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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erfassen von Umgebungs- und Betriebsparametern in Plasmen mit wenigstens zwei ineinander liegenden Gitterstrukturen und mit einem innerhalb der innersten Gitterstruktur angeordneten Metallkörper, wobei die Gitterstrukturen und der Metallkörper durch elektrisch isolierende Abstandshalter voneinander getrennt und wahlweise mit vorbestimmten elektrischen Potentialen beaufschlagbar sind.
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Eine derartige Gitterstruktur ist aus
DE 10 2005 045 463 A1 bekannt. Die vorbekannte Vorrichtung zum Erfassen von Umgebungs- und Betriebsparametern in Plasmen verfügt über zwei ineinander liegende Gitterstrukturen und über einen mit einer Schale ausgebildeten Metallkörper, der innerhalb der inneren Gitterstruktur angeordnet ist. Die Gitterstrukturen und der Metallkörper sind durch elektrisch isolierende Abstandshalter voneinander getrennt und wahlweise mit vorbestimmten elektrischen Potentialen beaufschlagbar. Dadurch lassen sich in Abhängigkeit der an die Gitterstrukturen und an den Metallkörper angelegten, in Zeit und Potentialwert veränderlichen Potentialen verschiedenste Umgebungs- und Betriebsparameter in Plasmen erfassen.
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DE 696 07 543 T2 offenbart einen Metallkörper in Gestalt eines sogenannten Faraday-Bechers mit einer Öffnung, durch die hier elektrisch geladene Teilchen nach Vorselektion durch ein Spektrometer detektierbar sind.
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Einen entsprechenden Faraday-Becher offenbart
WO 2005/006017 A1 .
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art anzugeben, bei der unter Umständen auftretende, durch in insbesondere auch abscheidenden Plasmaprozessen auftretende Ablagerungen verursachte elektrische Oberflächenveränderungen verringert sind und die sich bei Bedarf auch durch ein ortsaufgelöstes Erfassen von Umgebungs- und Betriebsparametern in Plasmen auszeichnet.
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Diese Aufgabe wird bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Metallkörper wenigstens eine Eintrittsausnehmung aufweist, wobei die oder jede Eintrittsausnehmung so angeordnet ist, dass der Metallkörper wenigstens eine ausgezeichnete Vorzugsrichtung zum Erfassen von den Metallkörper beaufschlagenden Strahlen und/oder Teilchen aufweist.
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Dadurch, dass der Metallkörper über eine einzige Eintrittsausnehmung oder über eine Anzahl von Eintrittsausnehmungen verfügt, die beispielsweise entlang einer Geraden ausgerichtet sind, ist durch eine Abschirmwirkung für die in Einfallsrichtung hinter der oder jeder Eintrittsausnehmung liegenden Bereiche die langfristige Messgenauigkeit verbessert, und der Metallkörper weist eine durch eine die oder jede Eintrittsausnehmung durchtretende Normale gebildete ausgezeichnete Vorzugsrichtung auf, die ein ortsaufgelöstes Erfassen von den Metallkörper beaufschlagenden Strahlen und/oder Teilchen schafft, indem aus dieser ausgezeichneten Vorzugsrichtung einfallende Strahlen und/oder Teilchen selektiv erfassbar sind.
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Weitere zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Weitere zweckmäßige Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die Figuren der Zeichnung. Es zeigen:
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1 in einer anschaulichen Darstellung ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit zwei Gitterstrukturen und einem eine einzige Austrittsausnehmung aufweisenden Metallkörper,
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2 in einer anschaulichen Darstellung ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit drei Gitterstrukturen und einem eine einzige Eintrittsausnehmung aufweisenden Metallkörper, in dem ein Innenzylinder angeordnet ist,
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3 in einer anschaulichen Darstellung ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, bei dem ergänzend zu dem Ausführungsbeispiel gemäß 2 der Innenzylinder mit einem Abschlusskegel abgeschlossen und die Anordnung aus Gitterstrukturen sowie Metallkörper schwenkbar ist,
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4 in einer Schnittansicht eine Ausführung für Abstandshalter bei erfindungsgemäßen Vorrichtungen,
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5 in einer perspektivischen Ansicht eine Ausführung eines einen Innenkörper und einen Außenkörper aufweisenden Metallkörpers für erfindungsgemäße Vorrichtungen in einer ersten Drehstellung,
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6 in einer perspektivischen Ansicht den Metallkörper gemäß 5 in einer weiteren Drehstellung des Außenkörpers in Bezug auf den Innenkörper und
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7 in einer perspektivischen Ansicht eine weitere Ausführung eines einen Innenkörper und einen Außenkörper aufweisenden Metallkörpers für erfindungsgemäße Vorrichtungen.
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1 zeigt in einer anschaulichen Darstellung ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung. Die Vorrichtung gemäß 1 verfügt als ineinander liegende Gitterstrukturen über ein äußeres Doppelgitter 1 und über ein innerhalb des äußeren Doppelgitters 1 angeordnetes inneres Doppelgitter 2, die jeweils aus einer äußeren Gitterlage 3 und einer inneren Gitterlage 4 aufgebaut sind. Die Gitterlagen 3, 4 sind elektrisch leitend ausgebildet und weisen jeweils eine verhältnismäßig hohe optische Transmission pro Flächeneinheit auf. Der Abstand zwischen einer äußeren Gitterlage 3 und einer inneren Gitterlage 4 eines Doppelgitters 1, 2 ist dabei merklich kleiner als der Abstand zwischen der äußeren Gitterlage 3 des inneren Doppelgitters 2 und der inneren Gitterlage 4 des äußeren Doppelgitters 1.
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Das innere Doppelgitter 2 umschließt einen Metallkörper 5, der bei diesem Ausführungsbeispiel eine einzige, als vollständige Freimachung ausgebildete Eintrittsausnehmung 6 aufweist. Die Eintrittsausnehmung 6 verleiht dem typischerweise als Hohlkugel oder Hohlzylinder ausgebildeten Metallkörper 5 eine Vorzugsrichtung in der von dem Metallkörper 5 wegweisenden Richtung der orthogonal zu dem Metallkörper 5 ausgerichteten und durch die Eintrittsausnehmung 6 durchtretenden Normalen 7.
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In einem von dem Metallkörper 5 umschlossenen Innenraum 8 ist der Eintrittsausnehmung 6 diametral gegenüber liegend ein Strahlungsstreukegel 9 als Streueinrichtung angeordnet, dessen Spitze in Richtung der Eintrittsausnehmung 6 weist. Randseitig der Eintrittsausnehmung 6 sind in dem Innenraum 8 weiterhin eine Anzahl von Strahlungsdetektoren 10 angeordnet, mit denen insbesondere ein Anteil von durch die Eintrittsausnehmung 6 in den Innenraum 8 eingetretene und von dem Strahlungsstreukegel 9 gestreute elektromagnetische Strahlung 11 erfassbar ist.
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Die Doppelgitter 1, 2 und der Metallkörper 5 sind über elektrisch isolierende Abstandshalter 12, 13, 14 elektrisch untereinander und von einer Trägerstruktur 15 getrennt, die die Anordnung aus Doppelgitter 1, 2 und Metallkörper 5 trägt. Die Trägerstruktur 15 selbst ist in einem Messraum 16 angeordnet, innerhalb dem Umgebungs- und Betriebsparameter eines Umgebungsplasmas wie im Weltraum oder eines abscheidenden Plasmas durch die erfindungsgemäße Vorrichtung zu erfassen sind, indem zum einen von dem Plasma stammende elektromagnetische Strahlung 11 als auch sich bewegende Teilchen 17 mit ihren zur Charakterisierung des Plasmas relevanten physikalischen Eigenschaften zu erfassen sind.
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Die Doppelgitter 1, 2 und der Metallkörper 5 sind jeweils über eine elektrische Zuleitung 18, 19, 20 wahlweise mit einem vorbestimmten elektrischen Potential beaufschlagbar, das jeweils von einer den Doppelgittern 1, 2 beziehungsweise dem Metallkörper 5 zugeordneten Spannungsquelle 21, 22, 23 erzeugbar ist. Der insbesondere auch zeitabhängige Wert des durch eine Spannungsquelle 21, 22, 23 erzeugten Potentials ist von einer Steuereinheit 24 einstellbar, an die die Spannungsquellen 21, 22, 23 mit einer Steuerungsleitung 25, 26, 27 angeschlossen sind.
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In jede Zuleitung 18, 19, 20 ist eine Strommesseinheit 28, 29, 30 geschaltet, deren sich in Abhängigkeit der durch die Spannungsquellen 21, 22, 23 erzeugten Potentiale dem jeweiligen durch eine Zuleitung 18, 19, 20 fließenden Strom entsprechenden Ausgangssignale über jeweils eine Messleitung 31, 32, 33 der Steuereinheit 24 zur Messwerterfassung in einem von dem Messraum 16 getrennten Außenraum 34 aufarbeitbar und einer an die Steuereinheit 24 angeschlossenen Datenausgabeeinheit 35 einspeisbar sind.
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2 zeigt in einer anschaulichen Darstellung ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, wobei sich bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 und bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 2 einander entsprechende Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen und im Weiteren zum Teil nicht nochmals näher erläutert sind. Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 2 ist ergänzend zu dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 zwischen dem äußeren Doppelgitter 1 und dem inneren Doppelgitter 2 ein mittleres Doppelgitter 36 vorhanden, das entsprechend dem äußeren Doppelgitter 1 und dem inneren Doppelgitter 2 eine äußere Gitterlage 3 und eine innere Gitterlage 4 aufweist und über eine Zuleitung 36', in die eine Strommesseinheit 37 gelegt ist, an eine mit der Steuereinheit 24 zum Einstellen des Potentials des mittleren Doppelgitters 36 vorgesehene, über eine Steuerleitung 36'' mit der Steuereinheit 24 verbundene Spannungsquelle 38 angeschlossen ist. Die Strommesseinheit 37 ist über eine Messleitung 39 mit der Steuereinheit 24 verbunden, um dieser ein dem durch die Zuleitung 36' fließenden Strom entsprechendes Messsignal einzuspeisen. Dadurch werden gegenüber dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 die messtechnischen Möglichkeiten erweitert.
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Das Ausführungsbeispiel gemäß 2 ist darüber hinaus mit einem elektrisch leitenden Innenzylinder 40 ausgestattet, der als Hohlzylinder ausgebildet ist und über einen elektrisch isolierenden Abstandshalter 41 eine Eintrittsausnehmung 6 auf der dem Innenraum 8 zugewandten Seite des Metallkörpers 5 umschließt.
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Zur elektrischen Isolierung des mittleren Doppelgitters 36 ist ein elektrisch nicht leitender Abstandshalter 42 vorhanden. Der Innenzylinder 40 ist über eine Zuleitung 43, in die eine Strommesseinheit 44 gelegt ist, mit über eine Steuerleitung 45 einer an die Steuereinheit 24 angeschlossenen Spannungsquelle 46 verbunden. Entsprechend dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 ist auch die weitere Strommesseinheit 44 zum Übergeben ihrer dem in der Zuleitung 43 fließenden Strom entsprechenden Ausgangssignalen über eine Messleitung 47 an die Steuereinheit 24 angeschlossen.
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Das Ausführungsbeispiel gemäß 2 zeichnet sich dadurch aus, dass durch entsprechendes Beaufschlagen des Innenzylinders 40 mit einem vorbestimmten elektrischen Potential die messtechnischen Möglichkeiten der erfindungsgemäßen Vorrichtung dahingehend erweitert sind, dass beispielsweise die Energie von aus einem Raumwinkelbereich um die Normale 7 einfallenden Teilchen 17 bestimmbar ist.
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Wie aus 2 ersichtlich ist, verfügt der Metallkörper 5 über eine Anzahl von Eintrittsausnehmungen 6, die zweckmäßigerweise alle mit einem Innenzylinder 40 hinterlegt sind, die jedoch aus Gründen der Anschaulichkeit in 2 nicht dargestellt sind. Dadurch ist auch durch Vergleich der mit den verschiedenen Innenzylindern 40 verknüpften Ströme eine örtliche Auflösung bezüglich der Einfallsrichtung geschaffen.
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3 zeigt in einer anschaulichen Darstellung ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, wobei bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 1, bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 2 und bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 3 einander entsprechende Elemente mit dem gleichen Bezugszeichen versehen und nachfolgend zum Teil im Detail nicht näher erläutert sind. Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 3 ist der das äußere Doppelgitter 1 mit der Trägerstruktur 15 verbindende Abstandshalter 14 mit einer Kugelschale 48 als ein Bestandteil eines Gelenks ausgestattet, wobei das Gelenk als weiteren Bestandteil einen Kugelkopf 49 aufweist, der mit der Trägerstruktur 15 verbunden ist. Dadurch ist die Anordnung aus den Doppelgittern 1, 2, 36 und Metallkörper 5 in verschiedene Raumrichtungen schwenkbar.
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Des Weiteren verfügt das Ausführungsbeispiel gemäß 3 über einen elektrisch leitenden Abschlusskegel 50, der mit seiner geöffneten Seite über einen elektrisch isolierenden Abstandshalter 51 mit dem Innenzylinder 40 einer Eintrittsausnehmung 6 verbunden ist.
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Der Abschlusskegel 50 ist über eine Zuleitung 52, in die entsprechend den vorangehend erläuterten Ausführungsbeispielen eine über eine Messleitung 53 eine Strommesseinheit 54 gelegt ist, an eine Spannungsquelle 55 angeschlossen, die wiederum über eine Steuerleitung 56 mit der Steuereinheit 24 zum Beaufschlagen des Abschlusskegels 50 mit einem wahlweise vorbestimmten elektrischen Potential ansteuerbar ist. Dadurch werden die messtechnischen Möglichkeiten gegenüber dem Ausführungsbeispiel gemäß 2 dahingehend erweitert, dass nunmehr auch über entsprechende Ansteuerung des Abschlusskegels 50 die elektrischen Eigenschaften der durch den Innenzylinder 40 durchgetretenen Teilchen 17 bestimmbar sind.
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4 zeigt in einer Schnittansicht ein Ausführungsbeispiel eines Abstandshalters, hier des Abstandshalters 12, für eine erfindungsgemäße Vorrichtung. Der Abstandshalter 12 gemäß 4 ist aus einem elektrisch isolierenden Material hergestellt und verfügt über einen Basisabschnitt 57, an dessen Seiten jeweils ein Seitenabschnitt 58, 59 ausgebildet ist, die sich in eine Richtung rechtwinklig von dem Basisabschnitt 57 weg erstrecken. An dem von dem Basisabschnitt 57 abgewandten Ende der Seitenabschnitte 58, 59 ist jeweils ein Deckabschnitt 60, 61 ausgebildet, die sich parallel zu dem Basisabschnitt 57 aufeinander zu erstrecken. An den den Seitenabschnitten 58, 59 abgewandten Enden der Deckabschnitte 60, 61 ist jeweils ein Innenabschnitt 62, 63 ausgebildet, die sich parallel und in einem Abstand zu den Seitenabschnitten 58, 59 in Richtung des Basisabschnittes 57 erstrecken. Dadurch ist im Innern des Abstandshalters 12 eine labyrinthartige innenseitige, bei diesem Ausführungsbeispiel T-artige Spaltstruktur 64 ausgebildet, die die Entstehung von Kriechströmen über die jeweiligen Abstandshalter 12, 13, 14, 41, 42, 51 hinweg dadurch unterbindet, dass die elektrisch leitenden Materialien verbindenden Bereiche verdeckt und damit für derartige Kriechströme hervorrufende Ablagerungen unzugänglich sind.
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5 zeigt in einer perspektivischen Ansicht eine weitere Ausführung eines Metallkörpers 65 für eine erfindungsgemäße Vorrichtung. Der Metallkörper 65 gemäß 5 ist hohlzylinderartig ausgebildet und verfügt über einen Innenkörper 66 sowie über einen den Innenkörper 66 umschließenden und gegenüber dem Innenkörper 66 drehbaren Außenkörper 67. Der Innenkörper 66 ist mit einer Anzahl von rundlichen, entlang einer Geraden angeordneten inneren Eintrittsausnehmungen 68 ausgebildet, während der Außenkörper 67 über eine schlitzartige spiralförmig verlaufende äußere Eintrittsausnehmung 69 verfügt. In der in 5 dargestellten ersten Stellung des Außenkörpers 67 in Bezug auf den Innenkörper 66 liegen innere Eintrittsausnehmungen 68 wenigstens bereichsweise unter der äußeren Eintrittsausnehmung 69, die nahe eines Endes des Metallkörpers 65 angeordnet sind.
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6 zeigt den Metallkörper 65 gemäß 5 in einer zweiten Stellung des Außenkörpers 67 in Bezug auf den Innenkörper 66, in der nunmehr mehr im Mittenbereich des Metallkörpers 65 liegende innere Eintrittsausnehmungen 68 unter der äußeren Eintrittsausnehmung 69 liegen. Dadurch ist ersichtlich, dass durch Verdrehen des Innenkörpers 66 und des Außenkörpers 67 in Bezug auf einander im Bereich der sich jeweils überlappenden inneren Eintrittsausnehmungen 68 und der äußeren Eintrittsausnehmung 69 effektiv wirkende Eintrittsausnehmungen gebildet sind, die zum einen ein ortsaufgelöstes Erfassen von Umgebungs- und Betriebsparametern in Plasmen gestatten oder nach einer Degradation von effektiv wirkenden Eintrittsausnehmungen in einem Bereich des Metallkörpers 65 einen anderen Bereich für eine sich anschließende Nutzung geschützt halten.
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7 zeigt eine weitere Ausführung eines Metallkörpers 70 für eine erfindungsgemäße Vorrichtung, der entsprechend dem anhand 5 und 6 erläuterten Metallkörper 65 ebenfalls zylinderartig mit einem Innenkörper 71 und einem Außenkörper 72 ausgebildet ist. Bei dieser Ausführung verfügt der Innenkörper 71 über eine sich in eine Längsrichtung des Metallkörpers 70 erstreckende Anordnung von inneren Eintrittsausnehmungen 73, während der Außenkörper 72 neben ebenfalls sich in einer Längsrichtung erstreckenden Anordnung von äußeren Eintrittsausnehmungen 74 auch über äußere Eintrittsausnehmungen 75 verfügt, die beidseitig der vor der Gerade liegenden äußeren Eintrittsausnehmungen 74 angeordnet sind. Dadurch lassen sich bei einem Überlappen der jeweils auf einer Geraden liegenden inneren Eintrittsausnehmungen 73 und äußeren Eintrittsausnehmungen 74 Messungen über die gesamte Längserstreckung des Metallkörpers 70 vornehmen, während bei einer Überlappung von einer seitlich liegenden äußeren Eintrittsausnehmung 75 mit einer inneren Eintrittsausnehmung 73 wiederum beispielsweise ortsaufgelöste Messungen durchführbar sind.
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Es versteht sich, dass bei zylinderartig ausgebildeten Metallkörpern 65, 70 wie entsprechend den anhand 5 bis 7 erläuterten Ausführungsbeispielen die den betreffenden Metallkörper 65, 70 umgebenden Gitterstrukturen der betreffenden erfindungsgemäßen Vorrichtung ebenfalls zylinderförmig ausgestaltet sind.
