle wird das Duoplasmatron überwiegend für den Spektralbereich des Vakuum-Ultravioletts (VUV) verwendet, für welchen mit Ausnahme der aufwendigen Synchrotronstrahlung kaum Alternativen zur Verfügung stehen (James A. R. Samson and Helmut Liebl, Rev. Sci. Instr. 33, 1340 (1962); /1/ – U. Gerhardt, Patentschrift DE 196 27 004 C2 ).
Beim Duoplasmatron wird in dem kleinen Bereich der Engstelle eine große Wärmeleistung an die Zwischenelektrode abgegeben, welche vom Kühlsystem des Duoplasmatrons abgeführt werden muß; um Schäden durch Überhitzung zu vermeiden. Bei den oben beschriebenen konventionellen Versionen des Duoplasmatrons besteht die ferromagnetische Zwischenelektrode meist aus Eisen, welches im Vergleich zum Kupfer ein sehr schlechter Wärmeleiter ist. Die Anfertigung eines effizienten Kühlsystems für das konventionelle Duoplasmatron stößt deshalb auf erhebliche Probleme, welche durch die räumliche Enge noch verschärft werden. Beim konventionellen Duoplasmatron sind deshalb der Erhöhung der Plasmadichte durch Erhöhen des Entladungsstroms enge Grenzen gesetzt. Bei der Verwendung eines radial magnetisierten Permanentmagnetrings gelingt es zwar, dessen Temperatur unterhalb der Curietemperatur zu halten, sowie unerwünschte Magnetspalte zwischen den verschiedenen ferromagnetischen Polschuhteilen weitgehend zu vermeiden, die thermische Belastung des eigentlichen Magnetspalts nahe der Achse wird dadurch allerdings im Vergleich zum konventionellen Duoplasmatron nicht reduziert (Gebrauchsmuster DE 1 850 890 U ).
Bei der in Anspruch 1 vorgeschlagenen neuen Version des Duoplasmatrons sind die oben beschriebenen Kühlprobleme der konventionellen Version ganz wesentlich entschärft, weil die Zwischenelektrode (1) ebenso wie die Endkappen (2) und (3) aus Kupfer bestehen, welches bei 18°C im Vergleich zum reinen Eisen die 5.7-fache und im Vergleich zum Kohlenstoffstahl mit 1% Kohlenstoff die 8.5-fache thermische Leitfähigkeit aufweist (American Institute of Physics Handbook, McGraw-Hill 1957, p. 4–76). Die neue Version läßt sich deshalb bei vergleichsweise höheren Entladungsströmen betreiben, ohne daß Schäden durch Überhitzung zu befürchten sind. Die Polschuhlinse ist außerhalb des Entladungsbereichs angeordnet, wobei zumindest ihre beiden ferromagnetischen Polschuhe (8) so tief wie möglich in die Einschnürung der Zwischenelektrode eintauchen und somit den kleinsten Außendurchmesser der Zwischenelektrode umfassen. Damit fällt auch das Maximum des Magnetfelds entlang der Rotationsachse in die Engstelle des Entladungsbereichs, ganz im Sinne des Namens Duoplasmatron, was im Vergleich zur konventionellen Version bei gleichem Entladungsstrom eine höhere Plasmadichte erwarten läßt. Ein weiterer Vorteil der neuen Version ist der deutlich einfachere und kompaktere Aufbau, der eine schnellere und kostengünstigere Fertigung zuläßt. Beispielsweise befinden sich im Gegensatz zur konventionellen Version im Entladungsbereich keine Lötnähte zwischen Eisen und Kupfer. Solche Lötnähte können unerwünschte Lunker enthalten, welche im Betrieb ausgasen und dadurch das Plasma verunreinigen können. Wegen der vergleichsweise erheblich effizienteren Kühlung können die Flansche an den Enden der Zwischenelektrode bedenkenlos mit vakuumtauglichen Elastomerringen ausgerüstet werden, ohne die Verunreinigung des Plasmas durch das Ausgasen dieser Ringe bei höheren Temperaturen befürchten zu müssen.
Als Ausführungsbeispiel wird das vorgeschlagene verbesserte Duoplasmatron in 1 gemäß dem Anspruch 2 schematisch dargestellt und konkretisiert, wobei die Polschuhlinse (6) neben den Polschuhen (8) einen axial permanent magnetisierten Ring (7) enthält. Der Übersichtlichkeit halber sind in 1 die Öffnungen für das Zuführen und das Absaugen des Gases sowie für das Auskoppeln der Ionen- beziehungsweise Photonenströme nicht eingezeichnet. In Anspruch 5 wird diese Konkretisierung für den Fall durchgeführt, daß die Polschuhlinse eine ferromagnetisch gekapselte Spule enthält. Im Anspruch 6 wird der Fall behandelt, daß sich nur die beiden inneren Polschuhe im Bereich der Einschnürung der Zwischenelektrode befinden. Im Anspruch 8 wird gezeigt, wie die mechanische Stabilität und die Kühlung der Zwischenelektrode im Bereich der Einschnürung beispielsweise durch Einlöten der (inneren) Polschuhhälften verbessert werden kann.
Bezugszeichenliste

1: Zwischenelektrode
2: Anodenkappe
3: Kathodenkappe
4: Glühkathode
5: elektrische Durchführungen
6: Polschuhlinse
7: axial permanent magnetisierter Ring
8: ferromagnetische Polschuhe
9: Edelstahldraht

Claims

Gasentladungskammer mit Glühkathode und Polschuhlinse zur Erzeugung von Plasmen hoher Dichte nach dem Prinzip des Duoplasmatrons als Quelle elektromagnetischer Strahlung, insbesondere von Ionen- oder Vakuum-UV-Strahlung, wobei diese Kammer eine Längsachse hat, die zentral durch eine Kathodenkappe (3) mit Glühkathode (4), durch eine an die Kathodenkappe elektrisch leitend angeflanschte, einen Entladungsraum radial begrenzende Zwischenelektrode (1) und durch eine Anodenkappe (2) verläuft, die an die Zwischenelektrode elektrisch isolierend angeflanscht ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenelektrode (1) eine radiale Einschnürung aufweist, in deren Bereich außerhalb des Entladungsraums koaxial zur Längsachse die Polschuhlinse (6) angeordnet ist, so dass deren Magnetfeld auf der Längsachse sein Maximum innerhalb einer Engstelle des Entladungsbereichs erreicht und wobei die Zwischenelektrode (1), die Kathodenkappe (3) und die Anodenkappe (2) jeweils aus einem nicht ferromagnetischen Material mit einer Wärmeleitfähigkeit in der Größenordnung derjenigen von Kupfer oder höher bestehen und von außen gekühlt werden können.
Gasentladungskammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Polschuhlinse (6) aus einem in axialer Richtung magnetisierten Permanentmagnetring (7) besteht, der entlang einer die Längsachse enthaltenden Ebene in zwei Hälften geteilt ist, auf denen zwei entsprechend ebenfalls in Hälften geteilte ferromagnetische Polschuhe (8) seitlich aufsitzen und die Hälften der Polschuhlinse (6) von außen in die Einschnürung der Zwischenelektrode (1) eingeschoben werden und dort, zur Polschuhlinse zusammengefügt, fixiert sind.
Gasentladungskammer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Permanentmagnetring (7) aus Samarium-Cobalt besteht.
Gasentladungskammer nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Hälften der Polschuhlinse (6) durch einen auf den Umfang des Permanentmagnetrings (7) gewickelten Edelstahldraht (9) mit ineinander verdrillten Enden fixiert sind.
Gasentladungskammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Polschuhlinse (6) aus zwei ferromagnetischen Polschuhen (8) besteht, die entlang einer die Längsachse enthaltenden Ebene in je zwei Hälften geteilt sind, welche von außen in die Einschnürung der Zwischenelektrode (1) geschoben werden und dort, zu den beiden Polschuhen zusammengefügt, fixiert sind und wobei um die so mit den Polschuhen (8) belegte Einschnürung der Zwischenelektrode konzentrisch zur Längsachse eine Spule aus elektrisch isoliertem Kupferdraht gewickelt und die Spule schließlich von außen ferromagnetisch gekapselt wird.
Gasentladungskammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Polschuhlinse (6) aus einem in axialer Richtung magnetisierten Permanentmagnetring (7) oder aus einer ferromagnetisch gekapselten Spule und jeweils zwei ferromagnetischen Polschuhen (8) besteht, wobei jeder der Polschuhe entlang eines zur Längsachse koaxialen Zylinders in einem inneren und einen äußeren Polschuh geteilt ist und die beiden inneren Polschuhe entlang einer die Längsachse enthaltenden Ebene in zwei Hälften geteilt sind und wobei die Montage der Polschuhlinse (6) derart erfolgt, dass die vier Segmente der beiden inneren Polschuhe in der Einschnürung der Zwischenelektrode (1) zu den beiden inneren Polschuhen zusammengefügt und fixiert werden, bevor der Permanentmagnetring (7) mit seitlich aufsitzenden äußeren Polschuhen oder die Spule mit den äußeren Polschuhen parallel zur Längsachse soweit über die inneren Polschuhe geschoben werden, dass die inneren und äußeren Polschuhe fluchten.
Gasentladungskammer nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Permanentmagnetring (7) aus Samarium-Cobalt besteht.
Gasentladungskammer nach einem der Ansprüche 2–7, dadurch gekennzeichnet, dass die Polschuhhälften bzw. inneren Polschuhhälften vzw. durch Einlöten an der Einschnürung der Zwischenelektrode (1) fixiert sind, so dass zwei genau positionierte Polschuhe (8) entstehen und in diesem Bereich die mechanische Stabilität der Zwischenelektrode und deren Kühlung optimiert sind.