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Mikrowellen-Entladungs-Ionenquelle
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Die Erfindung betrifft eine Ionenquelle zum Erzeugen eines Ionenstrahles
mit einer Mikrowellen-Entladung, und insbesondere eine Ionenquelle zum Erzeugen
eines Ionenstrahles, um Ionen vorbestimmter Masse mit hohem Auflösungsvermögen zu
trennen.
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Ionen werden auf zahlreichen Gebieten der Technik verwendet, z. B.
bei der Ionenimplantation, Ionenstrahl-Beschichtung, Ionen-Plattierung, Plasma-Zerstäubung
und
bei Analysengeräten, die mit Ionen arbeiten.
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In Ionenquellen für starke Ionenströme wird ein Plasma im allgemeinen
durch Ionisation aufgrund Elektronenbeschusses in der Gasentladung gebildet, um
aus dieser Ionen abzusaugen.
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Eine andere herkömmliche Ionenquelle arbeitet mit geringer Spannung
entsprechend einer Bogenentladung, um starke Ionenströme zu erzeugen. Bei dieser
Ionenquelle werden jedoch die Ionen als Ionenstrahl von der Ionenquelle mit einem
niedrigen Wirkungsgrad abgegeben, die Entladungsbedingungen sind instabil und die
Kathode korrodiert durch das Entladungsgas, was zu einem Verschleiß oder Bruch führt.
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Um diese Nachteile auszuschließen, wurde bereits an eine Mikrowellen-Entladung
als Ionenquelle gedacht.
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An der Mikrowellen-Entladung ist vorteilhaft, daß ein instationärer
Betrieb des Plasmas aufgrund von Oberflächenbedingungen der Kathode vermieden werden
kann, da keine Kathode vorgesehen ist, daß die Entladung bei niedrigem Druck stattfindet
und daß sie einen hohen Leistungs-Wirkungsgrad hat. Die herkömmliche Mikrowellen-Entladungs-Ionenquelle
ist aber so aufgebaut, daß ein Mikrowellen-Oszillator einfach über eine Koaxialleitung
mit einem Entladungsraum gekoppelt ist) der die Form eines Zylinders hat, wie weiter
unten näher erläutert wird. Der Nutz-Wirkungsgrad der Ionen nimmt daher merklich
ab, wenn aus ihnen ein Ionenstrahl mit Rechteck-Querschnitt über einen Spalt zur
Massentrennung (Massenspektroskopie) mit einem Massenspektrometer abgesaugt wird.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Mikrowellen-Entladungs-Ionenquelle
anzugeben, mit der ein sehr starker Ionenstrahl von im wesentlichen Rechteck-Querschnitt
erzeugt werden kann; der Mikrowellen-Entladungs-Ionenstrahl einschließlich des Entladungsraumes
sollte den Rechteck-Querschnitt senkrecht zu sich haben; der Querschnitt des Entladungsraumes
senkrecht zum Ionenstrahl sollte im wesentlichen die gleiche Form wie der im wesentlichen
Rechteck-Spalt haben, der dem Ionenstrahl den Querschnitt verleiht, so daß der abgegebene
Ionenstrahl ein hohes Auflösungsvermögen bei Massentrennung durch ein Massenspektrometer
aufweist; dabei sollte die Mikrowellen-Entladung lediglich in der Nähe eines Elektrodenspaltes
auftreten, der durch eine Reihe paralleler Elektroden festgelegt ist, die gegenüber
und leicht beabstandet vorgesehen sind, und ein Plasma sollte einen schmalen Querschnitt
in einer Ebene senkrecht zur Richtung des ausgesandten Ionenstrahls haben und schließlich
durch einen handelsüblichen Mikrowellen-Oszillator erzeugbar sein, der nicht sehr
aufwendig ist.
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Erfindungsgemäß wird bei einer Mikrowellen-Entladungs-Ionenquelle,
mit einem Satz leitender Glieder, die zwischen sich ein elektrisches Mikrowellenfeld
erzeugen, mit einer Einrichtung zum Erzeugen eines Magnetfeldes in Richtung senkrecht
zum elektrischen Mikrowellenfeld, mit einer Einrichtung zum Einführen eines Probengases
oder -dampfes, mit wenigstens einer Absaugelektrode zum Absaugen von Ionen aus einem
Plasma, das durch eine Mikrowellen-Entladung erzeugt ist, die in der Atmosphäre
des eingeführten Probengases oder -dampfes in Zusammenwirken mit dem elektrischen
Mikrowellenfeld und dem Magnetfeld auftritt, und mit einem
vakuumdichten
Isolierstoff an dem Endteil entgegengesetzt zum Endteil mit der Absaugelektrode
diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die leitenden Glieder ein Satz von Elektroden
sind, deren Flächen gegenüber und im wesentlichen parallel angeordnet sind, daß
ein in der Nähe eines Elektrodenspaltes zwischen den Elektroden gebildeter Entladungsraum
einen im wesentlichen Rechteck-Querschnitt in einer Ebene senkrecht zur Ionen-Absaugrichtung
hat, daß die Absaugelektrode mit einem Schlitz ausgestattet ist, der im wesentlichen
die gleiche Form wie der Rechteck-Querschnitt hat, um durch den Schlitz einen Ionenstrahl
mit Rechteck Querschnitt abzusaugen, und daß der vakuumdichte Isolierstoff an seiner
Berührungsstelle mit den Elektroden Leitermaterial vakuumdicht trägt.
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Bei der Erfindung hat also eine Ionenquelle zum Aussenden eines starken
Ionenstrahles mit Rechteck-Querschnitt eine Reihe paralleler Elektroden, denen Mikrowellen-Leistung
zugeführt wird, um in einem Elektrodenspalt ein elektrisches Mikrowellenfeld zu
erzeugen. Ein magnetisches Gleichfeld liegt in einer Richtung entlang den gegenüberliegenden
Flächen der Elektroden, um eine Mikrowellen-Entladung im Elektrodenspalt zusammen
mit dem diesen kreuzenden elektrischen Mikrowellenfeld zu erzeugen. Der Elektrodenspalt
oder der Entladungsraum hat einen Rechteck-Querschnitt senkrecht zur Richtung, in
der die durch die Mikrowellen-Entladung erzeugten Ionen als Ionenstrahl ausgesandt
werden, wobei eine Seite des Querschnittes entsprechend dem Abstand zwischen den
Elektroden kürzer als ihre hiermit kreuzende Seite ist. Dies ermöglicht
das
wirksame Erzeugen des Ionenstrahles mit Rechteck-Querschnitt durch eine oder mehrere
Absaugelektroden, die Rechteck-Schlitze entsprechend der Form des oben erwähnten
Querschnitts aufweisen.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert.
Es zeigen: Fig. 1 einen schematischen Querschnitt einer herkömmlichen Mikrowellen-Entladungs-Ionenquelle,
Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Einheit, bei der die Mikrowelle über
eine Steghohlleitung zu einer erfindungsgemäßen Mikrowellen-Entladungs-Ionenquelle
übertragen wird, um lediglich Ionen mit vorbestimmter Masse aus einem Ionenstrahl
zu erhalten, der aus der Ionenquelle abgesaugt wird, Fig. 3A einen Querschnitt mit
Einzelheiten eines Ausführungsbeispiels der Erfindung, bei dem die durch die Steghohlleitung
übertragene Mikrowelle verwendet wird, Fig. 3B einen Schnitt IIIB-IIIB' durch Fig.
3A, Fig. 50 und 3D Querschnitte mit Abwandlungen der in den Fig. 3A und 3B gezeigten
Ausführungsbeispiele, Fig. 4A eine Explosionsdarstellung des in den Fig. 3A und
3B gezeigten Ausführungsbeispiels,
Fig. 4B einen Querschnitt parallel
zu parallelen Flächen einer vakuumdichten dielektrischen Platte in Fig. 4A, Fig.
5 die Befestigung einer Zuführeinrichtung für einen Metalldampf als Entladungsgas
in die in den Fig. 3A und 3B dargestellte Anordnung, Fig. CA einen Querschnitt einer
Vorrichtung, bei der das Ausführungsbeispiel der Fig. 5A und dB zur Erzeugung eines
Metalldampf-Plasmas abgeändert ist, Fig. 6B einen Teil eines Schnittes VIB-VIB'
in Fig. 6A, Fig. 7 eine perspektivische Darstellung eines Gehäuses, das in den Entladungsraum
des Ausführungsbeispiels der Fig. 5A und dB eingefügt ist, Fig. 8 bis 10 einen Querschnitt
eines Sperrfilterflansches, der zur Kopplung zahlreicher Ausführungsbeispiele der
erfindungsgemäßen Mikrowellen-Entladungs-Ionenquelle mit dem Mikrowellen-Oszillator
geeignet ist, Fig. 11 eine Explosionsdarstellung eines anderen Ausführungsbeispiels
der Erfindung, bei dem die Mikrowellen-Entladungs-Ionenquelle parallele Plattenelektroden
hat, Fig. 12A einen Querschnitt eines weiteren Ausführungsbeispiels der Erfindung,
das parallele Plattenelektroden aufweist und an eine Koapaa4;e,iSupS,kXoEpelbar
ist,
Fig. 12B einen Schnitt XIIB-XIIB' in Fig. 12A, Fig. 13A eine
Explosionsdarstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels der Erfindung, bei dem
die Mikrowellen-Entladung durch Lecher-Leitungen verursacht wird, Fig. 15B einen
Teil eines Entladungsgliedes des Ausführungsbeispiels der Fig. 13A, aus einer Richtung
gesehen, in der der Ionenstrahl abgelenkt ist.
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Bevor Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert werden,
wird zunächst anhand der Fig. 1 eine herkömmliche Mikrowellen-Entladungs-Ionenquelle
beschrieben.
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In Fig. 1 sind vorgesehen ein Magnetron 1 zum Erzeugen von Mikrowellen,
ein an das Magnetron 1 gekoppelter Rechteck-Wellenleiter 2, ein mit dem Rechteck-Wellenleiter
2 verbundenes Koaxialkabel 3, ein InnDnleiter 3' im Koaxialkabel 3-, Magnetspulen
6 zum Erzeugen eines Spiegel-Magnetfeldes in einem Entladungsraum, ein Außenleiter
7 im Entladungsteil(hier ein Koaxialzylinder-Entladungsteil), ein Innenleiter 7'
im Entladungsteil, eine Elektrodengruppe 9 zum Absaugen eines Ionenstrahles aus
dem Entladungsteil, Isolierstoffe 11, eine Spannungsquelle 12 zur Stromversorgung
des Magnetrons, eine Spannungsquelle 12' zum Anlegen einer Vorspannung an die Elektrodengruppe
9, ein Rohr 13 zum Zuführen eines Entladungsgases in den Entladungsteil und ein
Absperrorgan 14 im Rohr 13. Jede Elektrode 9 ist mit mehreren kleinen Öffnungen
oder Löchern ausgestattet, durch die Ionen abgesaugt werden.
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Eine Ionenquelle mit dem in Fig. 1 dargestellten Aufbau wird z. B.
mit folgenden Parametern eingesetzt: Schwingfrequenz des Magnetrons: 2,45 GHz Ausgangsleistung
des Magnetrons: 600 w Innendurchmesser des Außenleiters im Entladungsteil: 50 mm
Durchmesser des Innenleiters im Entladungsteil: 12 mm Maximale Feldstärke des Spiegel-Magnetfeldes:
2 - 5 kG Elektrodengruppe aus drei kreisförmigen Scheiben mit jeweils Durchmesser
= 44 mm und 121 kleinen Löchern mit Durchmesser = 3 mm, Druck des Ent--4 ladungsgases:
1-10 bis 1 10 Torr Stromdichte der abzusaugenden Ionen: 15 - 50 mA/cm².
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Der mit der oben beschriebenen Vorrichtung erzeugte Ionenstrahl enthält
gewöhnlich nicht nur Ionen gewünschter Elemente, sondern auch Ionen unerwünschter
Elemente. Der Ionenstrahl muß durch ein magnetisches Gleichfeld geführt werden,
und es müssen von ihm lediglich Ionen mit der gewünschten Massenzahl getrennt werden,
wenn die Ionenquelle bei den oben erwähnten zahlreichen technischen Gebieten eingesetzt
wird, wie z. B. bei der Ionenimplantation. Der von der Ionenquelle abgesaugte Ionenstrahl
hat jedoch einen kreisförmigen Querschnitt, so daß er nicht ein ausreichendes Auflösungsvermögen
(M/t M, mit M = Massenzahl)
haben kann, wenn der Strahl im magnetischen
Gleichfeld einer Massenanalyse unterworfen wird. Andererseits ermöglicht die Verwendung
einer Elektrodengruppe mit einem Rechteck-Schlitz anstelle derjenigen mit mehreren
kleinen Löchern das Absaugen eines Lonenstrahls mit Rechteck-Querschnitt; aus den
folgenden Gründen nimmt jedoch der Ionen-Absaug-Wirkungsgrad beträchtlich ab.
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Die im Entladungsraum erzeugten Ionen im Plasma diffundieren im allgemeinen
in alle Richtungen, und die meisten von ihnen stoßen gegen die den Entladungsraum
bestimmenden Wände und rekombinieren. Einige der diffundierenden Ionen, die durch
den Schlitz gelaufen sind, werden als Ionenstrahl abgesaugt. Wenn die mit dem oben
erläuterten Rechteck-Schlitz ausgestatteten Elektroden verwendet werden, muß der
Schlitz z. B. 5 mm 20 mm groß sein, so daß der abgesaugte Ionenstrahl mit einem
ausreichend hohen Auflösungsvermögen der Massentrennung unterworfen werden kann.
Die wirksame Fläche, durch die die Ionen abgesaugt werden, beträgt ungefähr 850
mm2 bei der herkömmlichen Elektrodenanordnung, die mit 121 kleinen Löchern ausgestattet
ist, deren jedes einen Durchmesser von 9 mm hat (vgl. oben), während sie 60 mm2
bei der Elektrodenanordnung mit dem Rechteck-Schlitz mißt. Die Verwendung des Rechteck-Schlitzes
verursacht daher eine Verringerung des Ionen-Absaug-Wirkungsgrades um ungefähr 1/15.
Eine derart große Verringerung im Wirkungsgrad bedeutet, daß die Hälfte der Vorteile
verloren wird, die mit der Mikrowellen-Entladung in einer Ionenquelle erhalten werden.
Die Verringerung im Ionenstrahlen-Absaug-Wirkungsgrad kann vermieden werden, wenn
eine Ionenquelle mit einem Entladungsteil oder Entladungsabschnitt eines Rechteck-Querschnittes
anstelle
der herkömmlichen Ionenquelle mit dem Koaxial-Zylinder-Entladungsteil hergestellt
wird, und der Rechteck-Querschnitt wird so gewählt, daß er so groß wie der Schlitz
mit 5 mm 20 mm oder größer als dieser ist. Bei einer Anordnung jedoch, bei der der
Entladungsteil in einem Rechteck-Wellenleiter mit einem Querschnitt von 5 mm 20
mm gebildet ist, liegt die Frequenz der diesem Wellenleiter zugeführten Mikrowelle
in der Größenordnung von ungefähr 50 GHz, aber ein Mikrowellen-Oszillator, der die
Mikrowelle mit dieser Frequenz mit einer Leistung in der Größenordnung von kW erzeugen
kann, ist sehr aufwendig.
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Die Erfindung ermöglicht die Mikrowellen-Entladung im Entladungsraum
eines Rechteck-Querschnittes mit einem hande'Füblichen Mikrowellen-Oszillator.
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Die Fig. 2 ist ein Querschnitt einer Gesamtanordnung, bei der ein
Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einem Entladungsraum eines Rechteck-Querschnittes
über eine Steghohlleitung und einen Rechteck-Wellenleiter mit einem handelsüblichen
Mikrowellen-Oszillator mit einer Schwingfrequenz von 2,45 GHz und einer Schwingleistung
von 600 W gekoppelt ist, um einen abgesaugten Ionenstrahl durch ein magnetisches
Gleichfeld einer Massentrennung zu unterwerfen und diesen in eine zu verwendende
Vorrichtung einzuführen. In Fig. 2 sind vorgesehen eine Steghohlleitung 4, ein Stegteil
4' der Steghohlleitung 4, ein Sperrfilterflansch 5 zum Koppeln des Rechteck-Wellenleiters
2 und der Steghohlleitung 4, ein Außenleiter 7 des Entladungsteiles, ein Entladungsraum
8, eine Vakuumpumpe 15, ein Polstück 16, das ein Sektorfeld für die Massentrennung
bildet, ein Massenanalysenrohr
17 im Sektorfeld, ein Schlitz 18
für ein gewünschtes Auflösungsvermögen und ein Ionenstrahl 40.
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Andere Bezugszeichen bezeichnen die gleichen Teile oder Bauelemente
wie in Fig. 1.
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Die Fig. 5A zeigt einen Querschnitt eines Ausführungsbeispiels der
Erfindung mit einer Reihe von Stegelektroden, die mit dem Ende des Stegteiles der
Steghohlleitung gekoppelt sind, u: einen Elektrodenspalt festzulegen, der als Entladungsraum
dient, und die Fig. SB zeigt einen Schnitt entlang IIIB-IIIB' in Fig. 5A. In den
Fig. 5A und 5B ist ein Metallzylinder 7, der den Entladungsteil bildet, mit der
Endfläche der Steghohlleitung 4 über einen vakuumdichten Isolierstoff 10 gekoppelt
(z. B. Bornitrid).
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Ein Satz von Stegelektroden 4 mit parallelen gegenüberliegenden Flächen
ist insgesamt mit dem Metallzylinder 7 an Stellen entsprechend den Enden der Stege
4' der 3eghohlleitung 4 vorgesehen. Der vakuumdichte Isolierstoff 10' hat Leiter
vakuumdicht eingepaßt anstelle des Isolierstoffes an den Enden der Stege 4' und
an Teilen, an denen er in Berührung mit den Stegelektroden 54 kommt, um dadurch
eine elektrische Verbindung zwischen den Stegen und den Stegelektroden herzustellen.
Der Isolierstoff 10' ist gegen den Metallzylinder 7 über einen O-Dichtring 21 vakuumdicht
gepreßt. Durch die Steghohlleitung 4 übertragene Mikrowellenleistung bewirkt die
Erzeugung eines starken Mikrowellenfeldes im Spalt zwischen den Stegelektroden 54,
und ein Magnetfeld B wird in Axialrichtung des Metallzylinders 7 mit einer Spule
(nicht dargestellt) erzeugt, die außerhalb beider Enden des Metallzylinders 7 vorgesehen
ist. Das Mikrowellenfeld und das Magnetfeld B halten die Mikrowellen-Entladung zwischen
den
Stegelektroden aufrecht. Die Mikrowellen-Entladung bewirkt
die Entstehung des Plasmas eines Gases, das über eine Gaszuführöffnung 13 zugeführt
wird, die im Metallzylinder 7 vorgesehen ist. Der Metallzylinder 7 ist am anderen
Endteil mit einer dielektrischen Scheibe 10" gekoppelt, die mit einem Rechteck-Fenster
entsprechend dem Spalt der Stegelektroden ausgestattet ist. Das Innere des Metallzylinders
7 ist mit Ausnahme des Spaltes der Stegelektroden mit einem Dielektrikum 10 gefüllt.
Die Stegelektroden 34 und das Dielektrikum bilden zusammen einen rechteckförmigen
parallelepipeden Entladungsraum 8. Es sei darauf hingewiesen, daß das Dielektrikum
10 auch als Spalt zur Anpassung der Mikrowelle arbeitet. Das Dielektrikum 10 besteht
z. B. aus Bornitrid. Der Entladungsraum 8 mißt z. B. 3 mm 20 mm 20 mm. Der Metallzylinder
7 ist in seinem Innenteil mit einem ringförmigen Spalt 19' ausgestattet, in dem
Kühlwasser durch ein Rohr 19 umgewälzt wird. Das Kühlwasser verhindert, daß der
O-Dichtring 21 aufgrund der durch das Plasma erzeugten Wärme beschädigt wird. Ein
Ionenabsaugglied umfaßt eine positive Elektrode 22, eine negative Elektrode 25 und
eine Hauptelektrode 24, wobei diese Elektroden voneinander durch einen Isolierstoff
11 isoliert sind. Jede Elektrode ist mit einem Schlitz mit einer Fläche entsprechend
dem Querschnitt des Entladungsraumes ausgestattet, z. B. mit einem Schlitz von 3
mm 20 mm, durch den Ionen aus dem im Entladungsraum 8 erzeugten Plasma abgesaugt
werden.
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Die Gaszuführöffnung 13 ist mit einem äußeren Gaszuführglied (nicht
dargestellt) gekoppelt, um ein gewünschtes Gas einzuführen. Ein zur Erzeugung gewünschter
Ionen erforderliches Gas wird in den Entladungsraum 8 über die Öffnung 13 zugeführt.
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Der in den Fig. 5A und 3B gezeigte Entladungsteil hat einen Aufbau,
bei dem ein Satz von Stegelektroden 54 in den Metallzylinder 7 ragt und der mit
dem Dielektrikum 10 auf seinen beiden Seiten gefüllt ist.
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Ein derartiger Aufbau ist jedoch schwierig herzustellen.
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Die Fig. 5C zeigt den Querschnitt eines Entladungsteiles mit einem
hiervon verschiedenen Aufbau. Bei dieser Anordnung ist ein Loch mit Rechteck-Querschnitt
vorgesehen, um den Entladungsraum 8 entlang der Achse eines Metall-Rundstabes zu
bilden, und das Loch ist weiterhin an seinen beiden kleineren Seiten mit anderen
Löchern mit Kreis-Querschnitt ausgestattet, in die zwei Zylinder-Dielektrika 10
gefüllt sind. Diese Anordnung ist einfacher herzustellen als die in Fig. 3A und
5B gezeigte Anordnung.
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In Fig. 3C hat der Entladungsteil eine Grenzwellenlänge von ungefähr
10 cm für die Stegelektroden 34 mit einem Abstand von 5 mm und einer Weite von 20
mm und für die Dielektrika 10 aus einem Rundstab aus Bornitrid mit 15 mm Durchmesser.
Da die relative (spezifische) Dielektrizitätskonstante von Bornitrid den Wert 4
hat, wird eine Wellenlänge von ungefähr 6 cm erhalten, wenn sich die von einem Mikrowellen-Oszillator
mit der Schwingfrequenz 2,45 GHz übertragene Mikrowelle entlang des Entladungsteiles
fortpflanzt. Die übertragene Mikrowelle wird daher im Entladungsteil nicht abgeschaltet,
sondern dazu verwendet, daß die Mikrowellen-Entladung auftritt und ein Plasma erzeugt
wird. Das größere Volumen des Dielektrikums 10 im Entladungsteil ermöglicht eine
Erhöhung der Grenzfrequenz.
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Die Fig. 5D zeigt den Querschnitt des Entladungsteiles mit der erhöhten
Grenzfrequenz. Wie aus dieser
Figur hervorgeht, sind sechs Stäbe
des Dielektrikums 10 gefüllt, um das Volumen des Dielektrikums im Vergleich zum
Aufbau der Figur 5C zu erhöhen. Die Anordnung in Fig. 5D kann relativ einfach wie
die Anordnung in Fig. 3C hergestellt werden.
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Die Fig. 4A zeigt eine Explosionsdarstellung zur genaueren Erläuterung
der in Fig. 5A und 3B dargestellten Anordnungen. Zur besseren Übersichtlichkeit
sind in dieser Figur die Teile der Kühlwassereinheit und der Gaszuführung weggelassen.
Die Steghohlleitung 4, der vakuumdichte Isolierstoff 10', der Metallzylinder 7 mit
den Stegelektroden 54 und dem Dielektrikum 10, die dielektrische Scheibe 10" und
die positive Elektrode 22 sind nacheinander miteinander gekoppelt, und weiterhin
sind hiermit die negative Elektrode 29 und die Erdelektrode 24 über einen (nicht
dargellten) Isolierstoff gekoppelt.
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Die Fig. 4B zeigt einen Querschnitt parallel zu den parallelen Flächen
des vakuumdichten Isolierstoffes.
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Die Leiterteile 55 sind, wie dargestellt, vakuumdicht eingebettet.
Ein derartiger Aufbau erleichtert die Fortpflanzung der Mikrowelle von der Steghohlleitung
4 zum Entladungsraum 8. Der größere Teil der Mikrowellenentladung tritt im Elektrodenspalt
der Stegelektroden auf, selbst wenn das Dielektrikum 10 aus der in den Fig. 5A,
DB, 4A, 4B dargestellten Ionenquelle entfernt wird. Es hat sich gezeigt, daß ein
Ionenstrahl mit P+ oder B+-Ionen und dem Rechteck-Querschnitt in der Größenordnung
von einigen 10 mA (50 - 100 mA/cm² Stromdichte) abgesaugt werden kann, indem ein
Gas mit Pol5, BCl, BF5 oder B2H6 aus dem Gaszufuhrrohr mit dem Ausführungsbeispiel
der Fig. 5A, 5B, 4A, 4B zugeführt wird.
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Im folgenden wird ein Ionenabsaugglied von Elementen erläutert, die
eine feste Substanz von Metallen, Halbleitern, Isolatoren od. dgl. bilden, indem
die oben erläuterte Ionenquelle verwendet wird. Die Fig. 5 zeigt die Befestigung
eines Verdampfungsofens an der Ionenquelle. Wie aus dieser Figur hervorgeht, ist
ein Verdampfungsofen 55, der eine gewünschte feste Substanz (Festkörper) aufnehmen
kann und mit einer Heizeinrichtung 36 ausgestattet ist, mit einem Gasweg 41 versehen,
der in eine kleine Öffnung im Metallzylinder eingeführt ist. Der Verdampfungsofen
35 ist am Metallzylinder 7 über einen Deckel oder Belag befestigt, der mit einem
Verdampfungsofen-Gehäuse 35' und Anschlüssen 36' ausgestattet ist, die zu einer
Heizeinrichtung führen. Die Anschlüsse 36' sind mit einer (nicht dargestellten)
gegewünschten Stromquelle zum Heizen verbunden, durch das die feste Substanz im
Verdampfungsofen verdampft. Der Dampf wird dem Entladungsraum 8 über den Weg 41
zugeführt und in ein Plasma umgewandelt.
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Die Zufuhr des festen Dampfes in den Entladungsraum mit einem derart
einfachen Aufbau hat einen Nachteil, wenn der Dampf leitfähig ist. Der größte Teil
des Dampfes haftet im allgemeinen nämlich an den Wandflächen, die den Entladungsraum
umgeben, wenn der Dampf aus dem Verdampfungsofen dem Entladungsraum zugeführt wird.
So entsteht ein leitender Film auch auf der Fläche des vakuumdichten Isolierstoffes,
der eine der Flächen bildet. Der Film verhindert die Fortpflanzung der Mikrowelle
von der Steghohlleitung zum Entladungsraum und unterbricht die Mikrowellen-Entladung.
Die Temperatur im Entladungsraum ist erhöht, damit der Sättigungsdampfdruck der
eingeführten leitenden Substanz höher als der eingeführte tatsächliche Dampfdruck
ist. Dies kann die
Entstehung des leitenden Filmes auf der Wand
fläche verhindern.
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Die Fig. 6A zeigt einen Querschnitt einer Anordnung, bei der die
Ionenquelle in Fig. 3A und 3B teilweise geändert ist, zum die Temperatur im Entladungsraum
zu steuern.
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Die Fig. 6B zeigt einen Schnitt VIB-VIB' in Fig. 6A. Wie in diesen
Figuren dargestellt ist, sind Heizeinrichtungen 37 zum Aufheizen des Entladungsraumes
innerhalb der Stegelektroden )4 vorgesehen, um die Temperatur im Entladungsraum
8 zu erhöhen und das Haften des leitenden Dampfes an der Wandfläche zu verhindern.
Die Stegelektroden 34 bestehen in diesem Fall aus einer dünnen Metallplatte, und
ein Isoliermaterial ist zwischen den Metallzylinder 7 und die Stegelektroden 54
gefügt, um eine Wärmeleitung von den Stegelektroden 34 zum Metallzylinder zu verhindern.
Ein Isolierstoff ist weiterhin zwischen dem Entladungsraum 8 und dem vakuumdichten
Isolierstoff 10' vorgesehen, um die thermische Beschädigung des vakuumdichten Isolierstoffes
10' zu verhindern.
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Im folgenden wird erläutert, wie die Temperatur im Entladungsraum
8 gesteuert wird, um das-Haften des Metalldampfes an der Wandfläche zu verhindern.
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Zur Vereinfachung wird ein Beispiel beschrieben, bei dem keine Mikrowellen-Entladung
auftritt. Es sei angenommen, daß P1, P2, P3 den Dampfdruck der festen Substanzen
im Verdampfungsofen 35 bzw. im Entladungsraum bzw. an einer Stelle außerhalb des
Schlitzes der
Hauptelektrode 24 bezeichnen; dann ist mit Menge
Q des Dampfes, der vom Verdampfungsofen 35 zur Hauptelektrode strömt, gegeben durch:
Q = (P1 - P2)C1 = (P2 - P5) C2 (1) P1 > P2 > Ps (2) mit C1 = Leitwert des
Gasweges vom Verdampfungsofen zum Entladungsraum, und C2 = Leitwert eines Strömungsweges
vom Entladungsraum zum Außenteil der Hauptelektrode.
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Der Dampfdruck fällt merklich außerhalb der Hauptelektrode aufgrund
des dort bewirkten Vakuumpumpens und des Haftens des Dampfes am Behälter ab, so
daß P2 » P3 (3) vorliegt.
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Daher gilt: (P1-P2)C1 = P2C2 (4) Dies bedeutet:
Andererseits ist der Sättigungsdampfdruck P5 des Dampfes bei einer Temperatur T
durch die folgende Gleichung gegeben:
A log PS = - + B (6) T Dies
führt zu:
mit A, B = Konstanten abhängig von der Substanz.
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Wenn die Temperatur T2 im Entladungsraum stärker als eine Temperatur
erhöht wird, bei der der Druck P2 ein Sättigungsdampfdruck wird, kann verhindert
werden, daß der Dampf sich auf der Wandfläche des Entladungsraumes ablagert. Diese
Tatsache kann mit den Gleichungen (5) und (7) wie folgt ausgedrückt werden:
Die rechte Seite der Gleichung (8) zeigt eine Temperatur, die niedriger als die
Temperatur T1 im Verdampfungsofen ist. Wenn die Temperatur im Entladungsraum 8 über
einen Wert erhöht wird, der die Gleichung (8) erfüllt, lagert sich der Dampf der
dem Entladungsraum zugeführten festen Substanz nicht auf der Wandfläche ab. Dadurch
wird verhindert, daß sich die Mikrowellen wegen des oben erwähnten leitenden Filmes
nicht mehr fortpflanzen, und es wird die Fortdauer der starken Mikrowellen-Entladung
gewährleistet.
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Wenn bei der in den Fig. 6A und 6B dargestellten Anordnung der Leitwert
C1 des Dampfweges 41 kleiner als der Leitwert C2 eines absaugenden Linsensystems
9 mit den Elektroden 22, 23 und 24 gemacht wird, dann ist
P1 »
P2.
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Mit Gleichung (1) ergibt sich daraus: Q # P1C1 (9) Mit anderen Worten,
der Dampfstrom Q ist proportional zum Dampfdruck P1 im Verdampfungsofen. Der Dampfdruck
P1 ist eine Funktion der Temperatur im Verdampfungsofen, so daß die Temperatur unabhängig
von der Temperatur im Entladungsraum gesteuert werden kann, um die Größe des Stromes
Q zu steuern.
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In allen oben erläuterten Anordnungen liegen die Flächen der Stegelektroden
34 frei im Entladungsraum.
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Bei diesen Anordnungen sind daher die Flächen der Elektroden 34 nach
der Mikrowellen-Entladung einem Zerstäuben durch die Ionen im Plasma ausgesetzt.
Die die Elektroden bildenden Atome werden im Plasma ionisiert, was die Schwierigteit
aufwirft, daß sie zusammen mit den gewünschten Ionen abgesaugt werden. Wenn die
Oberfläche der Stegelektroden mit einem Isolierstoff bedeckt wird, der das Element
des gewünschten Ions enthält, so wird diese Schwierigkeit überwunden und eine Zunahme
der Ionen mit Hilfe des Zerstäubens erhalten.
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Die Fig. 7 ist eine perspektivische Darstellung eines Gehäuses eines
Isolierstoffes, der in den Entladungsraum 8 eingefügt ist. Wenn z. B. das Gehäuse
aus Bornitrid besteht und ein borhaltiges Gas dem Entladungsraum zugeführt wird,
um das Plasma zu erzeugen und aus diesem Borionen abzusaugen, werden die Boratome
von dem dem Zerstäuben ausgesetzten Gehäuse im Plasma ionisiert und als Ionen zusammen
mit den Borionen abgesaugt,
die aus dem Bor im zugeführten Gas
erzeugt werden, was zu einer Ausbeutesteigerung der Borionen führt.
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Die Ionenquelle ist im allgemeinen auf ein positives oder negatives
hohes Potential vorgespannt, um aus ihr positive oder negative Ionen abzusaugen.
Bei einer Mikrowellen-Übertragungseinheit, bei der die erfindungsgemäße Mikrowellen-Ionenquelle
in galvanischer Kopplung mit dem Mikrowellen-Oszillator, dem Rechteck-Wellenleiter
und dem Steghohlleiter besteht, sind diese Teile alle auf ein hohes Potential vorgespannt
und die Isolation ist problematisch. Um diesen Nachteil auszuschließen, ist ein
Sperrfilterflansch zwischen dem Rechteck-Wellenleiter 2 und dem Steghohlleiter 4
vorgesehen, wie dies in Fig. 2 gezeigt ist.
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Die Fig. 8 zeigt einen Querschnitt eines Sperrfilterflansches, der
zur Kopplung von Rechteck-Wellenleitern untereinander oder eines Rechteck-Wellenleiters
mit einer Steghohlleitung dient. In dieser Figur sind vorgesehen eine Isolierplatte
11, ein Sperrfilterflansch 43 am Endteil des Wellenleiters 2 und ein Flansch 44
am Endteil des Wellenleiters 2 oder 4. Der Sperrfilterflansch hat eine Aussparung
in einer Fläche entsprechend einem Teil AB des Sperrfilterflansches 43 und einen
Rechteck-Einschnitt an einer Stelle entsprechend einem Teil BC hiervon. Die Abstände
von A nach B und von B nach C betragen alle eine Viertelwellenlänge der zu übertragenden
Mikrowelle. Bei dieser Anordnung verläuft eine von einem Punkt A auf die Aussparung
einfallende Mikrowelle durch einen Punkt B und wird an einem Punkt C reflektiert,
um zusammen mit der reflektierten
Welle eine Stehwelle zu bilden,
und es fließt kein Strom auf der Wand fläche am Punkt B, was auf dem Viertelwellenlängenabstand
der Punkte B und C beruht.
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Es besteht daher keine Gefahr eines Streuverlustes der Mikrowelle
vom Punkt B durch einen Spalt. Wenn berücksichtigt wird, daß die Entfernung von
A nach B eine halbe Wellenlänge beträgt, hat die Impedanz in Richtung zum Punkt
A zum Schlitz den Wert null, und daher liegt kein Schlitz in Richtung der Mikrowelle
vor. Die Mikrowelle wird daher ohne Reflektion an diesem Teil und so ohne jeden
wesentlichen Verlust übertragen, während ein Gleichstrom vollständig durch die Isolierplatte
11 unterbrochen wird.
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Die Fig. 9 zeigt einen Querschnitt eines zur Kopplung von Koaxialleitungen
untereinander geeigneten Sperrfilterflansches. Eine Ionenquelle entsprechend einem
weiter unten näher zu erläuternden Ausführungsbeispiel der Erfindung ist mit der
Koaxialleitung gekoppelt, die die Mikrowelle vom Oszillator zur Ionenquelle überträgt.
Es sei daran erinnert, daß der Sperrfilterflansch in Fig. 9 eingesetzt werden sollte,
wenn eine derartige Ionenquelle verwendet wird. In der Fig. 9 ist ein Sperrfilterflansch
mit einem Aufbau ähnlich zum Ausführungsbeispiel der Fig. 8 am Endteil des Außenleiters
der Koaxialleitung 5 vorgesehen. Der Innenleiter ist mit einem Schlitz an seinem
Endteil ausgestattet, wobei ein Abstand zwischen D und E eine Viertelwellenlänge
beträgt. Die Isolierplatte 11 mit einem Vorsprung in ihrer Mitte ist in den Schlitz
eingepaßt, während der Innenleiter der Koaxialleitung auf der linken Seite mit einem
Vorsprung ausgestattet ist, der in den Vorsprung der Isolierplatte 11 eingepaßt
ist.
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In diesem Fall sind die Innenleiter hinsichtlich der Mikrowelle kurzgeschlossen
und hinsichtlich eines Gleichstromes voneinander isoliert, wobei ähnliche Wirkungen
wie in Fig. 8 erhalten werden. Mehrere Sperrfilterflansche werden benötigt, um eine
Hochgleichspannung von einigen 10 kV oder mehr zu isolieren.
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Die Fig. 10 zeigt eine Anordnung, bei der zwei Sperrfilterflansche
verwendet werden, um die Rechteck-Wellenleiter zur Spannungsverteilung zu koppeln.
In dieser Figur werden Widerstände R und R' verwendet, um die Gleichspannung in
einem gewünschten Verhältnis zu teilen und an jeden Sperrfilterflansch zu legen.
Mehrere Sperrfilterflansche sind ähnlich zur Fig. 10 vorgesehen, um eine Isolierung
einer Gleichspannung höher als 100 kV zu ermöglichen.
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Oben wurde der Aufbau der Ionenquelle, einem Ausführungsbeispiel
der Erfindung, in Einzelheiten beschrieben, das mit einem Satz von Stegelektroden
ausgestattet ist, die den Entladungsraum mit Rechteck-Querschnitt dazwischen bilden,
wobei weiterhin Abwandlungen für zahlreiche Anwendungsfälle sowie der Sperrfilterflansch
erläutert wurden, der eingesetzt wird, wenn die Ionenquelle verwendet wird.
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Im folgenden werden andere Ausführungsbeispiele der Erfindung erläutert.
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Fig. 11 zeigt eine Explosionsdarstellung weiterer Ausführungsbeispiele
der Erfindung, wobei eine Mikrowellen-Entladungs-Ionenquelle mit einem Satz paralleler
Plattenelektroden 25 ausgestattet ist, um einen Elektrodenspalt, d. h. einen Entladungsraum,
zu bilden. Zur Vereinfachung sind lediglich die wesentlichen Teile
in
dieser Figur dargestellt. Auch bei einer derartigen Anordnung erlauben es die geeignete
Auswahl des Elektrodenabstandes und der Größe der Elektroden, daß der Entladungsraum
einen gewünschten Rechteck-Querschnitt senkrecht zu einer Richtung hat, entlang
der der Ionenstrahl abgesaugt wird. In der Fig. 11 wird die Mikrowelle zum Entladungsteil
durch einen parallelen Platten-0bertragungsweg 27 übertragen, der in einem Abschirmrohr
28 vorgesehen ist. Das Rohr 28 ist an seinem Endteil mit dem Metallzylinder 7 im
Entladungsteil durch den vakuumdichten Isolierstoff 10' gekoppelt. Die parallelen
Platten-Elektroden 25 im Metallzylinder 7 werden gebildet, indem z. B. der Ubertragungsweg
27 vakuumdicht durch den Isolierstoff 10' vorspringt. Auf diese Weise sind die Elektroden
25 und der Ubertragungsweg 27 in elektrischer Verbindung auch im Isolierstoff. Das
Dielektrikum 10 ist in den Metallzylinder gefüllt und in seinem Mittelteil mit einem
Loch versehen, in das die Elektroden 25 eingefügt sind. Das Dielektrikum 10 verhindert
die Mikrowellen-Entladung in einem anderen Teil als dem Elektrodenspalt.
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Die positive Elektrode 22 mit einem Rechteck-Schlitz ist mit dem Metallzylinder
7 durch eine Schraube gekoppelt.
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Die parallelen Platten-Elektroden 25 dehnen sich vom vakuumdichten
Isolierstoff 10' so weit aus, daß sie beim Aufbau nicht dem rechten Endteil des
Metallzylinders erreichen. Es besteht daher keine Gefahr irgendeiner Berührung der
Elektroden 25 mit der Elektrode 22. Die negative Elektrode 23 und die Erdelektroden
24 sind nacheinander über einen (nicht dargestellten) Isolierstoff gekoppelt. Ein
durch eine (nicht dargestellte) Magnetfeldspule erzeugtes Magnetfeld in Axialrichtung
des Metallzylinders 7 bewirkt, daß die Mikrowellen-Entladung im Elektrodenspalt
der Elektroden 25 zusammen mit der übertragenen Mikrowelle auftritt, um das Plasma
eines
in den Gasweg 15 eingeführten Gases zu erzeugen. Die Ionen
im Plasma werden als Ionenstrahl mit einem Rechteck-Querschnitt durch die Schlitze
der Elektroden 22, 23, 24 abgesaugt.
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Die Fig. 12A zeigt einen Querschnitt eines weiteren Ausführungsbeispiels
der Erfindung. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die Mikrowellen-Entladungs-Ionenquelle
mit einem Koaxialleitungsteil und einem parallelen Elektrodenteil ausgestattet,
um einen Entladungsteil zwischen den parallelen Elektroden zu bilden. Wie aus dieser
Figur hervorgeht, ist die Koaxialleitung 3, entlang der die Mikrowelle übertragen
wird, mit dem Koaxialleitungsteil über den vakuumdichten Isoliexrstoff 10' gekoppelt.
In diesem Fall sind die Innenleiter in beiden Koaxialleitungen vakuumdicht miteinander
durch ein Loch gekoppelt, das in der Mitte des Isolierstoffes 10' vorgesehen ist.
Das Dielektrikum ist zwischen den Außen- und den Innenleiter im Koaxialleitungsteil
gefüllt und an seinem Endteil mit einem kurzschließenden Anschlußglied 26 einer
halbkreisartigen Gestalt mit einem Radius einer Viertelwellenlänge ausgestattet.
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Dieses dient zur Anpassung der Impedanz zwischen dem Koaxialleitungsteil
und dem parallelen Elektrodenteil.
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Wie aus der Fig. 12B hervorgeht, die einen Schnitt XIIB-XIIB" in Fig.
12A zeigt, sind die parallelen Elektroden 25 an einem sehr begrenzten Teil des parallelen
Elektrodenteils vorgesehen. Das Dielektrikum 10 ist in der Nähe der Elektroden 25
mit Ausnahme des Elektrodenspaltes eingefüllt, und die Mikrowellen-Entladung tritt
lediglich im Elektrodenspalt auf. Es sei darauf hingewiesen, daß der größere Teil
der Mikrowellen-Entladung im Elektrodenspalt ohne das Dielektrikum 10 vorliegt.
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Die Fig. 15A zeigt eine Explosionsdarstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels
der Erfindung, das von den oben beschriebenen Beispielen abweicht.
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Wie aus dieser Figur hervorgeht, ist eine Reihe von Dielektrika 10,
deren jedes eine Kerbe oder Nut aufweist, gekoppelt, um einen rechteckförmigen parallelepipeden
Entladungsraum 8 mit Hilfe der Kerben zu bilden. Lecher-Leitungen sind im Mittelteil
des Entladungsaumes 8 vorgesehen, wie dies durch die Fig. 13B gezeigt ist, die eine
Seitenansicht von der Elektrode 22 aus zum Entladungsraum darstellt. Die Mikrowelle
wird zu den Lecher-Leitungen über eine Koaxialleitung übertragen. Leitende Glieder
31 bilden die Wände des Entladungsteiles. Magnetpole 6' (N) und 6' (S) sind weiterhin
mit der oberen und der unteren Fläche der Dielektrika gekoppelt, um ein Magnetfeld
senkrecht zum elektrischen Mikrowellenfeld zu erzeugen, das zwischen den Lecher-Leitungen
im Entladungsraum gebildet ist.
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L e e r s e i t e