DE1955914A1

DE1955914A1 - Hochfrequenz-Plasmagenerator

Info

Publication number: DE1955914A1
Application number: DE19691955914
Authority: DE
Inventors: Giuseppe Dr Lisitano
Original assignee: Max Planck Gesellschaft zur Foerderung der Wissenschaften eV
Current assignee: Max Planck Gesellschaft zur Foerderung der Wissenschaften eV
Priority date: 1969-11-06
Filing date: 1969-11-06
Publication date: 1971-06-09
Also published as: GB1326412A; BE758571A; US3663858A

Description

8l4l-69/Dr.v.B/Bru

Institut für Plasmaphysik G.m.b.H.,8046 Garching

Hochfrequenz-Plasmagenerator

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Hochfrequenz-Plasmagenerator mit einem etwa rohrförmigen Körpger, der eine Hochfrequenzleitung bildet und mit einem Hochfrequenzgenerator gekoppelt ist.

Ein Hochfrequenz-Plasmagenerator dieses Typs ist aus der deutschen Patentschrift 1 261 608 bekannt. Der rohrförmige Hohlkörper, der z.B. die Form eines Hohlaylinders» einer Kegelstumpf-Mantelfläche oder eines Exponentialtrichters haben kann, weist in Richtung der Rohrachse verlaufende, abwechselnd beim einen und anderen Ende des Hohlkörpers verbundene, mindestens einen mäanderförmigen Schlitzzug bildende Schlitze auf, deren Länfge wenigstens annähernd ein ganzes Vielfaches der halben Wellenlänge der in den Schlitzzug eingespeisten Hochfrequenzschwin-

•m

gungen ist.

Es ist ferner aus einer Arbeit von V*E.öolant und A.D.Piliya "Transformation and absorption of high frequency waves in plasma", veröffentlicht von 8er Akademie der Wissenschaften de^· UdSSR, A.P.IOFFE Physico-Technisches Institut, Leningrad 1969, bekannt, daß ein in ein Magnetfeld eingeschlossenes Plasma durch Absorption von Hochfrequenzenergie auch dann aufrechterhalten werden kann, wenn das im Plasma herrschende Magnetfeld wesentlich grosser als das sogenannte Cyclotronfeld ist« Als Cyclotronfeld wird dabei der Feldstärkewert B bezeichnet, bei dem die

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Hoehfrequenz ω. - mit der Elektronencyclotronfrequenz

übereinstimmt, wobei e die Ladung und m die Masse des Elektrons bedeuten. Das Plasma wurde dabei in einer mit Argon gefüllten und in einem axialen Magnetfeld angeordneten Röhre erzeugt, deren Durchmesser 1 cm und deren Länge 25 cm betrugen. Die Röhre wurde etwas schräg in einem Hohlleiter für das 10-cm-Band angeordnet. Das Verhältnis m^/<i>_hf betrug etwa 3.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die resonansfreie Absorption von Hochfrequenzleistung durch ein Plasma z\x verbessern, so daß mit einar gegebenen Hochfrequenzleistung höhere Ionisationsgrade erreichbar sind.

Diese Aufgabe wird gemass der Erfindung bei einem Hoch frequenz-Plasmagenerator mit einem rohrförmigen Hohlkörper, der eine Hochfrequenzleitung bildet und mit einem Hochfrequenzgenera tor gekoppelt ist, dadurch erreicht, daß der Hohlkörper eine Verzögerungsleitung bildet, in der sich die vom Hochfrequenzgenerator eingespeiste Hochfrequenzschwingung in Axialrichtung verzögert ausbreitet.

Vorzugsweise enthält der Hohlkörper einen wendeiförmigen Schlitz, der die Achse des Hohlkörpers umfÄast und mit dem Hochfrequenzgenerator gekoppelt ist.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungs beispielen in Verbindung mit der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

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1 , 2 und 3 Ausführungsbeispiele der Erfindung mit Koaxialeingang, und

Fig. 4 und 5 Ausführungsbeispiele der Erfindung mit Hohlleitereingang.

Der in Fig.l dargestellte Plasmagenerator enthält einen Hochfrequenzgenerator 10, der durch eine teilweise nur schematised dargestellte Koaxialleitung 12 mit einer Anordnung gekoppelt ist, die ein äußeres zylindrisches Bauteil 14 ohne Durchbrechungen und ein inneres zylindrisches Bauteil 16 enthält, das einen wendeiförmigen Schlitz 18 aufweist. Das äussere Bauteil 14 ist mit dem Aussenleiter der Koaxialleitung 12 und das innere Bauteil 16 ist mit dem Innenleiter der Koaxialleitung 12 verbunden. Die dargestellte Anoi inung , insbesondere das innere Bauteil 16, mit dem Schlitz 18 bilden eine Verzögerungsleitung in der sich die vom Hochfrequenzgenerator 10 eingespeiste Hochfrequenzleistung in Richtung der Achse 20 verzögert ausbreitet. Im Inneren des Bauteils 16 kann mit einer verhältnismässig geringen Hochfrequenzleistung ein hochgradig ionisiertes, heißes Plasma hoher Dichte erzeugt und auch bei starken Veränderungen des Neutralgasdruekes und eines im Bauteil 18 herrschenden axialen Magnetfeldes B aufrechterhalten werden, da die Verzögerungsleitung eine ausgezeichnete, breitbandige Anpassung des Hochfrequenzgenerators 10 an das Plasma darstellt.

Das äußere Bauteil 14 kann einen Teil einer nicht dargestellten Vakuumanlage bilden, mit der es durch Endflansche 22 verbunden ist. Das axiale Magnetfeld kann durch Magnetspulen 24 erzeugt werden, die in Figur 1 nur schematisch dargestellt sind.

Mit einer Anordnung gemäss Fig.l, bei der der Innendurchmesser des Bauteils 18 etwa 3cm betrug und der Hochfrequenzgenerator 10 eine Ausgangsleistung von etwa 70 Watt bei 2 QHz lieferte, konnten Plasmadichten von einigen 1(P cm·^ erzielt werden. Der Ionisationsgrad betrug etwa 30# und die gemessenen Elektronen·

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temperaturen lagen zwischen etwa 5 und 12 eV. Die Stärke des axialen magnetischen Feldes B konnte zwischen 1,5 kG und 4,5 kG verändert werden.

Fig. 2 zeigt das äußere Bauteil 14a und das innere Bauteil 16a einer zweiten Ausführungsform der Erfindung, die sich von der Ausführungsform gemäss Fig.l im wesentlichen nur durch die Ankopplungeanordnung für die im Schnitt dargestellte Koaxialleitung 12a unterscheidet. Die Anordnung gemäss Fig. 2 eignet sich besonders für den Fall, daß die Wellenlänge λ grosser als der Innendurchmesser D des inneren Bauteils 16a ist. Vorzugsweise ist

10 (2)

ρ d

αabei bedeuten; D Innendurchmesser des Bauteile 16a, ρ Breite der stehengebliebenen Teile zwischen den Windungen dee

Schlitzes 18a

d Breite des Schlitzes 18a.

Das Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 3 hat ebenfalls •inen Koaxialeingang 12b,von dem aus Schute« 18B ausgehen, die »jnmattriBch su einer Ebene sind, die durch die Mitte des Koaxialanechluieee 12b geht und auf der Achse 20 senkrecht steht. Bei Fig.3 «nden im Gegensatz su Fig. 1 beide Bauteile 14b und 16 an den Endflanschen 22b. Bei Flg. 1 war das inner· Bauteil 16 durch den Mittelleiter der Koaxialleitung 12 und gegebenenfalls «usätsliche Isolieretutsen im äußeren Bauteil 14 gehaltert.worden.

Fig. 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem die Hochfrequenzenergie vom Hochfrequenzgenerator über einen Rechteckhohlleiter 12c in den Schlitz 18c des inneren Bau-

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teils I6c eingekoppelt wird. Das innere Bauteil ist wieder von einem undurchbrochenen äußeren Bauteil I4c mit gleichförmigem Abstand koaxial umgeben. Der Innenraum des Hohlleiters 12c verjüngt sich, wie dargestellt, in Richtung der kurzen Seiten,um eine Anpassung an den Schlitz 18 zu erreichen.

Das Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 4 ist besonders für den Fall geeignet, daß der Innendurchmesser D des inneren " zylindrischen Bauteils 16c grosser als die Wellenlänge der Hochfrequenz ist.

Fig. 5 zeigt ein im wesentlichen Fig. 4 entsprechendes Ausführungsbeispiel. Der Unterschied zwischen Fig.4 und Fig.5 besteht darin, daß der Schlitz 18c in Figur 4 eine durchgehende Wendel bildet, die etwa in der Mitte gespeist, während der Schiit I8d in Fig. 5 aus zwei wendeiförmigen Teilen besteht, die zur Speisungsstelle symmetrisch sind und dementsprechend bezüglich der Achse 20 entgegengesetzten Windungssinn aufweisen.

Die beschriebenen Ausführungsbeispiele lassen sich selbstverständlich in öer verschiedensten Weise abwandeln, ohne den Rahmen der Erfindung zu überschreiten. Während das Bauteil 16 aus einem zumindest auf der Oberfläche gut gleitenden Material bestehen muss, kann das Bauteil 14 aus einem Leiter oder einem Nichtleiter bestehen.und gegebenenfalls ganz entfallen. Die Bauteile 14 und 16 brauchen nicht zylinderförraig sein, sondern können die Form von Kegelmänteln, Exponentialtrlettern, Prismen, Pyramiden u.dgl. haben. DBr Schlitz 18 kann offen oder mit einem Isoliermaterial gefüllt sein. Im letzteren Falle kann dann da» Bauteil 16 einen Teil des Vakuumgefässes der Anlage bilden·

Anstelle der dargestellten bevorzugten Verzögerungsleitungen , die mindestens einen wendeiförmigen Schiit* enthalten, können selbstverständlich auch andere Typen von Verlagerung·- leitungen verwendet werden, wie sie z.B. in Wandei¹ feldrührer* u.d

* ft

üblich sind.

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Claims

Patentansprüche

l.)/Hoehfrequenz-Plasraagenerator mit einem etwa rohrförmigen Hohlkörper, der eine Hochfrequenzleitung bildet und mit einem Hochfrequenzgenerator gekoppelt ist, dadurch gekennzeichnet , daß der Hohlkörper (16) eine Verzögerungsleitung bildet, in der sich die vom Hochfrequenzgenerator eingespeiste Hochfrequenzschwingung in Axialrichtung (20) verzögert ausbreitet.
2.) Plasmagenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlkörper aus einem mindestens an der C-«erfläche elektrisch leitenden Material besteht und einen wendelfömigen Schlitz (18) hat, der mit dem Hochfrequenzgenerator (10) gekoppelt ist·
3«) Plasmagenerator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß der wendeiförmige Schlitz an einer zwischen seinen Enden gelegenen Stelle mit einer Kopplungsvorrichtung sun Einspeisen der Hochfrequenzschwingung versehen ist.
4.) Plasmagenerator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlkörper (16) von einem im wesentlichen undurchbrochenem Hohlkörper (14) ähnlicher Form im Abstand umgeben ist«
5.) Plasmagenerator nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Schlitz (18) mit einem Isoliermaterial ausgefüllt ist.