DE2944467A1 - Plasma- und ionenquelle - Google Patents

Plasma- und ionenquelle

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DE2944467A1
DE2944467A1 DE19792944467 DE2944467A DE2944467A1 DE 2944467 A1 DE2944467 A1 DE 2944467A1 DE 19792944467 DE19792944467 DE 19792944467 DE 2944467 A DE2944467 A DE 2944467A DE 2944467 A1 DE2944467 A1 DE 2944467A1
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plasma
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DE19792944467
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Dipl.-Phys. Dr. Volker Bechtold
Dipl.-Phys. Dr. Ludwig 7500 Karlsruhe Friedrich
Josef 7514 Leopoldshafen Möllenbeck
Peter 7580 Bühl Ziegler
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Forschungszentrum Karlsruhe GmbH
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Kernforschungszentrum Karlsruhe GmbH
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J27/00—Ion beam tubes
    • H01J27/02—Ion sources; Ion guns
    • H01J27/16—Ion sources; Ion guns using high-frequency excitation, e.g. microwave excitation
    • H01J27/18—Ion sources; Ion guns using high-frequency excitation, e.g. microwave excitation with an applied axial magnetic field

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  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Plasma Technology (AREA)
  • Electron Sources, Ion Sources (AREA)

Description

29U467
Kernforschungszentrum Karlsruhe, 29.1o.1979
Karlsruhe GmbH PLA 7957 Ga/he
Plasma- und Ionenquelle
130020/0390
Beschreibung:
Die Erfindung betrifft eine Plasma- und Ionenquelle, bei der in einem begrenzten Volumen mittels der Elektronzyklotronresonanz ein Plasma mittels eines Magnetfeldes, der Einstrahlung von Mikrowellen und der Zuführung des zu ionisierenden Gases erzeugt wird.
Die Elektronzyklotronresonanz (ECR) eignet sich ganz besonders dafür, einfach und betriebssicher ein Plasma zu erzeugen, indem
in einem gasgefüllten Volumen ein Magnetfeld erzeugt und resonante elektrische Hochfrequenz leistung eingestrahlt wird. Die Frequenz f und das Magnetfeld B ergeben sich aus folgender Beziehung :
f(HZ) = 2,8 · 1o6 B(Gauß)
Werden hohe Elektronendichten in der Entladung angestrebt, so ist neben großer Hf-Leistung auch eine hohe Frequenz erforderlich, bespielsweise 1o - 2o GHZ Mikrowellen für Elektronen-
12 3
dichten von 1o /cm . D
im Bereich von 4 - 8 KG.
12 3
dichten von 1o /cm . Die erforderlichen Magnetfelder liegen
Für Anwendungen in Ionenquellen oder Plasmainjektoren ist es aus Gründen der Strahlqualität günstig, wenn mit einem möglichst kleinen Plasmavolumen mit hoher Elektronendichte als Ionenlieferant ausgekommen werden kann, um die geforderte Strahlintensität zu erreichen. Praktisch bedeutet das, daß das für die ECR erforderliche hohe Magnetfeld nur in einem Raum von wenigen mm benötigt wird. Trotzdem ist es in der Fachwelt bisher üblich in allen Anordnungen (z.B. "An Electron Cyclotron Resonance (ECR) Multiply Charged Ion Source", JEEE Transaction on Nuclear Science, Vol. NS.-26,No.2, April 1979, S. 212o-2126) ein großvolumiges Magnetfeld mittels wassergekühlter, stromdurchflossener Kupferspulen
1 30020/0390
zu erzeugen, die koaxial um einem Vakuumgefäß angeordnet sind. Das Vakuumgefäß wird so dimensioniert, daß einerseits eine noch ausreichende Sauggeschwindigkeit erreicht und andererseits die elektrische Leistung zur Aufrechterhaltung des magnetischen Feldes möglichst gering wird. Dies führt zu Anordnungen mit einer Leistung von 5o bis 2oo kW.
Eine solche Anordnung von Spulen liefert zwangsläufig im Vakuumgefäß eine ausgedehnte Fläche, auf der das Magnetfeld der Resonanzbedingung genügt. Es entstehen dadurch lästige (parasitäre) unerwünschte Entladungen, die besondere Maßnahmen zur Einschränkung des Plasmas auf den gewünschten Ort erfordern.
Der Transport des Plasmas von der Erzeugung bis zur Nutzung erfolgt durch Diffusion entlang dem aus der Resonanzzone schwach abfallenden Magnetfeld, was von einer Spulenanordnung direkt geliefert wird.
Die der Erfindung zugrundeliegenden Aufgabe besteht nunmehr darin, eine Plasma- und Ionenquelle zu bieten, bei der hohe Ionendichten in einem wohldefinierten Bereich erzielt werden und neben der Beschränkung der Entladung die erforderliche elektrische Leistung auf den geringen Verbrauch des Mikrowellengenerators beschränkt wird.
Die Lösung dieser Aufgabe ist im Merkmal des Anspruches 1 beschrieben. Die Merkmale der übrigen Ansprüche geben vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung wieder.
Wird, wie erfindungsgemäß geschehen, ein steiler Abfall des Magnetfeldes nach der Resonanz in Kauf genommen, so kann die gesamte Anordnung wesentlich vereinfacht werden, da ein geeignet dimensionierter ringförmiger Permanentmagnet verwendbar ist. Dieser hat eine axial -zylindrische Bohrung, auf deren Achse die Resonanzfeldstärke erreicht wird und deren Durchmesser groß genug gewählt
- 4 130020/0390
ist, so daß die Mikrowellen bis zur Resonanzstelle vordringen können.
Es läßt sich so eine sehr kompakte Anordnung erhalten, die entweder in die Wand oder sogar vollständig in eine Pumpkammer eingesetzt werden kann. Experimente haben gezeigt, daß in einem axialen Abstand von mehr als Io cm von der Bohrung mit einer Sondi
ist.
Sonde noch ein Ionenstrom von mehreren mA pro cm nachzuweisen
Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispieles mittels der Figur näher erläutert.
Die Figur zeigt im Schnitt die Plasma- und Ionenquelle und darüber aufgezeichnet den Verlauf des Magnetfeldes H über die Achse (in mm) der Bohrung 2. Diese Bohrung 2 befindet sich in der Mitte des ringförmigen Permanentmagneten 1 aus SmCCv-Material. Dieser Magnet 1 mit einem Durchmesser von 7o mm und einer Dicke von 2o mm ist in der Lage, im Mittelbereich 5 der Achsialbohrung 2 ein magnetisches Feld (Maximum) von 5,18 kG zu erzeugen.
Die Mikrowellen 3 und das Gas 4 (zu ionisierdes Medium) werden über den Einsatz an den Magneten 1 bzw. in den Resonanzbereich 5 eingeführt. Die Mikrowellen mit 14,5 GHZ werden an den Flansch 7 (UG 419/U) herangeführt und über den Einsatz 8 aus EN (mit £=5) dem Bereich 5 zugeleitet. Der Einsatz 8 weist eine Innenbohrung 9 auf, die mit der Zuleitung 4 für das Gas in Verbindung steht und in den Bereich 5 hineinreicht.
Die Achsialbohrung 2 ist mit einer Hülse Io aus nichtmagnetischem Material ausgekleidet, die sowohl mit dem Flansch 7 für die Mi-1 ^ krowelle 3 als auch einem Verbindungsflansch 11 zu einem nicht näher dargestellten Vakuum- bzw. Beschleunigungssystem in Verbindung steht.
-δ-1 30020/0390
Leerseite

Claims (3)

  1. Kernforschungszentrum Karlsruhe, 29.1o.1979
    Karlsruhe GmbH PIA 7957 Ga/he
    Patentansprüche :
    M./Plasma- und Ionenquelle, bei der in einem begrenzten Volumen mittels der Elektronzyklotronresonanz ein Plasma mittels eines Magnetfeldes, der Einstrahlung von Mikrowellen und der Zuführung des zu ionisierenden Gases erzeugt wird, gekennzeichnet durch die Verwendung eines Permanentmagneten (1) mit einer axialen Bohrung (2), in die sowohl die Mikrowellen (3) als auch das Gas (4) einbringbar ist.
  2. 2. Plasma- und Ionenquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Permanentmagnet (1) in einem Bereich der axialen Bohrung (2) ein Maximum des Magnetfeldes erzeugt und daß die Mikrowellen (3) und das Gas (4) in diesen Bereich einbringbar sind.
  3. 3. Plasma- und Ionenquelle nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Permanentmagnet (1) aus SmCOc-Material besteht.
    1 30020/0390
DE19792944467 1979-11-03 1979-11-03 Plasma- und ionenquelle Withdrawn DE2944467A1 (de)

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EP0028303B1 (de) 1983-12-07
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