DE2645346C3

DE2645346C3 - Ionenquelle

Info

Publication number: DE2645346C3
Application number: DE2645346A
Authority: DE
Inventors: Toshinori Nagaokakyo Kyoto Takagi
Original assignee: Futaba Corp
Current assignee: Futaba Corp
Priority date: 1975-10-08
Filing date: 1976-10-07
Publication date: 1981-05-27
Also published as: DE2645346B2; DE2645346A1; US4087720A; JPS594819B2; GB1567312A; JPS5246300A

Description

65 B =

•rad-²).

Dabei ist C eine Proporuonalitätskonstante, e ist die Eiektronenladung, N ist die Plasmadichte, Te ist die Elektronentemperatur, und 77 ist die Ionentemperatur.

Es sei nun angenommen, daß die nachfolgende Proportionalitätsbeziehung zwischen der Elektronentemperatur 7> und der Ionen tempera tür 77 gilt:

Je . M_

Ti ^c "m

Dabei ist C die Proportionalitätskonstante, m ist die Elektronenmasse, und A/ist die Ionenmasse.

Wenn die Plasmadichte N konstant gehalten wird aufgrund der Art der veiwendeten Ionenquelle, können die normierte Helligkeit θ und die normierte Emissionsfähigkeit F wie folgt geschrieben werden:

B ~

I I.

Die Erfindung bezieht sich auf eine Ionenquelle gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Die oben beschriebene Abhängigkeit der Helligkeit B und der Emissionsfähigkeit E können experimentell in Ionenquellen des Hochfrequenz-Entladungstyps, des P.LG.-Typs, des Elektronen-Bombardement-Typs, des Duoplasmatrontyps, usw. bestätigt werden. Wenn jedoch die Plasmadichte N erhöht werden kann, ergibt sich eine geänderte Relation B~l, weil die Plasmadichte N proportional zum Ionenstrahlstrom / variiert Die Helligkeit B wächst dann mit ansteigendem Ionenstrahlstrom /an.

Aus der US-PS 32 65 889 ist eine Ionenquelle bekannt, die einen ersten Abschnitt zum Erzeugen eines Elektronenstrahls aufweist, ferner einen zweiten Abschnitt zum Ionisieren eines Gases durch Elektronenbeschuß mittels des in dem ersten Abschnitt erzeugten Elektronenstrahls und einen Gaseinlaß zur Einführung von zu ionisierenden Gasen, wobei der Gaseinlaß in den zweiten Abschnitt mündet und die dort vom Elektronenstrahl ionisierten Partikel in Form eines Ionenstrahls in einer mit der Richtung des Elektronenstrahls übereinstimmenden Richtung aus dem zweiten Abschnitt herausgezogen werden.

Aus der US-PS 29 77 495 ist eine Ionenquelle bekannt, bei der das zu ionisierende Gas in ein Rohr eingelassen wird, das Teil einer Mikrowellenenergie-Übertragungseinrichtung ist, und zwar ist rings um das Rohr ein Mikrowellen-Hohlraumresonator angeordnet, der von einem Mikrowellenoszillator gespeist wird, so daß an einer Stelle des Rohres, an der die Mikrowellenenergie maximal konzentriert wird, eine Ionisation von Gaspartikeln aufgrund der Hochfrequenz-Gasentladung erfolgt. Die ionisierten Partikel werden in einer bezüglich der Gasströmung stromabwärts weisenden Richtung in

Form eines Ionenstrahl aus dem Rohr herausgezogen.

In der DE-AS 25 47 560 ist eine Ionenquelle vorgeschlagen worden, die ebenfalls eine Ionenquelle mit einem ersten Abschnitt zum Erzeugen eines Elektronenstrahls aufweist, ferner einen zweiten Abschnitt zum Ionisieren eines Gases durch Elektronenbeschuß mittels des in dem ersten Abschnitt erzeugten Elektronenstrahls und einen Gaseinlaß zur Einführung von zu ionisierenden Gasen, bei der jedoch die Ionenquelle einen dritten Abschnitt zum Auffangen des Elektronenstrahls aufweist, der Gaseinlaß in den dritten Abschnitt mündet, am zweiten Abschnitt eine von einem Mikrowellenoszillator gespeiste Mikrowellenenergie-Übertragungseinrichtung angeordnet ist und ein Ionenstrahl durch den ersten Abschnitt herausgezogen wird, ι s

Der Anmeldung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Ionenquelle der eingangs genannten Art anzugeben, mit der ein Ionenstrahl oder mehrere Ionenstrahlen hoher Stromdichte und Stromstärke erzeugt werden können.

Die Lösung dieser Aufgabe ist im Patentanspruch 1 angegeben und in den Unteransprüchen vorteilhaft weitergebildet

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mi: den Zeichnungen näher erläutert In den Zeichnungen zeigt

F i g. 1 eine Querschnittsansicht einer bevorzugten Ausführungsform der Ionenquelle;

Fig.2 und 3 perspektivische Ansichten anderer Ausführungsformen der Ionenquelle;

Fig.4 ein Dispersionsdiagramm des Elektronen- jo strahl-Plasma-Systems der obigen Ausführungsformen;

Fig.5 ein charakteristisches Diagramm der Beziehungen zwischen der Plasmadichte und den Imaginärteilen der Frequenz;und

F i g. 6A, 6B und 6C charakteristische Diagramme der Beziehungen zwischen der Plasmadichte und den Imaginärteilen der Frequenz, wobei als Parameter die magnetische Flußdichte (6AJl die Elektronenstrahlenenergie (6B) bzw. der Elektronenstrahlstrom (6C) aufgetragen ist

Die Ionenquelle weist drei Abschnitte 1, 2 und 3 auf. Der erste Abschnitt 1 ist so ausgebildet, daß eine Mehrzahl von Elektronenstrahlen erzeugt wird, um eine Vielzahl von Ionen zu extrahieren und zu fokussieren. Der zweite Abschnitt 2 ist so ausgebildet daß eine Gasentladung mittels der Elektronenstrahlen aus dem ersten Abschnitt 1 bewirkt wird und Ionen in hoher Dichte erzeugt werden mittels Mikrowellenschwingung, die auf Wechselwirkung zwischen dem Plasma und den Elektronenstrahlen beruht Der dritte Abschnitt 3 ist dazu ausgebildet die Elektronenstrahlen, nachdem sie im Abschnitt 2 genutzt worden sind, zu sammeln; er erfüllt ferner die Funktion, die Mikrowellenschwingung im zweiten Abschnitt 2 zu unterstatzen.

In dem ersten Abschnitt 1 werden mehrere aus Metall bestehende 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 S, der im Abstand zwischen den zylinderförmigen Kathoden 4 angeordnet ist oder durch ein Bombardement von Elektronen, die aus dem Glühdraht 5 emittiert werden. Die aus dem oberen Teil der zylindrischen Kathoden 4 emittierten Elektronen werden in den zweiten Abschnitt 2 in Form von mehreren Elektronenstrahl 8 eingeführt, und zwar aufgrund eines elektrischen Feldes, welches von einem fokussierenden Elektronenstrahlerzeuger erzeugt wird, der die zylindrischen Kathoden 4, eine Wehneltelektrode 6 und eine mit mehreren öffnungen T versehene Anodenscheibe 7 aufweist

In dem zweiten Abschnitt 2 befindet sich ein Laufrohrraum 10, der von einem Laufrohr 9 in Form eines Metallzylinders gebildet ist Der Laufrohrraum 10 steht mit seinem oberen Ende mit dem dritten Abschnitt 3 in Verbindung und ist mit seinem unteren Ende von dem ersten Abschnitt 1 über die mit mehreren öffnungen T versehene Anodenscheibe 7 getrennt Das Laufrohr 9 dient gleichzeitig als Vakuumgehäuse und ist von den anderen Elektroden über isolierende Zylinder U, 12 und 13 elektrisch isoliert

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

Ferner ist ein Magnet 14 außerhalb des Laufrohres 9 angeordnet zur Erzeugung eines Magnetfeldes innerhalb des Laufrohrraumes 10 in dessen :< <aler Richtung, welches dazu dient die aus dem zweiten Voschnitt 2 kommenden Elektronenstrahlen zu fokussieren und dem Plasma eine Schwingung mit der Zyklotronfrequenz zu ermöglichen. Es ergibt sich daraus, daß ein elektrische» Hochfrequenzfeld, d.h. ein Mikrowellenfeld in dem zweiten Abschnitt 2 aufgrund von Elektronenstrahl-Plasma-Wechselwirkungen entsteht.

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

Bei einer solchen Anordnung kann das gasförmige Material über die Gaseinlaßöffnung 16 bzw. der aus dem Schiffcnen austretende Metalldampf in das Innere des Laufrohres 9 eintreten. Das Laufrohr 9 besteht allgemein aus elektrisch leitendem Material wie rostfreiem Stahl oder Kupfer. Da das Laufrohr 9 die Form eines engen Rohres aufweist und daher einen hohen Strömungswiderstand besitzt, wird weitgehend verhindert daß gasförmige neutrale Moleküle von dem dritten Abschnitt 3 in den ersten Abschnitt t, d. h. in den Hochvakuumbereich, entweichen, so daß der Laufrohrraum 10 auf dem für die Ionisierung notwendigen Gasdruck gehalten werden kann. Das Laufrohr 9, d. h. die Hauptkomponente des zweiten Abschnittes 2, wirkt gleirhzr.it; als eine Art zylindrisches Wellenleiterrohr und unterstützt damit das Erzeugen von Elektronenstrahl-Plasma-Wechsciwirkungen nach Maßgabe von Kombinationen der Plasmawellenmoden und der Elektronenstrahlen, wobei die Plasmawellenmoden bestimmt sind durch die Dispersionsgleichung des Plasmas in Wellenleiterrohren. Wenn der Gasdruck in dem Laufraum IQ den kritsichen Wert überschreitet und ferner mehrere Bedingungen erfüllt sind wie 3twa hinsichtlich der Stromstärke der aus dem ersten Abschnitt 1 austretenden Elektronenstrahlen 8, der Beschleunigungsenergie, der Form des Laufrohres 9 und der Stärke des innerhalb des Laufrohres 9 herrschenden Magnetfeldes, findet eine Gasentladung statt aufgrund der Elektronenstrahl-Plasma-Wechselwirkungen, wo-

durch ein Plasma extrem hoher Dichte in wirksamer Weise gebildet wird.

Die Ionisierung kann ferner durch folgende Vorgänge unterstützt werden. Sekundärelektronen, die beim Auftreffen der Elektronenstrahlen 8 auf der Auffangelektrode 15 entstehen, werden wirksam in den Laufrohrraum 10 reflektiert aufgrund des Umstandes, daß das Potential der Auffangelektrode 15 um 100 bis zu einigen Hundert Volt unter dem des Laufrohres 9 gehalten wird. Alternativ wird eine zweite Elektronenquelle in dem dritten Abschnitt 3 vorgesehen um dem Laufrohrraum 10 in dem zweiten Abschnitt 2 Elektronen zuzuführen. Aufgrund dieser Vorgänge wird die Ionendichte in dem Laufrohrraum 10 über den kritischen Wert erhöht, der dazu notwendig ist, die Mikrowellenschwingung aufgrund der Elektronenstrahl-Plasma-Wechselwirkungen einzuleiten.

Danach werden die auf diese Weise in dem [.aiifrohrranm 10 mittels der Elektronenstrahl-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 Abschnitt austretenden Elektronenstrahlen 8 neutralisiert. In anderen Worten ist das elektrische Feld, welches von dem fokussierenden Elektronenstrahlerzeuger bestehend aus den zylindrischen Kathoden 4, der Wehneltelektrode 6 und der mit mehreren Öffnungen T versehenen Anodenscheibe 7 erzeugt wird, p^:.i lonenextraktionsfeld für die in dem zweiten Abschnitt 2 erzeugten Ionen. Außerdem dient die mit mehreren öffnungen T versehene Anode 7 an der Grenze zwischen dem ersten Abschnitt I und dem zweiten Abschnitt 2 als Ionenextraktionselektrode. Die Ionen werden daher über die öffnungen T in den ersten Bereich 1 herausgezogen. Die gut fokussierten lonenstrahlen 17 werden gebildet mit Hilfe der Raumladungsneutralisierenden Wirkung der Elektronenstrahlen, so daß sie sich in axialer Richtung der jeweiligen zylindrischen Kathoden 4 bewegen. Zusätzlich zu der Bildung von mehreren lonenstrahlen 17 in der oben beschriebenen Weise kann ein einzelner Ionenstrahl honer Stromstärke dadurch gebiiciei werden. ciaS die öffnungen T 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 T versehenen Anode 7 entweder konkav oder konve\ und die zugeordnete Wehneltelektrode 6 und die zylindrischen Kathoden 4 sind geeignet angeordnet, wodurch die Form der zu kombinierenden lonenstrahlen 17 nach Wunsch gesteuert wird.

Die in Fig. 1 gezeigte Kathode 4 ist mit einer indirekten Heizung ausgerüstet, bei der Hohlzylinder verwendet werden, 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 ein elektronenemittierender Metalldraht in zylindrischer, spiralförmiger Struktur angeordnet. Es werden dann Elektronen ausgelöst aufgrund der direkten Zuführung von Heizstrom und gleichzeitig wird es den Ionen ermöglicht durch die Achse der Spiralstrukt 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 7ij fokussieren.

F i g. 2 zeigt eine modifizierte Ausführungsform des ersten Abschnitts 1. Während in der Ausführungsform von F i g. 1 die mit mehreren öffnungen T versehene Anorde 7 an der Grenze zwischen dem ersten Abschnitt I und dem zweiten Abschnitt 2 eine Abschirmtrennwand darstellt, verwendet die AusfUhrungsform von F i g. 2 eine spezielle, mit mehreren öffnungen versehene Abschirmelektrode 21, die am unteren Ende des Laufrohres 9 vorgesehen ist, um die erwähnte Grenze zwischen dem ersten Abschnitt 1 und dem zweiten Abschnitt 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 Abschnitt 2 ein und ziehen aus dem zweiten Abschnitt 2 Ionen in Form von mehreren Ionenstrahlen 25 heraus. Um eine Unübersichtlichkeit der Darstellung zu vermeiden, ist in F i g. 2 eine mit mehreren öffnungen versehene Wehneltelektrodenplatte zwischen der Anodenscheibe 22 und der Kathodenscheibe 23 weggelassen worden; es sei jedoch darauf hingewiesen, daß eine oder mehrere Elektrodenplatten zur Bildung eines fokussierpnden Elektronenstrahlerzeugers zwischen der mit mehreren öffnungen 22' versehenen Anodenscheibe 22 und der mit mehreren öffnungen 23' 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.

F i g. 3 zeigt eine weitere Ausführungsform einer

uci um cn. ι

/.viniullM-iiclt Kdu

zylindrische Kathoden 31 und 32 mit einem radförmigen Querschnitt sind miteinander verbunden unter Zwischenschaltung eines Zwischenzylinders 33 und dienen dazu, eine von einer ersten Stromversorgungselektrode 34 zu einer zweiten Stromversorgrungselektrode 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 Elektronenstrahl™ 36 ist gleich der Anzahl der Sektorabschnitte. Gleichzeitig werden lonenstrahlen 37 fokussiert und extrahiert, und zwar in einer den Elektronenstrahlen 36 entgegengesetzten Richtung.

Da bei der vorangehenden Beschreibung eine Anodenscheibe mit mehreren öffnungen verwendet wird, werden die Energie der in den Laufrohrraum gelangenden Elektronenstrahlen und die Ionenextraktionsenergie weitgehend von der Spannung bestimmt, die der mit mehreren Öffnungen versehenen Scheibe

2ugef(thrt wird, so daß die Elektronenstrahlen und die lonenstrahlen im wesentlichen denselben Wert annehmen. Die Spannung kann jedoch von einem Strahl zum anderen variiert wurden, wenn man vorsieht, daß die mit mehreren öffnungen versehene Scheibe geteilt wird, d. h. die jeweiligen öffnungen unabhängig voneinander sind; es können dann die Energien der jeweiligen Strahlen entsprechend eingestellt werden.

Das wesentlichewesentliche der Erfindung liegt nicht nur darin, daß die Elektronenstrahlen 8, die in den zweiten Abschnitt 2 eintreten, auf in dem zweiten Abschnitt befindliche gasförmige Moleküle und Atome auftreffen und diese ionisieren, sondern auch darin, daß eine Hochfrequenzschwingung, vorzugsweise eine Mikrowellenschwingung im Bereich von 2 bis 20GHz. stattfindet aufgrund einer Instabilität, die« von dem Plasma in dem zweiten Abschnitt 2 und den einfallenden Elektronenstrahlen 8 verursacht wird, wobei diese Wechselstromenergie von dem Plasma absorbiert wird aufgrund der Hochfrequenz- bzw. Mikroweiienreso nanz und somit dieser Absorptionsprozeß zur Erzeugung eines Plasmas hoher Dichte führt. In anderen Worten werden im Ansprechen auf das elektrische Mikrowellenfeld die Elektronen im Plasma aufgeheizt, ίο daß sie eine zur Ionisierung neutraler Teilchen ausreichende Energie erhalten. Die hier beschriebene Anordnung kann daher als Ionenquelle mit Mikrowellenaufheizung aufgrund einer sich selbst unterhaltenden Mikrowellenschwingung bezeichnet werden.

Die in dem zweiten Abschnitt 2 auftretenden Elektronenstrahl-Plasma-Wechselwirkungen werden in Fig.·* gezeigt, wobei es sich um eines der Dispersionsdiagramme handelt, die aus einer mit kleinen Signalen rechnenden Analyse berechnet werden, und wobei die Wellenzahl Ar als Ordinate in Einheiten cm-¹ und die Winkelfrequenz ω als Abszisse in Einheiten s-1 aufgetragen sind. Es ist bekannt, daß, wenn ein elektrisches Feld in der Längsrichtung eines Elektronenstrahls auftritt auftrund einer durch irgendeine Störung entstandenen Raumladung, eine Raumladungswelle auftritt aufgrund der auf dem genannten elektrischen FsId beruhenden, im Sinne einer Wieder laovetolltincr wirlrttrwJArt If l*aft Pornpr wirkt HlA I ΛΓΡΠίΤ.

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 existiert in zwei Wellenmoden, nämlich der langsamen Zyklotronwelle und der schnellen Zyklotronwelle. Wellen, die in dem Elektronenstrahl-Plasma-System im zweiten Abschnitt 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 F i g. 4 mit A, B, C, D und £ bezeichnet sind, wobei A, C und Ddie konvektiven Instabilitätsbereiche und Bund E die absoluten Instabilitätsbereiche 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, daß die absolute Instabilität im Bereich B diejenige Wechselwirkung ist, die am leichtesten auftritt. Dies ist experimentell bestätigt worden durch Messung der Frequenz der im zweiten Abschnitt 2 erzeugten Mikrowelle.

Das Diagramm der Fig.4 gilt für folgende Daten: Elektronenstrahlenenergie 5 KeV. Elektronenstrahl-Stromstärke 5OmA, Plasmadichte 10¹⁰Cm-³. magnetische Flußdichte 0,06 T, Stickstoff. In Fig.5 wird eine qualitative Analyse der lonener-

ίο zeugung aufgrund der Elektronenstrahl-Plasma-Wechselwirkung gegeben, wobei auf die Abhängigkeit derjenigen Größe, welche die Instabilität anzeigt, nämlich des Imaginärteils der Winkelfrequenz ω* von der Plasmadichte N Bezug genommen wird. In F i g. 5 ist

ι-, dementsprechend /VaIs Abszisse und ω, als Ordinate aufgetragen. Die ω, Kurve ohne Kollisionseffekte hat ihr Maximum w,_m beim Maximum der Plasmadichte N_mi,. Falls man auch Kollisionseffekte in Betracht zieht, wobei die Kollision mit neutralen GasmolekUlen die

.Ό Tendenz hat, die Erzeugung von mikrowellen, Cuulombsche Stöße, elektrische Hochfrequenzfeldeffekte usw. zurückzudrängen, steigt die Kollisionsfrequenz plötzlich mit ansteigender Plasmadichte N an. Da der Kollisionsterm dahingehend wirkt, ω, um einen Wert

2i herabzusetzen und zu verschieben, der zu der Kollisionsfrequenz in den Bereichen B und E absoluter Instabilität proportional ist, kann die auf Kollisionseffekten beruhende Kurve in derselben Figur veranschaulicht werden, in der die ω, Kurve ohne Kollisionseffekte

in gezeigt wird. Der effektive Wert von ω* 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.

ι-, Die beiden Schnittpunkte zwischen den beiden Kurven, d. h. die Plasmadichten N„i„ und Λ/ο, die diesen Punkten zugeordnet sind, bedeuten folgendes.

Bei einer Plasmadichte, die niedriger ist als N_mn treten keine Schwingungen auf, während bei Plasmadichten, die größer sind als N_mm Schwingungen auftreten. Daher ist Nmm die minimale Plasmadichte für eine positive Rückkopplung, welche die Plasmadichte drastisch onhphi nip Plasmadirhte. die dann erzeuet wird. gelangt schließlich in einen stationären Zustand mit der konstanten Plasmadichte Λ/ο. Da die Kurve ein Maximum aufweist, ist die konstante Plasmadichte N₀ ungefähr gleich dem Maximum N_mit. Um die konstante Plasmadichte Λ/ο zu erhöhen, die von der Kollisionsfrequenz abhängt, ist es erforderlich, äußere Bedingungen

in anzustreben, die zu einer Erhöhung von N_max entsprechend dem Maximum von ω, führen. Darüber hinaus ist es notwendig, daß ω, groß genug ist, um die Schwingungen aufrechtzuerhalten. Die Grenzplasmadichte, bei der die Schwingungen beginnen, nämlich Nmin. ist in dem Fall erforderlich. In anderen Worten, wenn die Plasmadichte N, die auf Stoßionisation mittels des Elektronenstrahls 8 aus dem ersten Bereich 1 beruht, oberhalb von N„m liegt, treten Mikrowellenschwingungen auf, welche die Plasmadichte N drastisch anheben.

Die dann erzeugte Plasmadichte gelangt in einen stationären Zustand mit der konstanten Plasmadichte Λ/ο, was nahe bei Nm_x, liegt Um eine solche Forderung zu erfüllen, wenden die Sekundärelektronen hohen Ionisierungswirkungsgrades aus dem dritten Abschnitt 3 in den zweiten Abschnitt 2 reflektiert Alternativ werden die Form der Grenze zwischen dem zweiten Abschnitt 2 und dem ersten oder dritten Abschnitt 1 bzw. 3 oder der Gasdruck entsprechend gewählt

F i g. 6 zeigt die Beziehung zwischen der Plasmadich-M N in Einheiten cm³ und dem Imaginärteil der Frequenz ω, in Einheiten s-', wenn die äußeren iedingungen, die zu der Elektronenstrahl-Plasma-Wechselwirkung beitragen, variiert werden, wie z. B. die > magnetische FlußdL'hte, die Energie des einfallenden Elektronenstrahls und dessen Stromstärke.

Das magnetische Feld, welches in dem zweiten Abschnitt 2 mittels des Magneten 14 erzeugt wird, fokussiert die Elektronenstrahlen 8 aus dem ersten in Abschnitt 1 und bestimmt die Zyklotronfrequenz in dem tweiten Abschnitt 2. Die in den Fig.6A bis 6C dargestellten Beziehungen gelten für Wasserstoff und •inen Laufrohrradius von 0,55 cm. In Fig.6A ist die Elektronenstrahlenenergie 10 KeV und der Elektronen- ι ■-, ttrahlstrom ist 50mA. In Fig.6B ist der Elektronenttrahlstrom 50 mA, und die magnetische Flußdichte ist (M T. In Fi g. 6C ist die Elektronenstrahlenenergie IC KcV, und die magnetische FiuSdichte ist 0,1 T. Wie man aus Fig.6A sieht, wächst /V_m„ an, wenn die magnetische Flußdichte anwächst, während ω, bei den geringeren Plasmadichten N kleiner wird, was eine Schwierigkeit bei der Einleitung von Schwingungen darstellt. Ferner ergeben sich, wie man aus F i g. 6B ersieht, ähnliche Bedingungen bei Änderungen der r> Elektronenstrahlenergie. Wie in Fig.6C gezeigt wird, verschiebt sich bei Änderungen des Elektronenstrahl-Stromes die ω, Kurve. Es ist daher zu erwarten, daß das Plasma hoher Dichte, welches auf der Elektronenstrahl-Plasma-Wechselwirkung beruht, dadurch erhältlich ist, daß man Variationen der obenerwähnten Parameter in Betracht zieht. Zum Beispiel ist unter den Bedingungen einer Elektronenstraiilenergie von 20 bis 50 KeV, einem Elektronenstrahlstrom von I bis 5A und einer magnetischen Flußdichte von 03 bis 1 T die erhältliche Plasmadichte etwa 10^l2bis 10¹³Cm³.

Somit besteht ein wesentliches Merkmal der Erfindung darin, daß der zweite Abschnitt 2 von dem ersten und dritten Abschnitt 1 bzw. 3 so getrennt ist, daß diese Abschnitte elektrisch und mechanisch unabhängig voneinander gesteuert werden können, um eine möglichst wirksame Elektronenstrahl-Plasma-Wechselwirkung und damit eine möglichst hohe Ionendichte in dem zweiten Abschnitt 2 zu erzeugen.

Ein weiteres wichtiges Merkmal betrifft die lonenstrahl-Extraktionseinrichtung. Wenn es erwünscht ist, die Größe der Ionenquelle um einen Faktor L zu multiplizieren und einen Ionenstrahl ähnlicher Form mit derselben Ionenextraktionsspannung zu erhalten, während die Ipnenextraktionseinrichtung in ihrer optimalen Form erhalten bleiben soll, ist es lediglich erforderlich, die Plasmadichte Nentsprechend der Proportionalitätstheorie mit MD zu multiplizieren. Es ergibt sich dann, daß der gleiche Ionenstrom erhalten werden kann. Um daher eine Ionenquelle hoher Stromstärke zu schaffen, wird vorzugsweise so vorgegangen, daß ein Ionenstrom, der so groß wie möglich ist, über eine mit einer einzigen öffnung versehenen Elektrode extrahiert wird und eine Mehrzahl derartiger lonenextraktionseinrichtungen optimaler Form angeordnet werden, um eine mehrere Öffnungen aufweisende Ionenstrahl-Extraktionseinrichtung zu bilden.

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

Claims

IO 20 25 Patentansprüche:

1. Ionenquelle, bestehend aus drei Abschnitten mit folgenden Merkmalen: s

Im ersten Abschnitt (1) werden

1.1 ein Elektronenstrahl oder

1.2 mehrere Elektronenstrahlen (8,24,36) erzeugt; 13 der Ionenstrahl wird durch den ersten Abschnitt

(1) hindurch abgesaugt,

1.4 bzw. mehrere Ionenstrahlen (17,23,37) werden durch den ersten Abschnitt (1) hindurch abgesaugt;

2.1 im zweiten Abschnitt (2) wird mittels Bestrahlung durch den bzw. die Elektronenstrahlen (8, 24,36) eines Gases ein Plasma erzeugt,

12 dessen Dichte so eingestellt wird, daß infolge der Elektronenstrahl-Plasma-Wechselwirkung eine sich selbst unterhaltende Mikrowellen-Schwingung entsteht;

3.1 im dritten Abschnitt (3) werden der Elektronenstrahl bzw. die Elektronenstrahlen (8, 24, 36) aufgefangen;

32 das Gas wird durch den dritten in den zweiten Abschnitt eingespeist;

dabei bilden die Merkmale 1.1,13,2.1,3.1 und 3.2 den Oberbegriff und die Merkmale 1.2, 1.4 und 2.2 den kennzeichnenden Teil.

2. Ionenquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektronenstrahlerzeuger des ersten Abschnitts (1) eine mehrere öffnungen (7', 22') aufweisende Anode (7,22) um aßt.

3. Ionenquelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektron !!strahlerzeuger mehrere Kathoden (4) aufweist

4. Ionenquelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektronenstrahlerzeuger eine Kathode (23; 31) mit mehreren Öffnungen aufweist

5. Ionenquelle nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwei axial übereinander angeordnete radförmige Kathoden (31, 32) vorgesehen sind, die jeweils sektorenförmige öffnungen aufweisen, und daß die sektorförmigen öffnungen der einen Kathode (31) mit denen der anderen Kathode (32) axial und winkelmäßig zueinander ausgerichtet sind.

6. Ionenquelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Magnet (14) vorgesehen ist, der in einem Laufrohr (9) im zweiten Abschnitt (2) ein axial verlaufendes Magnetfeld erzeugt.

7. Ionenquelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet daß das Laufrohr (9) bezüglich einer Auffangelektrode (15) im dritten Abschnitt (3) ein positives Potential aufweist zwecks Einleitung von Sekundärelektronen von der Auffangelektrode (15) in den zweiten Abschnitt (2).

8. Ionenquelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der dritte ω Abschnitt (3) eine zusätzliche Elektronenquelle zur zusätzlichen Einführung von Elektronen in den zweiten Abschnitt (2) aufweist.

Eine derartige Ionenquelle ist Gegenstand des älteren Patents 25 47 560.

Bei üblichen Ionenquellen, die eine Elektronen-Bombardement-Ionisierung 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 / wie folgt ausgedrückt werden: