DE2237252A1

DE2237252A1 - Ionenquelle mit hochfrequenz-hohlraumresonator

Info

Publication number: DE2237252A1
Application number: DE2237252A
Authority: DE
Inventors: Charles Fremiot; Jean Grando
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 1971-07-29
Filing date: 1972-07-28
Publication date: 1973-02-01
Also published as: US3778656A; GB1352654A; DE7228091U; FR2147497A5

Description

41Q-19.143P(I^lMH) 28. 7. 1972

Commissariat a l·¹Energie Atomique. Paris

(Frankreich)

Ionenquelle mit Hochfrequenz-Hohlraumresonator

Die Erfindung bezieht sich auf eine Ionenquelle mit einem hochfrequenten Hohlraumresonator, insbesondere für Teilchenbeschleuniger.

Die in Beschleunigern verwendeten Ionenquellen müssen bestimmte Eigenschaften aufweisen, insbesondere;

Anpassungsfähigkeit der Energie- und Intensitätsregelung,

Reproduzierbarkeit der Ergebnisse,

lange Lebensdauer, und

Möglichkeit, eine große lonendichte zu erhalten.

*H0-(B 4238.3)-Ko-r (9)

Die bekannten Ionenquellen haben eine gewisse Anzahl dieser Eigenschaften, aber keine besitzt alle diese Eigenschaften· So haben die Ionenquellen des Typs "Duoplasmatron" wegen der in das Plasma eingetauchten Elektroden keine sehr große Lebensdauer, wobei diese Elektroden, insbesondere die Kathode, wegen des starken Beschüsses, der sie ausgesetzt sind, eine begrenzte Lebensdauer haben.

Die Hochfrequenzentladungsquellen im unteren hochfrequenten Bereich, die zwischen 20 und 100 MHz arbeiten, vermeiden diesen Nachteil, aber die Elektronendichte des erzeugten Plasmas bleibt gering.

Es sind auch Plasmaquellen bekannt, die einen hochfrequenten Hohlraumresonator verwenden. In einigen dieser Vorrichtungen ist die Wechselwirkung zwischen der hochfrequenten Welle und dem Plasma beträchtlich durch ein statisches magnetisches Feld erhöht, wie auch immer die Bedingungen für die Elektronenzyklotronresonanz erfüllt sind.

Diese Plasmaquellen mit einem hochfrequenten Hohlraumresonator und einer Zyklotronresonanz führen zu dichten Plasmen, sind aber nicht mit Einrichtungen ausgestattet, um entsprechende Ionen zu gewinnen.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Ionenquelle anzugeben, die einerseits eine Plasmaquelle mit einer hochfrequenten Erregung bei der Zyklotronresonanz und andererseits Abzieh- oder Extraktionseinrichtungen umfaßt, die von der Art sind, wie sie in einem Duoplasmatron verwendet werden, die aber besonders der verwendeten Plasmaquelle angepaßt sind.

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Die erfindungsgeraäße Ionenquelle ist gekennzeichnet durch eine Plasmaquelle mit einem Hohlraum, der entsprechend einer seiner Resonanzwellen ultrahochfrequent erregt ist, und mit einem statischen Magnetfeld, das auf die Elektronenzyklotronresonanz eingestellt ist, und eine Extraktionseinrichtung für die Ionen des Plasmas mit einer Ausdehnungsschale, die mit einer Öffnung versehen ist, die mit dem Hohlraum in Verbindung steht, und mit Elektroden für den Abzug von Ionen, die auf geeigneten Potentialen liegen, wobei die Plasmadichte in der Nähe der Öffnung am größten.und das statische Magnetfeld in der Nähe der Abziehelektroden Im wesentlichen Null ist.

Die erfindungsgemäße Ionenquelle besitzt demgemäß alle die oben genannten Eigenschaften und stellt somit einen beträchtlichen technischen Fortschritt gegenüber bekannten Quellen dar.

Eine Weiterbildung der Erfindung besteht darin, daß das statische Magnetfeld den der Zyklotronresonanz entsprechenden Wert nur in der Nähe der Öffnung der Ausdehnungss chaie annimmt.

In einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß in der Nähe der Öffnung ein starker Gradient des statischen Magnetfeldes besteht.

Schließlich äußert sich eine andere Weiterbildung der Erfindung dadurch, daß die Ausdehnungsschale aus einem Metall mit einer schwachen Reluktanz besteht und eine magnetische Abschirmung für das statische Magnetfeld bildet.

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Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine ultrahochfrequente Bank zur Erregung der Ionenquelle;

Fig. 2 eine Ionenquelle mit einem drehzylindrischen Hohlraumresonator, in dem das Plasma in einem dielektrischen Zylinder begrenzt ist}

Fig. 3 ein Kurvendiagramm, das die Beziehungen zwischen der Höhe und dem Radius des zylinderföneigen Hohlraumresonators für verschiedene Erregungswellentypen angibt!

Fig. k die elektrischen Feldlinien und die Verteilung der Amplituden dieses Feldes für die Wellentypen TE. und

Fig. 5 die Wellentypen TE_Q1 _χ und TE_Q22; Fig. 6 eine andere Ausführungsform der Erfindung mit

einem stumpfen koaxialen Hohlraumresonator, der durch einen TEM-Vellentyp erregt wird.

Unter "hochfrequent" wird im folgenden insbesondere der höchstfrequente Bereich der Hochfrequenzen verstanden.

In der Fig. 1 erregt ein Hochfrequenzgenerator 1 eine erfindungsgemäße Ionenquelle 2 über eine dazwischengeschalte te hochfrequente Bank aus einem einstellbaren Dämpfungsglied 3, einem Richtungskoppler k_f einem Anpassungsglied 5»

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einem Stempel 6, einer Koaxialleitung 7 und einer Erregerantenne 9* '

Durch eine nicht dargestellte Pumpeinrichtung ist es möglich, im Hohlraum über eine Leitung 21 ein Vakuum herzustellen.

Diese Vorrichtung für eine hochfrequente Erregung arbeitet wie folgt:

Der Generator 1 enthält eine Hochfrequenzquelle, beispielsweise eine Magnetfeldröhre, die das elektromagnetische Feld für die Erregung liefert. Über das Dämpfungsglied 3 ist es möglich, die Leistung der in die Vorrichtung eingespeisten Welle zu verändern. Man verändert die Stellung des Stempels 6 und des Anpassungsgiiedes 5» um die beste Anpassung für den Hohlraum der Quelle 2 zu haben.-. Eine Fehlanpassung wird über den Richtungskoppler h gemessen, der einen Teil der durch den Hohlraum reflektierten Welle zum Generator abgreift.

Die Ionenquelle 2 wird näher anhand der Fig. 2 in einem Ausführungsbeispiel beschrieben. In der Fig. 2 bildet ein Zylinder 11 die Seitenwand des.Hochfrequenz-Hohlraumresonators, der durch eine Koaxialleitung 7 erregt wird, die mit einer Antenne 9 endet. Über eine Abstimmschraube 12 ist es möglich, leicht die Resonanzfrequenz des Hohlraumes zu verändern. Über ein Anschlußstück 13 ist es möglich, das zu ionisierende Gas in einen dielektrischen und dichten Zylinder i4 einzuführen, der mit dem Zylinder 11 koaxial ist. Ringförmige Dichtungen 15 und 16 gewährleisten die Dichtheit des abgeschlossenen Innenraumes des Zylinders in

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bezug auf den Rest des Zylinders 11. Ein Deckel kZ schließt den Hohlraum nach oben ab. Eine Ausdehnungsschale 17, die auf den Mantel des Zylinders 11 geschraubt ist, vervollständigt den Resonanzhohlraum 50. Sie begrenzt eine Ausdehnungskammer kO, die mit dem Zylinder ^k über eine Öffnung kl in Verbindung steht. Es ist nur eine der Abziehoder Extraktioneelektroden dargestellt. Diese Elektrode ist in bezug auf die Ausdehnungsschale 17 über eine Spannungsquelle S negativ gepolt, wobei die Ausdehnungsschale 17 auf Erdpotential liegen kann. Spulen 19 und 20, die von einen elektrischen Gleichstrom durchflossen werden, erzeugen ein statisches Magnetfeld, das parallel ist zur Drehachse des Hohlraumzylinders 11. Die gesamte Vorrichtung ist auf einem Zylinder 21 befestigt. Die Dichtheit gegenüber dem Außenraum wird durch eine ringförmige Dichtung gewährleistet.

Diese Vorrichtung arbeitet wie folgt:

Das hochfrequente Erregungsfeld pflanzt sich in der Koaxialleitung 7 fort und erregt den Resonanzhohlraum 50 über die Antenne 9· Die Form und der Ort dieser Antenne begünstigen die Erregung des Hohlraumes mit einem transversalen elektrischen Wellentyp, der allgemein mit TE bezeichnet wird und der dadurch charakterisiert ist, daß rlas elektrische Feld in einer Querschnittsebene des Hohlraumes liegt. Die Auswahl und die Art der Resonanzwellen werden weiter unten näher erläutert.

Das zu ionisierende Gas wird über die Öffnung I3 eingeführt. Es dringt bei. 'diesem Ausfiihrungsbeispiel der Erfindung in dais Innere des dielektrischen Zylinders Ih ein

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und wird teilweise unter der Wirkung des elektrischen Feldes der hochfrequenten Welle und unter der Wirkung des statischen Magnetfeldes ionisiert, dessen Amplitude so eingestellt wird, daß die Zyklotronfrequenz in der" Nähe der Frequenz des hochfrequenten Feldes liegt. Die Spulen 19 und 20 werden nicht notwendigerweise durch gleiche Ströme durchflossen. Xn einer vorteilhaften Ausführungsform werden sie durch sehr unterschiedliche Ströme durchflossen, so daß das statische Hagnetfeld nur in der unteren Zone des Zylinders 14 in der Nähe der Öffnung h\ der Ausdehnungsschale 17 der Zyklotronresonanz entspricht. Damit liegt diese Öffnung in unmittelbarer Nähe des Bereiches, in dem die Dichte des Plasmas am größten ist, wodurch die Diffusion in die Ausdehnungskammer begünstigt wird.

Xn einer anderen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Ionenquelle ist das durch die Spulen 19 und 20 erzeugte statische Hagnetfeld sehr schwach, insbesondere null, in dem Bereich, der in der Nähe der Abziehelektrode 18 liegt, um zu vermeiden, daß dieses- Feld den Abzug oder die Extraktion der Xonen stört. Dies ist möglich, wenn die Schale 17 aus einem Metall mit einer schwachen Reluktanz besteht, beispielsweise aus Weicheisen, um eine magnetische Blende zu bilden. Der schnelle Abfall der Amplitude des statischen Magnetfeldes beim Durchgang durch die Öffnung kl ruft demgemäß an dieser Stelle einen starken Gradienten des Magnetfeldes hervor, der das Plasma beschleunigt und seine Expansion in die Kammer 40 erleichtert.

Diese Expansion wird von einer Verringerung der Plasmadichte, also einer Verringerung der Raumladung begleitet, die gewöhnlich die Xonenströme begrenzt, die herausgezogen

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werden können. Die Elektrode 1β, die an einem starken negativen Potential liegt, erlaubt mit einem klassischen Verfahren die Trennung zwischen den Elektroden und den Ionen. Die Form und das Potential dieser Elektrode sind so, daß die Ionen gegen einen Raum geführt werden, der durch das Rohr 21 begrenzt ist, in dessen Innerem nicht dargestellte Pumpen ein Vakuum aufrechterhalten.

Die Abmessungen des drehzylindrischen Hohlraumes können wie folgt beschrieben bestimmt werden:

Im AusfUhrungsbeispiel der Fig. 2 1st das Magnetfeld parallel zur Achse des Hohlraumes. Um die auf diesem Feld beruhende Zyklotronresonanz auszunutzen, ist es erforderlich, daß das elektrische Feld der in dem Hohlraum enthaltenen hochfrequenten Welle eine zum Magnetfeld senkrechte Komponente aufweist. Man bevorzugt daher transversale elektrische Resonanzwellen, die so ausgebildet sind, daß das elektrische Feld in der Ebene eines Querschnittes liegt. Genauer ausgedrückt macht eine Komponente des elektrischen Feldes, die parallel zur Achse des Hohlraumes ist, wie sie für eine transversale magnetische Welle gefunden wird, die Vorrichtung nicht unwirksam, sondern begrenzt nur deren Wirkungsgrad. Man ist daher bestrebt, den Hohlraum mit einem TE-Wellentyp zu erregen, der allgemein mit TE bezeichnet wird, wobei die Indizes m, η, ρ die Feldverteilung nach den üblichen Zylinderkoordinaten Θ, r, ζ beschreiben und ζ die Achse des Hohlraumes ist.

Um keine zu großen Dimensionen zu haben, begrenzt man die Wahl der Indizes m, η und ρ auf die kleinen Werte 0,1 oder 2. Für eine gegebene Generatorfrequenz ist die Höhe h

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des Hohlraumes mit seinem Radius a über klassische Beziehungen der Hochfrequenz-Hohlraumresonatortheorie verknüpft. In der Fig. 3 sind Ausführungsformen für vier Wellen und für eine Frequenz von 10 GHz dargestellt« Jede dieser Kurven besitzt eine senkrechte Asymptote,die einen minimalen

-Radius a , bestimmt. Wenn für den Radius des Hohlraumes min

ein Wert in der Nähe von a . gewählt wird, dann werden kei-, ne darüberliegenden Wellen erregt. Wenn insbesondere für a ein Wert etwas unter a . (für einen TE., _{Λ Λ} -Wellentyp, der

min ill

bei 10 GHz 8,8 beträgt) gewählt wird, dann kann nur ein TE .-Wellentyp unter Ausschluß von übrigen Wellentypen erregt werden.

Die Wahl der Erregungsvorrichtung des Hohlraumes ist mit dem gesuchten Wellentyp verknüpft. Eine Antenne (Fig. 2), die durch die Verlängerung des mittleren Leiters "9 der Koaxialleitung 7 gebildet wird, erregt die Wellentypen, deren elektrisches Feld eine Komponente senkrecht zur Antenne besitzt (beispielsweise einen TE -Typ,. Wenn der mittlere Leiter mit einer Schleife in der Ebene des Querschnittes endet, dann haben die erregten Wellentypen ein magnetisches Feld, das eine Komponente besitzt, das senkrecht zur Ebene der Schleife ist (beispielsweise ^TE _O11~ ^und TE₀ „-Typen). Bei dem anhand der Fig. 2 beschriebenen Ausführungsbeispiel ist eine Antenne vorgesehen, aber es ist offensichtlich, daß eine Vorrichtung mit einer Schleife für die Kopplung nur eine andere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt. Es kann auch eine Kopplung über ein Loch vorgenommen werden, wobei der Hohlraum dann direkt am Leiter befestigt ist.

Obwohl die Abmessungen oder Dimensionen des Hohlraumes

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mit Hilfe der Kurven der Fig. 3 bestimmt sind, kann es zweckmäßig sein, eine Einrichtung zu besitzen, um eine feine Obereinstimmung der Resonanzfrequenz dieses Hohlraumes zu erzielen. In der Fig. 2 wird diese Einrichtung durch die Abstimmschraube 12 aus Metall gebildet. Ihr Eindringen in den Hohlraum erhöht dessen Resonanzfrequenz und stört die Feldlinien einer Resonanzwelle. Andere Abstimme inr ich tunge η können benutzt werden, wie beispiels- ' weise ein beweglicher Deckel. Es ist offensichtlich, daß Vorrichtungen, die andere Abstimmeinrichtungen als eine Schraube benutzen, nicht über den Rahmen der vorliegenden Erfindung hinausgehen.

In den Fig. h und 5 sind einige Beispiele für die elektrische Feldverteilung von den am häufigsten benutzten Resonanzwellen dargestellt. Es ist bekannt, daß die Ampli tuden der radialen und tangentialen Komponenten des elek trischen Feldes des Wellentyps TE Produkte sind von

m,n,p

sinusförmigen Funktionen des Polarwinkels, von sinusförmigen Funktionen der Koordinate ζ und von Besselfunktionen Radiusvektors.

In der Fig. k sind zwei Wellen mit dem Index m = 1 dargestellt. Die Fig. ka. zeigt die Richtungen der elektrischen Feldlinien des TE -Wellentyps und die Fig. kh die Richtungen der elektrischen Feldlinien des Wellentyps TE₁ -an. In der Fig. kc sind die Veränderungen der Amplitude in bezug auf elektrische Felder dieser Wellentypen für einen Polarwinkel ψ = 0 und in der Fig. kd für einen Polarwinkel ψ= * dargestellt.

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In der Fig. 5 sind zwei Wellentypen mit dem Index m = dargestellt. Da der erste Index zu Null gesetzt ist, verschwinden die Veränderungen entsprechend dem Polarwinkel, so daß die elektrischen Feldlinien konzentrische Kreise bilden. Die Veränderungen der tangentialen Komponente dieser Felder sind in der Fig. 5c dargestellt.

Die sinusförmigen Veränderungen der elektrischen Felder dieser vier Wellentypen entlang der Koordinate z, parallel zur Achse, sind in der Fig. 5d dargestellt.

Diese möglichen unterschiedlichen Verteilungen führen zu verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung;

Wenn ein TE -Wellentyp gewählt wird, dann schneidet der dielektrische Zylinder 14 der Fig. 2 notwendigerweise die elektrischen Feldlinien. Dieser Zylinder führt also zu mehr oder weniger großen Verlusten, die eine Erwärmung des Materials bewirken. Dennoch ist es vorteilhaft, diesen Weltentyp auszuwählen, denn aus den Kurven der Fig. 3 ist ersichtlich, daß für diesen Wellentyp die Abmessungen des Hohlraumes und damit die Abmessungen der Vorrichtung sehr klein sind.

Die im Dielektrikum des Zylinders, der das Plasma begrenzt, abgeführte Energie kann beträchtlich verringert werden, wenn der Radius dieses Zylinders so gewählt wird, daß seine Wände einen Bereich des Hohlraumes belegen, in dem die Amplitude des elektrischen Feldes sehr gering, insbesondere Null, ist. Damit die Amplitude einer Komponente des elektrischen Feldes an einem anderen Punkt als einem Punkt auf den Wänden Null ist, ist es erforderlich, daß die

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Beseelfunktion, die die Veränderungen dieser Amplitude in Abhängigkeit vom Radiusvektor r beschreibt, für andere Werte als die trivialen Werte r = 0 oder r = a Null wird, wenn a den Radius dee Hohlraumes bezeichnet. Gemäß einer bekannten Eigenschaft der Besselfunktionen ist es also erforderlich, daß der Index η mindestens gleich zwei beträgt.

Die TE₁₂-- und TE_O22-Wellentypen, deren Verteilungen in den Fig. 4c, kd und 5c dargestellt sind, besitzen diese Eigenschaft. Für den TE₁₂₂-Wellentyp ist das Feld Null für

*> = 0 und - m 0,35. Für f = % ist das Feld Null für ξ = 0,72.

a jc a

Ein dielektrischer Zylinder mit einem Radius zwischen 0,35a und 0,72a ist also nur einem sehr schwachen Hochfrequenzfeld unterworfen. Was den TE₀₂₂-Wellentyp anbelangt, so ist das elektrische Feld Null für 7 = 0,55 für jeden Polarwin-

kelT. Ein dünner dielektrischer Zylinder mit einem Radius r = 0,55a, der koaxial in einem Resonanzhohlraum für den TE-.p-Wellentyp liegt, bedeutet also überhaupt keinen Hochfrequenzverlust. Mit diesen Vorrichtungen ist es also möglich, das maximale elektrische Feld auszunutzen, um das Plasma zu erzeugen, denn dieses Maximum liegt innerhalb des Zylinders.

Die Verwendung von Resonanzwellen mit Bereichen, in denen das Feld im Hohlraum schwach oder Null ist, um die Verluste und die Aufwärmung des Zylinders auf ein Minimum zurückzuführen, beschränkt sich natürlich nicht nur auf die beschriebenen TE ₂₂- und TE_₂₂-Wellentypen. Die Verwendung von anderen Wellen mit einem Index η ^ 2 bildet daher lediglich eine andere Ausführungsform der Erfindung, ohne deren Rahmen zu verlassen.

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Die vom Betrieb der Vorrichtung anhand der Fig« 1 und 2 gegebene Beschreibung nimmt nicht zu den durch die Anwesenheit eines Plasmas im Inneren des Hohlraumes erzeugten Störungen Stellung. Die beiden Hauptstörungen betreffen einerseits die Verwerfung der Resonanzfrequenz des Hohlraumes und andererseits den Abfall seiner Überspannung. Es soll f die Vakuumfrequenz des Hohlraumes sein. Die Entstehung des Plasmas erzeugt eine Veränderung der Resonanzfrequenz, die zu f wird. Wenn ebenso die anfängliche Überspannung des Hohlraumes Q beträgt, dann bewirken die Verluste im Plasma eine Veränderung dieser Überspannung auf einen Wert Q . Venn für die feste Frequenz des Hochfrequenzgenerators ein Wert gleich zu f gewählt wurde, dann muß die Verwerfung der Resonanzfrequenz des Hohlraumes kleiner sein als die Bandbreite der Resonanz mit einem Plasma, damit die Wechselwirkung zwischen der vom Generator erzeugten Welle und dem Plasma des Hohlraumes noch bemerkbar ist. Diese Bedingung kann daher wie folgt beschrieben werden;

f - f _p I < f/2Qp

Wenn beispielsweise die Leistungsabsorption durch das Plasma so ist, daß Q = 1000 gilt, dann kann die Resonanzfrequenz des Hohlraumes von derjenigen der Magnetfeldröhre nicht mit einer Größe abweichen, die höher liegt als 1,23 MHz für f = 2459 MHz oder die höher ist als 5 MHz für f = 10 GHz.

Die Werte für die Verwerfung der Frequenz, und für den Abfall der Überspannung hängen von der betrachteten Resonanzwelle, vom Durchmesser R des dielektrischen Zylinders 14, vom verwendeten statischen Magnetfeld und von der Elektronendichte η des Plasmas ab:

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Bei geringen Plasmadichten (n < 10 m"³ bei 2^59 MHz und bei einem Druck von 10*" Torr) und für ein Plasma mit geringen Dimensionen oder Abmessungen (— 4ζ 0,1) ist die Ver-

werfung der Frequenz nicht sehr bedeutend: Es kann angenommen werden, daß der Hohlraum bei derselben Frequenz in Resonanz ist wie wenn in ihm ein Vakuum ist, d. h. bei der Generatorfrequenz. Die Verwerfung ist darüber hinaus um so

R R

kleiner, je kleiner — ist. Für denselben Wert von — ist sie

et &

kleiner für TE -Wellentypen als für TE. -Wellentypen, onp lnp

Diese Verwerfung verschwindet, wenn für den Wert des statischen Magnetfeldes der Wert*der Zyklotronresonanz (875 Gauß für 2U59 MHz) verwendet wird, wobei dann die Leistungsabsorption durch das Plasma am größten ist.

Bei größeren Dichten (n CiIO¹V³ bei 2^59 MHz) und ohne Magnetfeld ist es erforderlich, wenn man eine annehmbare Verwerfung erhalten will, für TE₁₁.-Wellentypen ebonit
falls geringe Werte von — zu nehmen, während für einen TE Wellentyp größere Werte genommen werden können. Mit einem Magnetfeld, das in der Nähe des Resonanzwertes liegt, kann

man den Wert von — erhöhen, indem eine annehmbare Verwerfung für die TE - und TE_ -Wellentypen erhalten wird.

Bei erhöhten Dichtewerten (ntt 10 V³ bei 2^59 MHz) führt nur der TE₀₁₁-Wellentyp zu schwachen Verwerfungen in der Nähe der Zyklotronresonanz.

Die drehzylindrischen Hohlräume sind nicht die einzigen Formen, die bei der Erfindung verwendet werden können. In einer anderen Ausführungsform der Erfindung, die in der Fig. 6 dargestellt ist, hat der hochfrequente Hohlraum eine zusammengesetzte Form. Er ist auf dem größten Teil seiner

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Länge koaxial und drehzylindrisch auf dem übrigen Teil.

In dieser Fig. 6 wird ein drehzylindrischer Hohlraum 50 auf seiner Achse durch einen magnetischen Metallzylinder 23 durchquert, der von einem Deckel 2k ausgeht. Der Zylinder 23 wird von einem Kanal 25 durchstoßen, der mit einem Rohr 26 in Verbindung steht, das auf dem Zylinder 23 aufgelötet ist. Der zentrale Leiter der Koaxialleitung 7 endet mit einer Koppelschleife 27· Eine Ausdehnungsschale 17 bestimmt eine Ausdehnungskammer kO, die mit dem Hohlraum 50 über eine Öffnung 41 in Verbindung steht. Eine Abziehelektrode 18 ist durch eine Stromquelle S negativ gepolt· Eine Platte 28 aus Weicheisen, zwei Träger oder Pfosten 29 und 30 und ein Flansch 31 bilden mit dem magnetischen Metallzylinder 23 einen Magnetkreis für das durch die beiden Spulen 32 und 33f die parallel geschaltet sind, erzeugte statische Magnetfeld. Ringförmige Dichtungen 3^ und 35 gewährleisten die Dichtheit des Hohlraumes 50 und des Führungsglieds 21.

Diese Vorrichtung arbeitet wie folgt:

Das hochfrequente Erregungsfeld dringt in den Hohlraum durch die Koaxialleitung 7 ein. Die Schleife 27 wird durch einen Strom durchflossen und das so entstehende Magnetfeld erregt die Resonanzwellen des Hohlraumes, die eine magnetische Komponente aufweisen, die senkrecht zur Ebene der Schleife ist. Diese Kopplungswelle erregt also einen transversalen elektromagnetischen TEM-Wellentyp. Diese Erregungswelle ist nur in dem Teil des Hohlraumes genau vom TEM-Typ, in dem dieser einem koaxialen Hohlraum gleichgesetzt werden kann. Das zu ionisierende Gas wird über das Rohr 26 durch den Kanal 25 eingeführt. Dieses Gas ist nur am Ausgang des

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Kanals 25 einem ultrahochfrequenten Feld unterworfen. In diesem Bereich verstärkt auch das durch die Spulen 32 und 33 erzeugte statische Magnetfeld die Wechselwirkung zwischen der hochfrequenten Welle und dem Plasma durch die Erscheinung der Zyklotronresonanz, so daß sich die öffnung k\ sehr in dem Bereich befindet, in dem das Plasma am dichtesten ist. Die Form des Magnetkreises und insbesondere die Verwendung der Platte 28 aus Weicheisen rufen einen bedeutenden Gradienten des Magnetfeldes an der Durchführung der Öffnung kl hervor, wodurch, wie bei den vorhergehenden AusfUhrungsbeispielen, der Abzug oder die Extraktion des Plasmas begünstigt wird. Dieses diffundiert sodann in die Ausdehnungskammer UO,und die Elektrode 18 zieht die Ionen ab, insbesondere im Schutz des Magnetfeldes.

Bei diesem AusfUhrungsbeispiel sind die elektrischen Feldlinien in der Nähe des Bereiches, in dem das Plasma gebildet wird, weniger genau festgelegt als bei dem AusfUhrungsbeispiel, bei dem ein zylindrischer Hohlraum verwendet wird. Obwohl das hochfrequente elektrische Feld nicht senkrecht zum statischen Magnetfeld ist, so ist doch eine Zyklotronresonanz der Elektronen, die oben beschrieben wurde, möglich, denn das hochfrequente elektrische Feld besitzt eine transversale Komponente, die nicht Null ist, ausgenommen vielleicht auf der Achse des Hohlraumes. Die Elektronen beschreiben dann eine Schraubenlinie und nicht mehr eine ebene Kurve.

Die erfindungsgemäße Ionenquelle kann mit vielen Gasen arbeiten. Insbesondere wurden mit Wasserstoff gute Ergebnisse erhalten.

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Claims

Patentansprüche

/ 1 .J Ionenquelle, gekennzeichnet durch

eine Plasmaquelle mit einem Hohlraum (f>0)» der entsprechend einer seiner Resonanzwellen ultrahochfrequent erregt ist, und mit einem statischen Magnetfeld, das auf die Elektronenzyklotronresonanz eingestellt ist; und

eine Extraktionseinrichtung für die Ionen.des Plasmas mit einer Ausdehnungsschale (17)» die mit einer Öffnung (*n) versehen ist, die mit dem Hohlraum (50) in Verbindung steht, und mit Elektroden (18) für den Abzug von Ionen, die auf geeigneten Potentialien liegen;

wobei die Plasmadichte in der Nähe der Öffnung (*H) am größten und das statische Magnetfeld in der Nähe der Abziehelektroden (18) im wesentlichen Null ist.

2. Ionenquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das statische Magnetfeld den der Zyklotronresonanz entsprechenden Wert nur in der Nähe der Öffnung (4i) der Ausdehnungs s chal e ( 1 7 ) -annimmt.

3. Ionenquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der Nähe der Öffnung (*n) ein starker Gradient des statischen Magnetfeldes besteht.

k. Ionenquelle nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß die Ausdehnungsschale (.17) aus einem Metall mit einer, schwachen Reluktanz besteht und eine magnetische Abschirmung für das statische Magnetfeld bildet.

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5. Ionenquelle nach Anspruch k, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausdehnungsschale (17) aus Weicheisen besteht.

6. Ionenquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Hochfrequenz-Hohlraum (50; 11) drehzylindrisch ist, daß die Resonanzwelle transversal-elektrisch ist, daß das statische Magnetfeld axial ist, und daß das Plasma im Inneren eines dielektrischen Zylinders (i4) begrenzt ist, der dicht und koaxial gegenüber dem Hohlraum (50; 11) ist und der im Vergleich zum Hohlraum (50; 11) einen geringeren Radius aufweist, wobei die Ausdehnungsschale auf der Achse des dielektrischen Zylinders (14) liegt.

7. Ionenquelle nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Resonanzwelle des Hohlraumes (50; 11) vom TE₁₁₁-TyP ist.

8. Ionenquelle nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Resonanzwelle in gewissen Bereichen, die innerhalb des Hohlraumes (50; 11) liegen, ein elektrisches Feld mit der Amplitude Null besitzt, wobei der dielektrische Zylinder (i*0 für die Einspeisung des Gases in der Nähe dieser Bereiche liegt.

9. Ionenquelle nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlraum (50; 11) durch einen TE „-Wellentyp erregbar ist.

10. Ionenquelle nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlraum (50; 11) durch einen TE „-Wellentyp erregbar ist.

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11. Ionenquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Hochfrequenz-Hohlraum (50) durch einen zylindrischen Hohlraum (50) gebildet ist, auf dessen Achse ein hohler Metallzylinder (23) mit einer schwachen Reluktanz vorgesehen ist, der in Berührung mit dem Deckel (24) des zylindrischen Hohlraumes (50) steht und im Hohlraum (50) in der Nähe der Öffnung (4i) der Ausdehnungsschale (17) mündet, wobei der Zylinder (23) einen Teil des Magnetkreises bildet, der das statische Magnetfeld führt.

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