DE2441767A1

DE2441767A1 - Plasmaquelle grossen querschnittes und ionenbeschleuniger

Info

Publication number: DE2441767A1
Application number: DE2441767A
Authority: DE
Inventors: Jean-Loup Delcroix
Original assignee: DELCROIX JEAN LOUP
Current assignee: DELCROIX JEAN LOUP
Priority date: 1973-10-02
Filing date: 1974-08-31
Publication date: 1980-01-17
Also published as: US4209703A; FR2421534A1; FR2421534B1; NL7411838A; GB1581126A

Description

Mein Zeichen E 223 M Tag 27.8.1974

Patentanmeldung Anmelder: Jean Loup Delcroix, Boulogne;

Jean Peyraud, Villefranche (Frankreich)

Plasmaquelle großen Querschnittes und Ionenbeschleuniger

Die Erfindung bezieht sich auf eine Plasmaquelle großen Querschnittes, die einen Ionenbeschleuniger bildet, der namentlich in Anwesenheit einer starken magnetischen Induktion arbeitet.

Die Erfindung bezieht sich ferner auf eine Anwendung einer derartigen Plasmaquelle insbesondere für ein Raumfahrttriebwerk oder für eine Vorrichtung zur Oberflächenbearbeitung durch Ionenbeschuß.

Bekannte Plasmaquellen, die z.B. im Inneren von Hohlkathoden realisiert sind, ermöglichen bekanntlich nicht die Bildung von Plasmastrahlen großen Querschnittes in Anwesenheit eines magnetischen Feldes. Bei den bekannten Ausführungsformen ist die Querdiffusion des Plasmas durch das magnetische Feld behindert.

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^ση das Deutsche Patentamt, München ■ ■ Patentanwalt

Außerdem kann bei den bekannten Ausführungsformen die direkte Beschleunigung des Plasmas durch einen Geometrieeffekt nicht angestrebt werden, da diese Lösung zu inhomogenen magnetischen Feldern führen würde.

Das Ziel der Erfindung besteht in der Behebung dieser " Nachteile. Hierzu stellt sich die Erfindung die Aufgabe, eine Plasmaquelle zu liefern, die gleichzeitig einen Ionenbeschleuniger darstellt, der in Anwesenheit einer starken magnetischen Induktion arbeiten kann und es insbesondere gestattet, einen Plasmastrahl 'großen Querschnittes und mit einem starken Fluß ionisierter Teilchen zu erzeugen.

Da der Plasmastrahl einen großen Querschnitt erreichen kann, ist die Erfindung insbesondere für den Einsatz in einem Raumfahrttriebwerk geeignet, das durch den Schub arbeitet, den die Plasmateilchen erzeugen.

Die Erfindung ist andererseits namentlich für die Oberflächenbearbeitung relativ großer Zonen geeignet, wie z.B. für die Oberfläche von Halbleitern.

Die Erfindung schlägt also eine Plasmaquelle vor, die einen lonenbeschleuniger bildet, namentlich für den Betrieb in Anwesenheit einer starken magnetischen Induktion und zur Erzeugung eines Plasmastromes großen Querschnittes. Die Plasmaquelle ist gekennzeichnet durch eine Kammer mit Mitteln zur Erzeugung des Plasmas und Mitteln zur Einführung eines Gases in die Kammer, durch eine Reihe paralleler Kanäle, die mit der Kammer in Verbindung stehen, und durch eine magnetische Induktionsspule, die derart um die von den Kanälen gebildete Einheit herum ange- ordnet ist, daß die magnetische Induktion parallel zu den Kanälen verläuft_o

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Die Richtung der magnetischen Induktion ist derart ge— -wählt, daß die im Inneren der Kammer erzeugten Teilchen des teilweise ionisierten Gases nach außen diffundieren, indem sie die Kanäle passieren, ohne dort eine Kollisi- - 5 on zu bewirken, wenn das magnetische Feld ausreichend stark ist.

Die Gesamtheit der Kanäle bildet also ein Filter, das für die neutralen Teilchen undurchlässig und für die geladenen Teilchen durchlässig ist.

Die Kanäle gestatten es andererseits, dem erzeugten Plasmastrahl einen großen Gesamtquerschnitt zu verleihen, da dieser dem durch die Gesamtheit der Kanäle gebildeten Querschnitt entspricht β

Die Plasmaquelle ist gleichzeitig ein Ionenbeschleuniger, indem die Ionen durch ambipolare Diffusion beschleunigt werden. Die bei diesem Prozeß ausgenutzte Energiequelle ist die thermische Anregung der Elektronen. Die Energie der Elektronen wird umgewandelt in gerichtete Energie der Ionen. Die so übertragene Energie äußert sich in einer Verringerung der Elektronentemperatur und in einer Beschleunigung der Ionen, Die Beschleunigung der Ionen ist für die ±m Rahmen der Erfindung vorgesehaien Anwendungsziele von besonderem Interesse.

Mach einer vorteilhaften Ausbildungsform der Erfindung ist die Kammer zylindrisch. Ferner ist die von den Kanälen gebildete Einheit von einem Zylinder umgeben, der koaxial an der Kammer befestigt ist und die Kanäle sind durch eine Reihe paralleler Wände abgegrenzt. Ein derartiger Aufbau ist besonders einfach zu verwirklichen und weist zahlreiche Vorteile auf, namentlich hinsichtlich einer leichten Ausrichtbarkext der Kanäle zur

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_αη ua.a JJtJU oatJiiu jrtAü eilTcUIl"C, MunCnen ' """ Patentanwalt

Richtung der magnetischen Induktion, was eine der wesentlichen Voraussetzungen dafür bildet, daß die Kanäle den freien Durchgang der geladenen Teilchen ermöglichen·

Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung _t ist die Länge der Kanäle größer als ihre kleinste Querabmessung, und diese ist kleiner als die mittlere freie Weglänge der neutralen Moleküle des G-ases.

Diese kennzeichnende Bemessung der Kanäle setzt das aus diesen gebildete Filter instand, den Durchgang neutraler Teilchen nahezu vollständig zu verhindern. Man erhält auf diese Weise ein nahezu ausschließlich aus geladenen Teilchen bestehendes Plasma.

Nach einem weiteren Kennzeichen der Erfindung ist eine Vorrichtung vorhanden, die im Inneren der^Kammer eine elektrische Hochfrequenzentladung zur Erzeugung des Plasmas erzeugt.

Nach einem weiteren Kennzeichen bestehen die Mittel zur Einführung eines Gases in die Kammer aus einer Vorkammer, die die Kammer mindestens teilweise umgibt, wobei die V/and der Kammer an der beite der Vorkammer Löcher aufweist, deren Durchmesser kleiner ist als die Wellenlänge der Resonanzfrequenz der Kammer infolge der Ho.chfrequenzentladung.

Die Wände der Kammer und der Kanäle können aus einem gut leitenden Letall wie Kupfer, Gold, Silber oder deren Legierungen bestehen, und sie können mit einer Schicht aus einem elektrisch isolierenden Werkstoff versehen sein.

Eine besondere Ausführungsform der Erfindung ist eine Plasmaquelle für den Betrieb in Anwesenheit einer

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απ aas Deutsche Patentamt, München Patentanwalt _

magnetischen Induktion von mindestens etwa 1 kGauss mit einem Gas unter einem absoluten Druck zwischen 10"^ und 10" Torr und einer Entladungsfrequenz entsprechend einer Y/ellenlänge zwischen 1 mm und 30 cm, wobei folgende cha- _# rakterische Abmessungen vorliegen: kleinste Querabmessung der Kanäle etwa 2 cm, Verhältnis der Kanallänge zur kleinsten Querabmessung etwa 10, Durchmesser der Löcher in der Kammerwand für den Gasdurchgang etwa 1 mm.

Die Erfindung sieht die Anwendung der Plasmaquelle bevorzugt in einem Raumfahrttriebwerk oder in einer Vorrichtung zur Oberflächenbearbeitung durch Ionenbeschuß.

Weitere Besonderheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung anhand der Zeichnung. In dieser zeigen:

Pig, 1 schematisch im Längsschnitt eine Plasmaquelle;

Pig. 2 die Plasmaquelle in einem Schnitt längs der Linie H-II in Fig. 1 ;

Fig. 3 schematisch im Längsschnitt eine Abwandlungsform der Plasmaquelle nach Fig. 1 und 2;

Pig. 4 in einem Diagramm der Verlauf einer Größe, die

proportional zur gesamten in das Plasma injizierten elektrischen Leistung ist, in Abhängigkeit von einer zur Elektronentemperatur des Plasmas proportionalen Größe.

Die Plasmaquelle (Pig. 1 und 2), die zugleich einen Ionenbeschleuniger bildet, besitzt eine Kammer 1, Mittel zur Einführung eines Gases, dargestellt durch den Pfeil 2,

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in das Innere der Kammer 1, sowie eine Beine paralleler H H I/O/ Kanäle 3, die an ihren Enden offen sind und mit dem Inneren der Kammer 1 zusammenarbei-ten.

Die Kammer 1 ist zylindrisch, und die von den Kanälen 3 gebildete Einheit ist von einem Zylinder 4 umgeben, der

koaxial an der Kammer 1 befestigt ist. Die Kanäle 3 ' sind durch eine Reihe paralleler Wände 5 gegeneinander abgeteilt. . ■

Eine magnetische Induktionsspule 6 ist rings um den Zylinder 4 angeordnet und umgibt die Kanäl'e 3 und teilweise die zylindrische Kammer 1 derart, daß ihre magnetische Induktion B parallel zur Achse des Zylinders 4 ist, d.ho parallel zu den Kanälen 3·

lVlan erkennt, daß die Länge I der Kanäle deutlich größer ist als ihre kleinste Querabmessung 1, die dem Abstand zwischen den verschiedenen Wänden 5 entspricht. Die Abmessung 1 ist derart gewählt, daß sie kleiner ist als die mittlere freie Weglänge der neutralen Moleküle, welche das benutzte Gas 2 bilden. '- ' -

Die Gesamtheit der Kanäle 3 bildet ein Filter, das für die neutralen Teilchen undurchlässig und für die geladenen Teilchen, welche durch Ionisation im Inneren der Kammer 1 gebildet werden, durchlässig ist.

Die LJittel zur Ionisation des in die Kammer 1 eingeführten Gases 2 bestehen aus einer nicht dargestellten Vorrichtung, welche es ermöglicht, im Inneren der Kammer 1 eine elektrische Ιίο chf r equenzent ladung zu erzeugen. Bei der Ausführungsforra der Plasmaquelle-in Hg. 1 besitzt diese Einrichtung einen abgeschirmten leiter 7, dessen in das Innere der Kammer 1 ragendes Ende in einer Spitze 8

ausläuft. 909883/0003

JO

2441767 ^Ώ±β ^{Mittel zur} Einführung eines Gases 2 in die Kammer 1 bestehen in einer Vorkammer 9, die am Boden der Kammer 1 befestigt ist. In diese Vorkammer mündet ein Rohrstutzen 11 für den Eintritt des Gases, und zwischen Vorkammer und Kammer befinden sich Lacher 12 im Boden 10. Der Durchmesser der Löcher 12 ist kleiner als die Wellenlänge der Resonanzfrequenz der Kammer infolge der Hochfrequenzent-• ladung, so daß sich die im Inneren der Kammer 1 erzeugten ^wellen nicht in die Vorkammer 9 fortpflanzen« Diese Löcher 12 ermöglichen andererseits eine Drosselung des Gasstromes und eine entsprechende Verminderung des Gasdruckes im Inneren der Kammer 1.

Bei einer Abwandlungsform der Plasmaquelle gemäß Pig ο 3 umgibt die Vorkammer 9a für die Einführung des Gases 2 zusätzlich die Seitenwände 13 der Kammer 1, und diese besitzen ebenso wie der Boden 10 Löcher 12a für den Durchgang des Gases, Die Anordnung der Löcher 12 und 12a und deren regelmäßige Verteilung am Boden TO und an den Seitenwand en 13 der Kammer 1 gestattet es, die radiale Verteilung der Plasmadichte einzustellen, was für die vorgesehenen Anwendungen der Erfindung vorteilhaft ist.

Die Seitenwände 13 und der Boden 10 der Kammer 1 sowie die Wände 5> welche die verschiedenen Kanäle abgrenzen, sind bevorzugt aus einem gut leitenden Metall gefertigt, wie ZoB. Kupfer, Gold, Silber oder deren Legierungen.

Andererseits sind die Wände 13, der Boden 10 und die Wände 5 innen mit einer Isolierschicht 14 aus einem elektrisch isolierenden Werkstoff beschichtet, wie z.B. Polytetrafluoräthylen oder einer Isolierkeramik. Diese "30 Isolation gestattet es, das Einfangen der ionisierten Teilchen durch das die Kammer 1 und die Kanäle 3 bildende Metall beträchtlich zu verringern»

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2441767 Bei der abgewandelten AusfUhrungsform in Fig. 3 endet f der Leiter 7 für die Zuführung des hochfrequenten tftromes im Inneren der Kammer 1 in einer Koppelschleife Statt dieser magnetischen Ankoppelung eines Koaxialkabeis kann auch ein Hohlleiter über ein in die Kammer 1 mündendes Fenster angekoppelt sein.

-Die Plasmaquelle kann mit verschiedenen Gasen arbeiten wie z.B. mit Wasserstoff, Helium, Argon, Methan und Äthylen und mit Absolutdrucken zwischen TO ^J und 10 Torr. Die Ausbeute der Plasmaquelle ist um so größer, je höher die magnetische Induktion B ist. Die Plasmaquelle kann insbesondere in Anwesenheit einer magnetischen Induktion von etwa 1 kGauss oder mehr arbeiten»

Der Frequenzbereich der Hochfrequenzentlaäung entspricht dem klassischen Hyperfrequenzbereich mit Wellenlängen zwischen 1 mm und 30 cm. . - -

Man kann z.B. einen Plasmastrahl von einem Durchmesser von ca. 10 cm erhalten mit Hilfe einer Plasmaquelle, welche die folgenden kennzeichnenden Abmessungen hat:

Kleinste Querabmesaung der Kanäle: 1 = etwa 2 cm Kanallänge L zu Querabmessung: l/l ⁼ etwa 10 Durchmesser der Löcher 12 und 12a in den Kammerwänden: etwa 1 mm«,

kit einer derartigen Quelle kann man andererseits eine gerichtete Ionenenergie zwischen 10 und 100 eV erreichen mit einem #luß zwischen 10" bis 1 A/cm .

Die Arbeitsweise der Plasmaquelle wird durch folgende Parameter beschrieben:

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24A17fi7 ^a^ InJektionsbedingungen: f

- Fluß der neutralen Teilchen: ^ (Teilchen · cm · s~¹)

- thermische Geschwindigkeit der neutralen Teilchen: w (cm · s~ )

- Hochfrequenzentladungsleistung: P;

• b) kennzeichnende Eigenschaften des Plasmas:

- Dichte der neutralen Teilchen: η (cm~^)

- thermische Geschwindigkeit der Elektronen: w

- Elektronendichte in der Kammer: η

- elektrisches Hochfrequenzfeld in der Kammer: E

- Ausbeute der Ionisierung: χ

1. Berechnung des Flusses der die Quelle verlassenden neutralen Teilchen:

Für die Plasmaquelle gilt: d>1^1; die freie mittlere Veglänge d. der neutralen Teilchen iat also sehr viel größer als die Querabmessung 1 der Kanäle. Der Fluß der neutralen Teilchen folgt der NäherungsbeZiehung von Knudsen:

Q' = _ = W (1-x)

⁰ T λ O ^K '

Diese Beziehung drückt aus, daß der Fluß der neutralen Teilchen aus der Quelle klein ist, wenn L/l groß ist_o

2. ^v Gleichungen für die Entladung:

Die Bilanz der Elektrodenerzeugung schreibt sich:

_Λ in _{Λ /o}

Hierin ist s., der für die Ionisation der neutralen Teilchen durch die Elektronen wirksame Querschnitt, Z ein Zahlenkoeffizient mk-U gw^m y/grj;^zwischen 1 und 4,

_αη uab'i/eudbuaö rare en χ; eturi,, maacuvu '— ~ ■""" TäTentcmwaTT

b die Länge der Kammer (siehe Fig. 3), m die Masse eines

Elektrons und m. die Masse eines Teilchens des benutzten Gases.

Die Bilanz für die Umwandlung der neutralen Teilchen in Plasma lautet:

V¹O ^T% ^{b =x Q}o Die Energiebilanz des Hochfrequenzfeldes lautet:

P = f -W- ₊ -f- Ri^ ν ■■'■■■ (2)

Hierin ist f die Pulsation der mit dem elektromagnetischen Feld E verbundenen Welle, s die komplexe Leitfähigkeit des Plasmas, W die mittlere Energie, die in der Kammer gespeichert ist, und Q die Überspannung der Kammer.

Die Energiebilanz der Elektronen lautet:

^ R s E^ V = 2 2j (^ _n^ _{κ τ} ) f V-"+ XQ₀S (κΕ_± + ~ gT_e) (3)

Hierin ist f die Frequenz der elastischen Elektronenstöße, K ein Koeffizient, der den Effekt der inelastischen, nicht ionisierenden Stöße darstellt, T die Elektronentemperatur und S der Querschnitt der Kammer.

Die Elektronentemperatur T berechnet sich in Abhängigkeit von χ mit Hilfe der Gleichung (1). ' Diese Gleichung läßt sich dimensionslos machen, wenn man die Form der Elektronenverteilung kennt. Da es sich hierbei in erster Näherung um eine l.Iaxwell-Verteilung handelt, läßt sich schreiben:

S₁W₆ = W^" s_± (max) g (s) (4)

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" DeüTf 3Öfie""Ta"6 "errfämt"',""TSIunciien

Hierin ist s.(max) der maximale wirksame Ionisationsquerachnitt und g(s) eine Funktion der reduzierten Temperatur

vpg

s = · ' , die von der Art des benutzten Gases abhängt, i

Durch Einsetzen von Gleichung (4) in Gleichung (1) erhält man mit:

G (1-x) g (s) = 1 (5) (was sich leicht durch

Rechnung zeigen läßt):

G = ZlI b s. (max) (-i) ^l/2

Ό" "1

η.

wobei Ή = ■■ ist.

Der Parameter G ist die wesentliche Größe, welche die Arbeitsweise der Entladung bestimmt. G umfaßt die geometrischen Parameter der Einrichtung (b, L/1, die Injektionsbedingungen (^ , w_Q) und die besonderen Eigenschaften des benutzten Gases (a.(max), m.).

3. Berechnung der Energiebilanz

Die Gleichung (2) läßt sich schreiben:

^{P = P}o ^{+ P}p

Hierin ist P die in die Wände der Kammer dissipierte Energie entsprechend

ε E²V

Ρ' = 4 ( ρ—) und ferner ist P hierin die an das

Plasma abgegebene Leistung, für die man nach einiger Rechnung schreiben kann:

ρ _ 1 r f h— Έ² Y

P <— ^" O ep nC.

wobei f die Frequenz der Elektronenstöße an den Wänden ep

und f die Pulsation des Plasmas ist«

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AdOD

,-π a I ie π

Hieraus ergibt sich

f²

O X ρ

f f

§2

^x ep . ρ

T~ "ir

P läßt sich also schreiben: P = P_n (1 +Q -§E * -S- )

ο χ ^£-

In gleicher v/eise läßt sich folgendes zeigen:

4 Tr ZQ V ^mi/ ^ro

-1 Hierin ist r = 2,8 · 10 cm der Elektronenradius und c

die Lichtgeschwindigkeit. Die Anwendung der Gleichung (6) liefert:

r, -1 . ₊ η η ¹°⁵ ^ · f η = C x mit C = Cj -^- — —

mit C₁ = 2,3 · 1o ² in Helium

—? und G₁ =7,4 · 10 in Argon. ■

Die Gleichung (3) für die Energiebilanz der Elektronen läßt sich vvie folgt schreiben:

ρ ρ el. ₊ ρ inel. PP P

(el. bedeutet elastisch und inel. bedeutet inelastisch).

Dunch einfache Rechnung läßt sich zeigen, daß* P ^e * deutlich kleiner ist als P ^inel*

Unter diesen Bedingungen führt die Kombination der Beziehungen (2), (4) und (5) zu folgender Gleichung:

P = Q₀ 3 E₁ (K + I s) (x + G)

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Ab

oder unter Berücksichtigung der Gleichung (5), welche χ und s miteinander verbindet:

Γ -1]

P = Q₀ 3 E₁ (K + I s) j 1 + C - (ög(s)) (6)

In dem in Fig. 4 gezeigten Diagramm ist als Ordinate das Verhältnis P/Q SE. und als Abszisse die reduzierte Elek-

• OX

tronentemperatur s aufgetragen. G wurde als deutlich größer 1 vorausgesetzt. Die Kurve zeigt drei Betriebsbereiche :

a) Im Kurvenzug 1'i-jMp ist der Ionisationsgrad χ sehr nahe bei 1. Liese Betriebsart erstreckt sich bis zu den Punkten M₁ und M₂, deren reduzierte Temperaturen s^ und s'p sehr nahe bei den Löschtemperaturen S₁ (G) und S₂ (G) der Entladung liegen» Je größer die Größe G ist, um so mehr liegt χ in der Nähe von 1 und um so mehr nähern sich s¹., und s'p den Löschtemperaturen. Den beiden Grenzpunkten M₁ und M₂ entsprechen folgende Grenzleistungen:

₁ -

K + I S₁ (G)

(1 + G)

P₂ j» Q₀SE₁ I K + I s₂ (G.)] (1 + C)

Die Leistung P₁ ist eine Minimalleistung, unterhalb derer die Entladung nur mit kleinen Werten von χ erfolgen kann, und die Leistung Pp ist eine Maximalleistung, oberhalb derer die Entladung nicht im Dauerbetrieb aufrechterhalten werden kann«

b) Im Kurvenzug E..IvL verändert sich der Ionisationsgrad χ von O bis. 1. Dieser Kurvenzug ist am Punkt E₁ begrenzt, dessen Temperatur die Löschtemperatur ist. Die entspre-

v, _Λ τ · 4. 909883/0003

chende Leistung « r ν w w <#

^Pa ⁼ % ^OEi [^{K +}l ³1

ist die Leistungsschwelle, bei welcher die Entladung mit einem sehr geringen Ionisationsgrad zu zünden beginnt«

c) Im Kurvenzug IvipEp fällt der Ionisationsgrad wieder " von 1 auf 0. Lieser Kurvenzug entspricht instabilen Betriebebedingungen.

Unter der Berücksichtigung der Instabilität des Kurvenzuges IvigEp erkennt man schließlich, daß die reduzierte Elektronentemperatur in eindeutiger Weise ausgehend von P durch die Gleichung (6) bestimmt wird. Es handelt sich um eine mit P wachsende Punktion. Die für den~ Betrieb der Plasmaquelle sinnvollen Bedingungen sind diejenigen, bei denen χ in der Nähe von 1 liegt« Sie sind durch den Kurvenzug M-jkp dargestellt, und man kann je nach der zu optimierenden Größe den Betriebspunkt in folgender Weise festlegen:'

- Punkt LI* : minimaler Energieverbrauch.

- Punkt M : maximaler Ionisationsgrad.

- Punkt M₂: maximale Ejektionsgeschwindigkeit

des Plasmas.

Um eine Vorstellung über die Größenordnungen der benötigten Leistungen zu geben, zeigt Tafel I typische Werte für die auf das Plasma aufgebrachte Leistung P und die in die Kammerwände dissipierte (oder abgestrahlte) Leistung, v/o bei die Plasmaquelle in der Nähe des Punktes M arbeitet (x = 1, s = 2, Z = 4, k = 3/2,

f = f , Q = 10⁵, b = 10 cm, d = 10²cm²^

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AS

Tafel I

Gas	%	10¹?	10¹⁸	1O¹9
He	P_p (Watt) ^Po / ^Pp	1,8 10² 4,6.10~²	1,8 10³ 1,4.1CT²	1,8 10⁴ 4,6.10"⁵
Ar	Pp (Watt) £ / P	1,2 10² 3.1 Ο"²	1,2 10⁵ ΙΟ"²	1,2 10⁴ 3o10~⁵

In der Praxis ist zu beobachten, daß P_Q immer sehr viel kleiner als P ist, so daß die Gesamtleistung praktisch mit P zusammenfällt.

In Tafel II sind die Ergebnisse zusammengestellt, die sich für eine Plasiaaquelle ergeben, welche folgende kennzeichnenden Werte aufweist:

% S	Il Il	O	^w (1,6 cm
b	=	5	cm
L/l f	Il Il —Λ —Λ	O O¹	⁰H₂
Q	= 1	O³

Γ¹ A/cm²)

Ferner ist Z = 4, g„ = 1, s„ = 2 vorausgesetzt und ange

18 '2 nommen, daß die Entladung 10 ^.tome/cm *s liefert.

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Tafel II

Gas	G	¹-^x(max)	ü	S	^S2	^Pa (Watt;	^P1 (Watt)	Pcri- tique (Watt)	^P2 (Watt;
He	2.1O¹	5»10"²	1,1.10~²	0,25	>10	1	10	1,7.1 o²	>10³
ür	1,51O³	7.IO-⁴	3,7 10"⁵	0,12	>10	0,25	60	1,21O²	>10³

Die Plasmaquelle hat also bemerkenswerte Eigenschaften, die sich wie folgt zusammenfassen lassen:

- hoher Ionisationsgrad ( χ Ca, 1 ),

- großer Plasniafluß (höher als 10" A/cm ),

- Löglichkeit, das Plasma über einen großen Querschnitt zu verteilen,

- guter energetischer ',/irkungsgrad der gesamten Plasmaquelle.

Die Rechnungen zeigen andererseits, daß die Ionen des Plasmas bis auf sehr hohe Energien beschleunigt werden können. Es läßt sich begründen, daß das Energieniveau der Ionen 100 eV erreichen und sogar überschreiten kann. Diese Beschleunigung erfolgt durch ambipolare Diffusion, bei der die ursprüngliche Energie, die von der thermischen Erregung der Elektronen gebildet wird, in gerichtete Energie umgewandelt wird, während sich die Elektronen abkühlen..

Die genannten Vorteile machen die Plasmaquelle besonders für ein Raumfahrttriebwerk geeignet, das eine gute üchubausbeute hat. 909883/0003

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IO

Bei dieser Ausführungsform ist die Plasmaquelle in Verbindung mit einem Gasbehälter zu sehen, sowie mit einem Generator zur Erzeugung der elektrischen Energie für die Speisung der magnetischen Induktionsspule. Hierbei kommen Generatoren unterschiedlicher Art in Frage, besonders solche nach dem magneto-hydrodynamischen Prinzip oder auf « der Basis der Verwendung von Sonnenenergie.

Bei der Anwendung der Plasmaquelle in einer Vorrichtung zur Bearbeitung von Oberflächen durch Ionenbeschuß ist die Plasmaquelle zusammen mit Mitteln zur Ausbildung eines relativ hohen Vakuums einzusetzen, das zwischen der Quelle und dem zu bearbeitenden Teil vorzusehen ist. Me Induktionsspule kann in diesem Fall mit klassischen kittein gespeist werden.

Ua die Plasmaquelle es gestattet, das Plasma über einen großen Querschnitt zu verteilen,. große Plasmaflüsse zu liefern und-eine starke Ionenbeschleunigung zu erzielen, ist es möglich, in einem Bearbeitungsgang große Oberflächen zu bearbeiten.

Eine bevorzugte Anwendungsform der Plasmaquelle nach der Erfindung besteht in der Bearbeitung von Halbleitern.

- Patentansprüche -

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Leerseite

Claims

J Plasmaquelle, die einen Ionenbeschleuniger bildet, namentlich für den Betrieb in Anwesenheit einer starken magnetischen Induktion und zur Erzeugung eines Plasmastromes großen Querschnittes, gekennzeichnet durch eine Kammer (1) mit Mitteln zur Erzeugung des Plasmas und läitteln zur Einführung eines Gases (2) in die Kammer, durch eine Reihe paralleler Kanäle (3), die mit der Kammer in Verbindung stehen, und durch eine magnetische Induktionsspule (6), die derart-um _β die von den Kanälen gebildete Einheit angeordnet ist, daß die magnetische Induktion parallel zu den Kanälen verläuft. · -
2. Plasmaquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kammer (1) zylindrisch ist, die von den Kanälen (3) gebildete Einheit von einem Zylinder (4) umgeben ist, der koaxial an der Kammer befestigt ist und die Kanäle durch eine Reihe paralleler Wände abgegrenzt sind. .
3. Plasmaquelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daü die Länge (!) der Kanäle (3) größer ist als ihre kleinste Querabmessung (l) und diese kleiner ist als die mittlere freie weglänge der neutralen ifloleküle des Gases (2).
4. Plasmaquelle nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Vorrichtung, die im Inneren der Kammer (T) eine elektrische Hochfrequenzentladung zur Erzeugung des Plasmas erzeugt. .„

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5· Plasrnaquelle nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Einführung eines Gases (2) in die Kammer (1) aus einer Vorkammer (9, 9a) bestehen, die die Kammer (1) mindestens teilweise umgibt, wobei die Wand der Kammer an der öeite der Vorkammer Löcher (12, 12a) aufweist, deren Durchmesser kleiner ist als die Wellenlänge der Resonanzfrequenz der Kammer infolge der Hochfre qu enzentladung.
6. Plasmaquelle nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Wände der Kammer (1) und der Kanäle (3) aus einem gut leitenden !detail wie Kupfer, Gold, Silber oder deren Legierungen bestehen.
7. Plasmaquelle nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Wände der Kammer (i) und der Kanäle (3) innen mit einer Schicht (H) eines elektrisch isolierenden Werkstoffes versehen sind.
8. Plasmaquelle nach einem oder mehreren der Ansprüche

1 bis 7 für den Betrieb in Anwesenheit einer magnetisehen Induktion von mindestens etwa 1 kGauss mit einem Gas unter einem absoluten Druck zwischen 10"^ und 10" Torr und einer Entladungsfrequenz entsprechend einer Wellenlänge zwischen 1 mm und 30 cm, gekennzeichnet durch folgende charakteristischen Abmessungen: _,

kleinste Querabmessung der Kanäle 1 : etwa 2 cm, Kanallänge L zu Querabmessung L/l : etwa 10, Durchmesser der Löcher (12, 12a) in

der Kammerwand für den Gasdurchgang : etwa 1 mm

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9. Plasmaquelle nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch den Einsatz als Raumfahrttriebwerk. . " ' _ -
10. Plasmaquelle nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch den Einsatz in einer
Vorrichtung zur Oberflächenbearbeitung durch Ionen--

beschuß. -

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