DE2645346A1

DE2645346A1 - Mehrere oeffnungen aufweisende, mehrstrahlige ionenquelle

Info

Publication number: DE2645346A1
Application number: DE19762645346
Authority: DE
Inventors: Toshinori Takagi
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 1975-10-08
Filing date: 1976-10-07
Publication date: 1977-05-18
Also published as: DE2645346B2; US4087720A; JPS594819B2; GB1567312A; DE2645346C3; JPS5246300A

Description

PATENTANWÄLTE . 2 6 4 5 3 A

Dr. phil. G. B. HAGEN Λ

Dipl.-Phys. W. KALKOFF *

MÜNCHEN 71 (Solin)
Franz-Hals-Straße 21

Tel.(089)796213-795431 München, 5· Oktober 1976

K/el

KSC 3647

Sharp Kabushiki Kaishs

22-22, Nagaike-cho,

Abeno-ku,

Osaka 545 / Japan

Mehrere öffnungen aufweisende, mehrstrahlige Ionenquelle

Friorität: 8. Oktober 1975;

Japan; Ur. 50-121906

Die Erfindung bezieht sich auf eine mehrere Öffnungen aufweisende, mehrstrahlige Ionenquelle vom Strahl-Plasma-Typ.

Pei üblichen Ionenquellen, die eine ilektronen-Bombardement-Ionisiorung aufgrund einer Gasentladung verwenden, kann die Beziehung zwischen der normierten Emissionsfähigkeit E, die repräsentativ ist für einen geeigneten Verlauf der Ionenbahn, der normierten Helligkeit B und des Ionenstrahlstromes I wie folgt ausgedrückt werden:

9 9 ? _9 ^B= -fl = C^d eV Te _U'_m\_vad'2₎

K E I Ti

Dabei ist C eine Proportionalitätskonstante, e ist die Elektronenladung, Ii ist die Plasmadichte, Te ist die Elektronentemperatur, und Ti ist die Ionentemperatur.

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Bayerische Veieinsbank 823101 Postscheck 54782-809

äse 36+7 - s- -

3s sei nun angenommen, daß die naehfolgende Proportionalitätsbeziehung zwischen der Elektronentemperatur Te und der Tonentemperatur Ti gilt:

Te = C^! M

Ti m

Dabei ist C¹ die Proportionalitätskonstante, m ist die Elektronenmassc, und M ist die Ionenmasse.

Wenn die Plasmadichte N konstant gehalten wird aufgrund der Art der verwendeten Ionenquelle, können die normierte Helligkeit B und die normierte Emissionfähigkeit E wie folgt geschrieben werden:

Die obenbeschriebene Abhängigkeit der Helligkeit B und der Smissionsfähigkeit E können experimentell in Ionenquellen des Hochfrequenz-Entladungstyps, des P.I.G.-Typs, des Elektronen-Bombardement-Typs, des Duoplasmatrontyps, usw. bestätigt werden. Wenn jedoch die P'.asinadichte N erhöht werden kann, ergibt sich eine geänderte Relation B I, weil die Plasmadichte N proportional zum Strom I variiert. Die Helligkeit B wächst dann mit ansteigendem Strom I an. In der Tat kann man einen hohen Strom fliessen lassen, ohne daß mindestens die Helligkeit abnimmt, obwohl die Helligkeit B nicht proportional zum Strom erhöht werden kann aufgrund anderer Parameter.

Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine Ionenquelle der eingangs genannten Art zu schaffen, mit der ein Ionenstrahl hoher Helligkeit und hoher Stromstärke erzeugt werden kann.

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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen ersten Eereich, der dazu ausgebildet ist, eine Mehrzahl von Elektronenstrahlen zu erzeugen zum Zwecke des Herausziehens und Fokussierens einer Vielzahl von Ionen, einen zweiten Bereich, der dazu ausgebildet ist, eine Gasentladung mittels der aus dem ersten Bereich emittierten ülektronenstrahlen zu bewirken und Ionen hoher Dichte mittels einer auf Elektronenstrahl-Plasma-Wechselwirkungen beruhenden Mikrowellenschwingung zu erzeugen und einen dritten Bereich, der dazu ausgebildet ist, die Elektrcnenstrahlen nach ihrer Ausnutzung zu sammeln und die Mikrowellenschwingung in dem zweiten Bereich zu unterstützen.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen:

Figur 1 eine Querschnittsansicht einer bevorzugten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Ionenquelle;

Figuren 2 und 3 perspektivische Ansichten anderer Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Ionenquelle;

Figur 4 ein Dispersionsdiagramm des Strahl-Plasma-Systems der obigen Ausführungsformen;

Figur 5 ein charakteristisches Diagramm der Beziehungen zwischen der Plasmadichte und den Imaginärteilen der Fisquenz; und

Figuren 6B und 6C charakteristische Diagramme der Beziehungen zwischen der Plasmadichte und den Imaginärteilen der Frequenz, wobei als Parameter die magnetische Flußdichte A bzw. die Elektronenstrahlenergie B bzw. der Elektronenstrahistrom C aufgetragen ist.

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HEG 3647 . - +■■ -

Die erfindungsgemäße Ionenquelle weist drei Hauptbereiche 1, 2 und 3 auf. Der erste Bereich 1 ist so ausgebildet, daß eine Mehrzahl von Elektronenstrahlen erzeugt wird, um eine Vielzahl von Ionen zu extrahieren und zu fokussieren. Der zweite Bereich ist so ausgebildet, daß eine Gasentladung mittels der Elektronenstrahlen aus dem ersten Bereich 1 bewirkt wird und Ionen hoher Dichte erzeugt werden mittels Mikrowellenenergie, die auf Wechselwirkungen zwischen einem Plasma und den Elektronenstrahlen beruht. Der dritte Bereich 3 ist dazu ausgebildet, die Elektronenstrahlen, nachdem sie ausgenutzt worden sind, zu sammeln, und erfüllt ferner die Punktion, die Mikrowellenschwingung in den zweiten Bereich zu unterstützen.

In dem ersten Bereich 1 werden mehrere aus Metall bestellende zylindrische Kathoden 4 auf eine Temperatur aufgeheizt, die hoch genug ist zur Emission von Elektronen von dem oberen Ende der zylindrischen Kathoden 4; dies erfolgt unter Verwendung eines Glühdrahtes 5> der im Abstand zwischen den zylinderförmigen Kathoden 4 angeordnet ist oder durch ein Bombardement von Elektronen, die aus dem Heizdraht 5 emittiert werden. Die aus dem oberen Teil der zylindrischen Kathoden 4 emittierten Elektronen werden in den zweiten Bereich 2 in Form von mehreren Elektronenstrahlen 8 eingeführt, und zwar aufgrund eines elektrischen Feldes, welches von einem fokussierenden Linsensystem erzeugt wird, das die zylindrischen Kathoden 4, eine Wehnelt Elektrode 6 und eine mit mehreren Öffnungen versehene Anodenscheibe 7 aufweist.

In dem zweiten Bereich 2 befindet sich ein Driftraum 10, der von einem Driftrohr 9 in Form eines Metallzylinders umgeben ist. Der Driftraum 10 steht mit seinem oberen Ende mit dem dritten Bereich 3 in. Verbindung und ist mit seinem unteren Ende von dem ersten Bereich 1 über die mit mehreren öffnungen

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HEC 3647 - ** -

versehene Anodenscheibe 7 getrennt. Das Driftrohr 9 dient gleichzeitig als Vakuumgehäuse und ist von anderen Elektroden elektrisch isoliert über isolierende Zylinder 11, 12 und 13.

Es ist nicht unbedingt notwendig, daß das Driftrohr 9 als Vakuumgehäuse dient. Es kann statt dessen ein besonderes Vakuumgehäuse aus dielektrischem Material oder aus Metall rings um das Driftrohr 9 angeordnet sein.

Ferner ist ein Magnet 14 außerhalb des Driftrohres 9 angeordnet zur Erzeugung eines Magnetfeldes innerhalb des Driftraumes 10 in dessen axialer Richtung, welches dazu dient, die aus dem zweiten Bereich 2 kommenden Elektronenstrahlen zu fokussieren und dem Plasma eine Schwingung mit der Zyklotronfrequenz zu ermöglichen. Es ergibt sich daraus, daß ein elektrisches Hochfrequenzfeld, d. h. ein Mikrowellenfeld in dem zweiten Bereich 2 aufgrund von Elektronenstrahl-Plasma-Wechselwirkungen entsteht.

Der obere Teil des Driftrohre 9, der isolierende Zylinder 13 und die Kollektorelektrode 15 bilden zusammen den dritten Boreich 3· Ein in der Gasphase befindliches metallisches Material, welches ionisiert werden soll, wird über eine in dem Bereich 3 befindliche Gaseinlaßöffnung 16 eingelassen. Statt dessen kann auch ein Metallverdampfungsschiffchen geringer Größe in dem dritten Bereich 3 angeordnet werden, so daß der dritte Bereich 3 und das Driftrohr 9 mit dem Dampf des Metallmaterials zum Zwecke der Ionisierung angefüllt werden.

Bei einer solchen Anordnung kann das gasförmige Material über die Gaseinlaßöffnung 16 bzw. der aus dem Schiffchen austretende Metalldampf in das Innere des Driftrohres 9 eintreten. Das Driftrohr9 besteht allgemein aus elektrisch leitendem Material wie rostfreiem Stahl oder Kupfer. Da das Driftrohr 9 die. Form eines engen Rohres aufweist und

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HSC 3647 ' - * -

daher einen hohen Strömungswiderstand besitzt, verhindert es, daß gasförmige neutrale Moleküle in dem dritten Bereich 3 in den ersten Bereich 1, d.h. in den Kochvakuumbereich, entweichen, und hält den Driftraum 10 auf dem für die Ionisierung notwendigen Gasdruck. Dan Driftrohr 9» d.h. die llauptkomponente des zweiten Bereiches 2, wirkt als eine Art zylindrisches Wellenleiterrohr und unterstützt damit das Erzeugen von Elektronenstrahl-Plasma-Wechselwirkungen nach Maßgabe von Kombinationen der Plasmawellenmoden und der Slektronenstrahlen, wobei die Plasmawellenmoden bestimmt sind durch eine Dispersionsgleichung des Plasmas in Wellenleiterrohren. Wenn der Gasdruck in dem Driftraum 10 den kritischen Wert überschreitet und ferner mehrere Bedingungen erfüllt sind wie etwa hinsichtlich der Stromstärke der aus dem ersten Bereich 1 austretenden Elektronenstrahlen 8, der Beschleunigungsenergie, der Form des Driftrohres 9 und der Stärke des in dem Driftrohr 9 herrschenden Magnetfeldes, findet eine Strahl-Plasma-Entladung statt aufgrund der Strahl-Plasma-Wechselwirkungen, wodurch ein Plasma extrem hoher Dichte in wirksamer Weise gebildet wird.

Die Ionisierung kann ferner durch folgende Vorgänge unterstütz werden. Sekundärelektronen, die beim Auftreffen der Elektronenstrahlen 8 auf der Kollektorelektrode 15 entstehen, werden wirksam in den Driftraum 10 eingeführt aufgrund des Umstandes, daß das Potential der Kollektorelektrode 15 um bis zu einigen Hundert Volt unter dem des Driftrohres 9 gehalten wird. Alternativ wird eine zweite Elektronenquelle in dem dritten Bereich 3 vorgesehen um de_m Driftrohr 10 in dem zweiten Bereich 2 Elektronen zuzuführen. Aufgrund dieser Vorgänge wird die Ionendichte in dem Driftraum 10 über den kritischen Wert erhöht, der dazu notwendig ist, die Mikrowellenschwingung aufgrund der Strahl-Plasma-Wechselwirkungen einzuleiten.

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HEC 3647 - ψ' -

Danach werden die auf diese Weise in dem Driftraum 10 mittels der Strahl-Plasma-Wechselwirkungen erhaltenen Ionen hoher Dichte in einer den Elektronenstrahlen 8 entgegengesetzten Richtung herausgezogen. Dabei wird die positive Raumladung durch die negative Raumladung der aus dem ersten Bereich 1 austretenden Elektronenstrahlen 8 neutralisiert. In anderen Worten ist das elektrische Feld, welches von dem fokussierenden Linsensystem bestehend .aus den zylindrischen Kathoden 4, der Wehneltelektrode 6 und der mit mehreren Öffnungen versehenen Anodenscheibe 7 erzeugt wird, ein Ionenextraktionsfeld für die in dem zweiten Bereich 2 erzeugten Ionen. Außerdem dient die mit mehreren Öffnungen versehene Anode 7 an der Grenze zwischen dem ersten Bereich 1 und dem zweiten Bereich 2 als Ionenextraktionselektrode. Die Ionen werden daher über die Öffnungen in dem ersten Bereich 1 herausgezogen. Die gut fokussierten Ionenstrahlen 17 werden gebildet mit Hilfe der Raumladungs-neutralisierenden Wirkung der Elektronenstrahlen, so daß sie sich entlang der axialen Richtungen der jeweiligen zylindrischen Kathoden 4 bewegen. Zusätzlich zu der Bildung von mehreren Ionenstrahlen 17 in der oben beschriebenen Weise kann ein einzelner Ionenstrahl hoher Stromstärke dadurch gebildet werden, daß die Öffnungen 7^f der Anode 7,· die Wehneltelektrode 6 und die zylindrischen Kathoden 4 in ihrer Form modifiziert werden. In diesem Fall ist die Oberfläche der mit mehreren Öffnungen versehenen Anode 7 entweder konkav oder konvex und die zugeordnete Wehneltelektrode 6 und die zylindrischen Kathoden 4 sind geeignet angeordnet, wodurch die Form der zusammenzusetzenden, d.h. zu kombinierenden Ionenstrahlen 17 nach Wunsch gesteuert wird.

Die in Fig. 1 gezeigte Kathode 4 ist mit einer indirekten Heizung ausgerüstet, bei der Hohlzylinder verwendet werden,

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HEG 3647

die aus einem elektronenemittierenden metallischen Material wie Wolfram oder Tantal "bestehen; jedoch können statt dessen auch direkt geheizte Kathoden verwendet werden. In diesem Fall wird eine elektronenemittierender Metalldraht in zylindrischer, spiralförmiger Struktur angeordnet. Es werden dann Elektronen ausgelöst aufgrund der direkten Zuführung von Heizstrom und gleichzeitig wird es Ionen ermöglicht, durch die Achse der Spiralstruktur zu gelangen. Falls ein Gleichstrom zum Heizen der spiralförmig geformten Kathode verwendet wird, trägt das durch diesen Gleichstrom erzeugte Magnetfeld vorteilhafterweise dazu bei, die Elektronen und Ionen zu fokussieren.

Figur 2 zeigt, eine modifizierte Ausführungsform des ersten Bereiches 1. Während in der Ausführungsform von Figur 1 die mit mehreren Öffnungen versehene Anode 7 an der Grenze zwischen dem ersten Bereich 1 und dem zweiten Bereich 2 eine Abschirmtrennwand darstellt, verwendet die Ausführungsform von Figur 2 eine spezielle, mit mehreren Öffnungen versehene Abschirmelektrode 21, die am unteren Ende des Driftrohres 9 vorgesehen ist, um die erwähnte Grenze zwischen dem ersten Bereich 1 und dem zweiten Bereich 2 zu bilden. Eine mit mehreren Öffnungen versehene Anodenscheibe 22 und eine mit mehreren Öffnungen versehene Kathodenscheibe 23 sind unterhalb der Abschirmelektrode 21 angeordnet, wobei die Achsen der jeweiligen Öffnungen 22' und 23' dieser Elektroden in Ausrichtung miteinander gehalten werden. Die Elektronen, welche am Rand der Öffnungen 23' der Kathode 23 ausgelöst werden, werden in Form von mehreren Elektronenstrahlen fokussiert. Die resultierenden Elektronenstrahlen 24 treten dann in den zweiten Bereich 2 ein und ziehen aus dem zweiten Bereich 2 Ionen in Form von mehreren Ionenstrahlen 25 heraus. Um eine Unübersichtlichkeit der Darstellung zu vermeiden, ist in Figur 2 eine mit mehreren Öffnungen versehene Wehneltelektrodenplatte zwischen der Anodenscheibe 22 und der Kathodenscheibe 23 weggelassen

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worden; es sei jedoch darauf hingewiesen, daß eine oder mehrere Elektrodenplatten zur Bildung eines fokuaaierenden Linsensystems zwischen der mit mehreren Öffnungen versehenen Anodenscheibe 22 und der mit mehreren öffnungen versehenen Kathodenscheibe 23 angeordnet werden können, um das Auslösen und das Fokussieren der Elektronenstrahlen 24 rings um die Öffnungen 23' der Kathode 23 in wirksamer Weise zu erreichen. Bei der beschriebenen Ausführungsform ist ein Maschendraht 26 rhombischer Struktur zur Aufheizung der mit mehreren öffnungen versehenen Kathodenscheibe 23 nach der Elektronen-Bombardement-Methode vorgesehen. Andere Abwandlungen der Heizanordnung und der Form der mit mehreren Öffnungen versehenen Kathodenscheibe 23 können vorgesehen werden.

Figur 3 zeigt eine weitere Ausführungsform einer zylindrischen Kathode der direkt geheizten Art. Zwei zylindrische Kathoden 31 und 32 mit einem ^ra-dförmigen Querschnitt sind miteinander verbunden unter Zwischenschaltung eines Zwischenzylinders 33 und dienen dazu, eine von einer Stromversorgungselektrode 34 zu einer zweiten Stromversorgungselektrode 35 über die zylindrischen Kathoden 31 und 32 und den zwischengeschalteten Zylinder 33 übertragene Wechselstrom-oder Gleichstromenergie zu empfangen. Daher werden die zylindrischen Kathoden 31 und 32 auf einer hohen Temperatur gehalten. Über den zylindrischen Kathoden 31 und 32 ist ein fokussierendes Elektrodensystem vorgesehen, welches es ermöglicht, daß Elektronen aus dem oberen Ende der Kathode 31 ausgelöst werden und für jeden der radartigen Sektorabschnitte fokussiert werden. Die Anzahl der Elektronenstrahlen 36 ist gleich der Anzahl der Sektorabschnitte. Gleichzeitig werden Ionenstrah-

Q] τι g j*

len 37 fokussiert und extrahiert, und zwar in/den Elektronenstrahlen 36 entgegengesetzten Richtung durch die jeweiligen Elektronenstrahlen 36 hindurch.

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HEC 364-7 - -W - ■ ΑΛ/ΓΛ/η

Da "bei der vorangehenden Beschreibung eine Anodenscheibe mit mehreren öffnungen verwendet wird, werden die fOnorgio der in den Driftraum gelangenden Elektronenstrahlen und die Ionenextraktionsenergie weitgehend von der Spannung bestimmt, die der mit mehreren Öffnungen versehenen Scheibe zugeführt wird, so daß die Elektronenstrahlen und die lonenstrahlen im Wesentlichen den selben Wort annehmen. Die Spannung kann jedoch von einem Strahl zum anderen variiert werden, wenn man vorsieht, daß die mit mehreren Öffnungen versehene Scheibe geteilt wird, das heißt die jeweiligen Öffnungen unabhängig voneinander sind; es können dann die Energien der jeweiligen Strahlen entsprechend eingestellt werden. Dies führt zu Wechselwirkungen zwischen den lonenstrahlen und den Elektronenstrahlen.

Das Wesentliche der Erfindung liegt nicht nur darin, daß die Elektronenstrahlen 8, die in den zweiten Bereich 2 eintreten, auf in dem zweiten Bereich befindliche gasförmige Moleküle und Atome auftreffen und diese ionisieren, sondern auch darin, daß eine Hochfrequenzschwingung, vorzugsweise eine Mikrowellenschwingung im Bereich von 2 bis 20 GHz, stattfindet aufgrund einer Instabilität, die von dem Plasma in dem zweiten Bereich 2 und den einfallenden Elektronenstrahlen 8 verursacht wird, wobei diese Wechselstromenergie von dem Plasma absorbiert wird aufgrund der Hochfrequenz- bzw. Mikrowollenresonanz und dieser Absorptionsprozess zur Erzeugung einer; Plasmas hoher Dichte führt. In anderen Worten werden im Ansprechen auf das elektrische Mikrowellenfeld die Elektronen im Plasma aufgeheizt, so daß sie eine zur Ionisierung neutraler Moleküle ausreichende Energie erhalten. Demzufolge treffen sie auf neutrale Moleküle auf und ionisieren dieselben und ermöglichen die Bildung des Plasmas aufgrund des Ionisierungsvorganges, der Strahl-Plasma-Entladung genannt ■wird. Die hier beschriebene Anordnung kann daher als Ionenquelle mit Mikrowellenaufheizung aufgrund sich selbst unterhaltender Schwingung bezeichnet werden.

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Die in dem zweiten Bereich 2 auftretenden Strahl-Plasma-Wechselwirkungen werden in Figur 4 gezeigt, wobei es sich um eines der Dispersionsdiagramme handelt, die aus einer mit kleinen Signalen rechnenden Analyse berechnet werden, und wobei die Wellenzahl k als Ordinate und die Winkelfrequenz w als Abszisse aufgetragen sind. Es ist bekannt, daß, wenn ein elektrisches Feld in der Längsrichtung eines Elektronenstrahls auftritt aufgrund einer durch irgendeine Störung entstandenen Raumladung, eine Raumladungswelle auftritt aifgrund der auf dem genannten elektrischen Feld beruhenden, im Sinne einer Wiederherstellung wirkenden Kraft. Ferner wirkt die Lorentz Kraft, die durch den axialen magnetischen Fluß und die seitliche Geschwindigkeit bestimmt ist, als Wiederherstellungskraft in seitlicher Richtung des genannten elektrischen Feldes, wodurch die Zyklotronwelle erzeugt wird. Die Zyklotronwelle exisiert in zwei Wellenmoden, nämlich der langsamen Zyklotronwelle und der schnellen Zyklotronwelle. Wellen, die in dem Strahl-Plasma-System im zweiten Bereich 2 auftreten, sind die Raumladungswelle, die langsame Zyklotronwelle, die schnelle Zyklotronwelle, die Plasmawelle, usw.' Diese Wellen treten in Wechselwirkung miteinander innerhalb von fünf aktiven Bereichen, die in Figur 4 mit A, B, C, D, und E bezeichnet sind, wobei A, C und D die konvektiven Instabilitätsbereiche und B und E d.ie absoluten Instabilitätebereiche bezeichnen. Die erstgenannten Bereiche zeigen die Raumabhängigkeit der aufgrund von konvektiven Instabilitäten entstehenden Wellen, während die zweitgenannten Bereiche die Zeitabhängigkeit der aufgrund von absoluten Instabilitäten entstehenden Wellen anzeigen. Der Grad der Instabilität, d.h., wie schwierig es ist, die Bildung der Mikrowellenschwingung zu bewirken, ergibt sich durch Auswertung der Imaginärteile der Fortpflanzungskonstanten und der Frequenzen dieser Wellen. Die Analyse zeigt,

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daß die absolute Instabilität im Bereich B diejenige Wechselwirkung ist, die am leichtesten auftritt. Pies ist experimentell bestätigt worden durch Messung der Frequenz der im zweiten Bereich 2 erzeugten Mikrowelle.

Das Diagramm der Figur 4 gilt für folgende Daten: Elektronenstrahlenergie 5 KeV, Elektronenstrahl-Ctromstärke 50 mA, Plasmadichte
0,6 kG-, Stickstoff.

50 mA, Plasmadichte 10 cm , magnetische Flußdichte

In Figur 5 wird eine qualitative Analyse der Tonenerzeugung aufgrund der Strahl-Plasma-Entladung gegeben, wobei auf die Abhängigkeit derjenigen Größe, welche die Instabilität anzeigt, nämlich des Imaginärteils der Winkelfrequenz W ., von der Plasmadichte ΪΓ Bezug genommen wird. In Figur 5 ist dementsprechend N als Ordinate und Ui . ala Abszisse aufgetragen. Die ω. Kurve ohne Kollisionseffekte hat ihr Maximum W _Ί „, beim Maximum der Plasmadichte

1 m

N . Falls man auch Kollisionseffekte in Betracht zieht, wobei die Kollision mit neutralen G-asmolekülen die Tendenz hat, die Erzeugung von Mikrowellen, Coulomb'sehe Stöße, elektrische Hochfrequenzfeld-efuekte, usw. zurückzudrängen, steigt die KoHsionsfrequenz plötzlich mit ansteigender Plasmadichte Ή an. Da der Kollisionsterm dahingehend wirkt, Iy . um einen Wert herabzusetzen und zu verschieben, der zu der ■-·. Kollislonsfroquehz in den Bereichen B und E absoluter Instabilität proportional ist, kann die auf KoULsionseffekten beruhende Kurve in der selben Figur veranschaulicht werden, in der die U) ^ Kurve ohne Kollisionseffekte gezeigt wird. Der effektive Wert von U).'', d.h., der Wert, der für eine in zeitlicher Beziehung anwachsende Schwingung maßgebend ist, wird näherungsweise durch die Differenz ausgedrückt, die von diesen beiden Kurven umschlossen wird.

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HRC 3647 ■ V» -

Die beiden Schnittpunkte F und G- zwischen den "beiden Kurven, d.h. die Plasmadichten N * und IT , die diesen Punkten zugeordnet sind, bedeuten folgendes.

Bei einer Plasmadichte, die niedriger ist als N. treten keine Schwingungen auf, während bei Plasmadichten, die größer sind als N ^t Schwingungen auftreten. Daher

ist K . die minimale Plasraadichte für eine positive Rückmin

kopplung, welche die Plasmadichte drastisch anhebt. Die Plasmadichte, die dann erzeugt wird, gelangt schließlich in einen stetigen Zustand mit der konstanten Plasmadichte W₀. Da die Kurve ein Maximum aufweist, ist die konstante Plasmadichte B" ungefähr gleich dem Maximum N__„. Um die

O ΠΙ et Λ.

konstante Plasmadichte IT₀ zu erhöhen, die von der Kollisionsfrequenz abhängt, ist es erforderlich, äußere Bedingungen anzustreben, die zu einer Erhöhung von N_m entsprechend dem Maximum von W .-führen. Darüber hinaus ist es notwendig, daß to ^ groß genug ist, um die Schwingungen aufrecht zu erhalten. Die G-renzplasmadichte, bei der die Schwingungen beginnen, nämlich IL₁J_nJ ist erforderlich. In anderen Worten, wenn die Plasmadichte HT, die auf Stoßionisation mittels des Elektronenstrahls 8 aus dem ersten Bereich 1 beruht, oberhalb von N. liegt, treten Mikrowellenschwingungen auf, welche die Plasmadichte F drastisch anheben. Die dann erzeugte Plasmadichte gelangt in einen stetigen Zustand mit der konstanten Plasmadichte N , was nahe bei N__v liegt. TJm eine solche Forderung zu erfüllen, werden die Sekundärelektronen hohen lonisierungswirkungsgrades aus dem dritten Bereich 3 in den zweiten Bereich 2 eingeführt. Alternativ v/erden die Form der Grenze zwischen dem zweiten Bereich 2 und dem ersten oder dritten Bereich 1 bzw. 3 oder der G-asdruck entsprechend gewählt.

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Figur 6 zeigt die Beziehung zwischen der Plasmadichte N und dem Imaginärteil der Frequenz ίο., wenn die äußeren Bedingungen, die zu der Strahl-Plasma-Wechselwirkung beitragen, variiert werden, wie z.B. die magnetische Feldstärke, die Energie des einfallenden Elektronenstrahls und dessen Stromstärke.

Das magnetische Feld, welches in dem zweiten Bereich 2 mittels des rings um den zweiten Bereich 2 angeordneten Magneten 14 erzeugtewird, fokussiert die Elektronenstrahlen 8 aus dem ersten Bereich 1 und bestimmt die Zyklotronfrequenz in dem zweiten Bereich 2. Die in den Figuren 6 A bis 6 C dargestellten Beziehungen gelten für Wasserstoff und einen Driftrohrradius von 0,55 cm. In Figur 6 A ist die Elektronenstrahlenergie 10 KeV.und der Elektronenstrahlstrom ist 50 mA. Tn Figur 6 B ist der Elektronenstrahlstrom 50 mA, und die magnetische Flußdichte ist 1 kG. In Figur 6 0 ist die Elektronenstrahlenergie 10 KeV, und die magnetische Flußdichte ist 1 kG. Wie man aus Figur 6 A sieht, wächst TT _v an, wenn das magnetische Feld anwächst, während ίο. bei den geringeren Plasmadichten N kleiner wird, was eine Schwierigkeit bei der Einleitung von Schwingungen darstellt. Ferner ergeben sich, wie man aus Figur 6 B ersieht, ähnliche Bedingungen bei Änderungen der Strahlspannung und damit der Energie den aus dem ersten Bereich 1 emittierten Elektronenstrahls. Wie in Figur 6 C gezeigt wird, verschiebt sich bei Änderungen des Stromes die W. Kurve in einem Verhältnis von etwa 1:3. Es ist daher zu erwarten, daß das Plasma hoher Dichte, welches auf der Strahl-Plasma-Entladung beruht, dadurch erhältlich ist, daß man Variationen der oben erwähnten Parameter in Betracht zieht. Z.B. ist unter den Bedingungen einer Elektronenstrahlenergie von 20 bis 50 KeV, einem Elektronenstrahlstrom von 1 bis 5 A und einer magnetischen Flußdichte

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1 ? von 5 bis IO kG- die erhältliche Plasmadichte etwa 10 bis

Somit "besteht ein wesentliches Merkmal der Erfindung darin, daß der zweite Bereich 2 von dem ersten und dritten Dereich

1 "bzw. 3 so getrennt ist, daß diese Bereiche elektrisch und mechanisch unabhängig voneinander gesteuert werden können, um eine möglichst wirksame Strahl-Plasma-Entladung und damit eine möglichst hohe Ionendichte in dem zweiten Bereich 2 zu erzeugen.

Ein weiteres wichtiges Merkmal betrifft die Tonenstrahl-Extraktionseinrichtung. Die Elektronenstrahlen 8 werden aus dem ersten Bereich 1 emittiert, um die Strahl-Plasma-Entladung in dem zweiten Bereich 2 zu erzeugen. Unter den beschriebenen Bedingungen werden die in dem zweiten Bereich

2 erzeugten Ionen in der negativen Potentialmulde eingefangen, die von der von der Raumladung der Elektronenstrahlen 8 erzeugt wird. Während die negative Raumladung der Elektronenstrahlen die Raumladungseffekte der Ionen neutralisiert, werden die Ionen in der der Portbewegungsrichtung der Elektronenstrahlen 8 entgegengesetzen Richtung aufgrund des selben elektrischen Feldes extrahiert, welches die ^r']lektronenstrahlen beschleunigt und fokussiert. TCs werden so gut fokussierte und stabile Tonenstrahlen erhalten. Wn nn es erwünscht ist, die Größe der Ionenquelle um einen Faktor Ii zu multiplizieren und einen Ionenstrahl ähnlicher Form mit der selben Ionenextraktionsspannung zu erhalten, während die Tonenextraktionseinrichtung in ihrer optimalen Form erhalten bleiben soll, ist es lediglich erforderlich, die Plasmadlchtp N entsprechend der Proportionalitätstheorie mit 1/L zu multiplizieren. Es ergibt sich dann, daß der selbe Ionenstrom erhalten werden kann. TJm daher eine Ionenquelle hoher Strom-

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Hue 3647 - Aft -

stärke zu schaffen, wird vorzugsweise so vorgegangen, daß ein lonenstrom, der so groß wie möglich \r.l, Ii bor eine mit einer einzigen Öffnung versehene Elektrode extrahiert wird und eine Mehrzahl derartiger Ionenextraktionseinrichtungen optimaler Form angeordnet werden, um eine mehrere Öffnungen aufweisende Ionenstrahl-Extraktionseinrichtung zu bilden.

Ein weiteres wesentliches Merkmal besteht darin, daß die mit mehreren Öffnungen versehene, mehrstrahlige Extraktionselektrodenanordnung gebildet wird durch Kombinationen von mix/einer einzigen Öffnung versehenden Elektroden, von denen jede dazu ausgebildet ist, einen lonenstrom, der so groß wie möglich ist zu extrahieren, wodurch mehrere Ionenstrahlen zu einem einzigen gut/ fokussierten Ionenstrahl hoher Stromstärke zusammengesetzt werden. Die Verwendung von mehreren Elektronenstrahlen dient dazu, den in den zweiten Hereich 2 einfallenden Elektronenstrahlstrom zu erhöhen und die Strahl-Plasma-Entladung zu fördern. Auf diese Weise können hohe Plasmadichten und damit Ionenstrahlen hoher Dichte und hoher Stromstärke erhalten werden.

Patentanspruch:

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Lee J* r s e

«te

Claims

Patentans ρ ru c h

Mehrere Öffnungen aufweisende, mehrstrahlige Tonenquelle vom Strahl-Plasma-Typ,
gekennzeichnet durch einen ersten Bereich (1) der dazu ausgebildet ist, eine Mehrzahl von Elektronenstrahlen zu erzeugen zum Zwecke des HerausZiehens und Fokussierens einer Vielzahl von Ionen, einen zweiten Bereich (2), der dazu ausgebildet ist, eine Gasentladung mittels der aus dem ersten Bereich (1) emittierten Elektronenstrahlen zu bewirken und Ionen hoher Dichte mittels einer auf Elektronenstrahl-Plasma-Wechselwirkungen beruhenden Mikrowellenschwingung zu erzeugen, und einen dritten Bereich (3), dor dazu ausgebildet ist, die Elektronenstrahlen (8) nach ihrer Ausnutzung zu sammeln und die Mikrowellenschwingung in dem zweiten Bereich (2) zu unterstützen.

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