DE4208764A1 - Verfahren zum Erzeugen eines Teilchenstrahls sowie ein Teilchenbeschleuniger zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen eines elek­ trisch geladenen Teilchenstrahls sowie einen Teilchenbeschleu­ niger zur Durchführung des Verfahrens und zur Anwendung des­ selben.

Bei derartigen Verfahren und Beschleunigern werden Teilchen vorgegebener Ladung und Masse aus einem Reservoir extrahiert und einem Beschleunigungsraum zwischen zwei verschiedenen elektrischen Potentialen zugeführt, um letztlich als Strahl für weitere Bearbeitungsprozesse zur Verfügung zu stehen.

Im Patent DP 38 34 402 wird ein Verfahren vorgestellt, bei dem der magnetisch selbstfokussierte Elektronenstrahl einer Pseudofunkenentladung am Anodenausgang von einem elektrisch isolierenden Quarzröhrchen aufgenommen und darin über eine Wegstrecke transportiert wird. Eine leichte Krümmung der Röhre hat keine spürbare Auswirkung auf den Strahltransport und er­ leichtert damit die Suche nach dem günstigsten Auftreffwinkel des Strahls auf das Target. Die Röhre schützt in einem gewis­ sen Umfang die Pseudofunkenkammer vor den Ablationsdämpfen und erlaubt wegen des geringen Pumpquerschnittes differentielles Pumpen. Die Erzeugung des Elektronenstrahls mit der technisch aufwendigen Pseudofunkenkammer stößt an Grenzen hinsichtlich Strahlstärke und Divergenz.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, hohe Teilchen­ strahlintensitäten oder äquivalent dazu einen hohen Strom bzw. eine hohe Stromdichte und eine scharfe Bündelung des Teilchen­ strahls mit wirtschaftlich akzeptablen Mitteln und Aufwendun­ gen zu erreichen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das Verfahren nach Anspruch 1 und den darin aufgeführten kennzeichnenden Verfah­ rensschritten sowie durch den Teilchenbeschleuniger gemäß den Kennzeichen des Anspruchs 6 gelöst.

Die Verfahrensansprüche 2 bis 6 sowie die Unteransprüche 8 bis 13 weisen vorteilhafte Verfahrensschritte bzw. Ausgestaltungen des Teilchenbeschleunigers auf.

Wesentlich an dem Verfahren ist, daß die geladenen Teilchen im Reservoir mit hoher Stromstärke und Stromdichte in einem in der Elektrode, die teilweise die Reservoirwand bildet, begin­ nenden dielektrischen Rohrraum gesaugt und dort über die Po­ tentialdifferenz zwischen beiden Elektroden beschleunigt wer­ den. Beim Eintreffen der Teilchen in einem Targetraum, haben diese dann ihre Prozeßenergie erreicht. Für die Strahlformie­ rung ist weiter von Bedeutung, daß eine residuale Gasfüllung mit dem Restdruck p im dielektrischen Rohrraum durch den Teil­ chenstrom ionisiert und elektrisch polarisiert wird. Eine La­ dungswolke an und entlang der inneren Rohrwand wirkt abstoßend auf den Teilchenstrom. Es findet eine Raumladungskompensation und eine elektrostatische Fokussierung des Teilchenstrahl statt. Dieser Vorgang läuft gut ab, wenn das Produkt aus residualem Gasdruck p und Innendurchmesser d des Rohres so niedrig angelegt wird, daß die von außen angelegte Beschleuni­ gungsspannung zwischen den Elektroden trotz parasitärer Entla­ dung in der residualen Gasfüllung im wesentlichen für die Teilchenstrahlbeschleunigung erhalten bleibt.

In den Unteransprüchen 2 bis 5 sind zusätzlich Verfahrens­ schritte gekennzeichnet, mit denen eine Strahlablenkung oder ein veränderter Strahlquerschnitt erreicht wird. Desweiteren werden Schritte zur gezielten Strahlbeschleunigung gekenn­ zeichnet.

So wird durch ein örtlich begrenztes Magnetfeld im Bereich des Rohrraumes eine Strahlablenkung bewirkt. Über Querschnittsän­ derungen des dielektrischen Rohrraums wird der Querschnitt des Teilchenstrahls beeinflußt.

Es kann zweckmäßig sein, zur Einstellung der Prozeßenergie des Teilchenstrahls bzw. seiner Strahlstärke, die Beschleunigungs­ strecke über eine resistiv oder induktiv gekoppelte Hilfselek­ trode zwischen beiden äußeren Elektroden zu verkürzen. Deswei­ teren ist über eine Potentialsteuerung durch resistiv gekop­ pelte Hilfselektroden zwischen den beiden Hauptelektroden die Beschleunigungsstrecke für den Teilchenstrahl definiert aufge­ teilt.

Zur Durchführung des Verfahrens ist der in Anspruch 6 gekenn­ zeichnete Teilchenbeschleuniger geeignet. Um die geladenen Teilchen aus dem Reservoir stromstark abziehen zu können, bil­ det die eine Elektrode teilweise die Reservoirwand. An ihr be­ ginnt der dielektrische Rohrraum bzw. weitere, falls viele solche zweckmäßig wären. Die Gegenelektrode befindet sich außerhalb des Reservoirs. Auf sie ist der dielektrische Rohr­ raum in seinem weiteren Verlauf gerichtet.

Als eine optimale Geometrie hat sich experimentell erwiesen, wenn die Länge des Rohrraumes mindestens dreimal so groß ist wie der Innendurchmesser desselben. Zur Erhaltung der axialen elektrischen Isolation bei Kontamination, ist der Rohrraum zweckmäßigerweise teils oder ganz durch ein System fluchtend angeordneter, dielektrischer Röhrensegmente gebildet. Die Seg­ mente bilden radial gestaltete Schlitze miteinander. Dadurch werden Oberflächenströme unterbunden.

Vorteilhafterweise besteht die Schlitzung derart, daß radial von der Rohrachse ausgehende Strahlung oder Teilchen das ra­ diale Schlitzende nicht erreichen, oder wenn überhaupt nur über einen weiten Umweg.

Zur Verbesserung der Teilchenstrahlformierung ist im Endbe­ reich zur Gegenelektrode eine elektrisch ausreichend isolierte Gaszufuhr angebracht, über die in den Rohrraum in beiden Rich­ tungen Gas eingeströmt werden kann.

Die auffällige Qualitätsverbesserung des Teilchenstrahles ist einerseits wesentlich der baulichen Maßnahme zuzuschreiben, den Stapel an Elektroden und Isolatoren der Pseudofunken­ strecke durch einen mit dielektrischem Material begrenzten Rohrraum, im Ausführungsbeispiel, das unten beschrieben wird, eine Quarzröhre bzw. eine fluchtende Aneinanderreihung von mehreren kürzeren Quarzröhren, zu ersetzen. Andererseits rührt die hohe Strahlqualität wiederum maßgeblich von der eigenstän­ digen Ausbildung eines geladenen Teilchenstroms in der Quarzröhrenanordnung her.

Ausführungsbeispiele sind in der Zeichnung dargestellt und werden in folgendem näher beschrieben. Im einzelnen wird ge­ zeigt:

Fig. 1 schematisierte Darstellung der Beschleunigungs- und Transportstrecke für den Teilchenstrahl;

Fig. 1a Querschnitt durch das dielektrische Rohr mit positiver Raumladung in der Achse und negativer Raumladungsanlagerung an der Rohrwand, wenn Elektronen den Teilchenstrahl bilden;

Fig. 2 gekrümmte Beschleunigungs- und Transportstrecke im Rezipienten mit zusätzlicher magnetischer Strahlfokussierung;

Fig. 3a Aufteilung des dielektrischen Rohres in Beschleu­ nigungs- und Transportstrecke durch eine Hilfs­ elektrode;

Fig. 3b Potentialsteuerung durch Hilfselektroden zwischen den Endelektroden;

Fig. 4a grundsätzliche radiale Rohrraumerweiterung zwischen den Rohrsegmenten:

Fig. 4b konstruktiv einfache Rohrraumerweiterung;

Fig. 4c konstruktiv aufwendige Rohrraumerweiterung;

Fig. 5 Rohrraum mit elektrisch abgekoppelter Pumpein­ richtung;

Fig. 6 elektrisch hochliegendes Teilchenreservoir, einfaches schematisches Beispiel für die Teilchenerzeugung und das Absaugen in den Rohrraum;

Fig. 7 gepulste Lichtquelle.

Eine genauere Untersuchung hat ergeben, daß der Elektro­ nenstrahl, der die Quarzröhre verläßt, aus zwei Anteilen be­ steht, nämlich aus einem Anteil aus der Gasentladung in der Pseudofunkenkammer und aus einem Anteil der von einer selb­ ständigen Strahlformierung in der Quarzröhre herrührt.

Zunächst koppelt der Elektronenstrahl aus der Pseudofunkenkam­ mer nur dann zuverlässig in die dielektrische Röhre, wenn das Ende der dielektrischen Röhre auf einer Zwischenelektrode auf­ liegt, und das um so besser, je kathodischer sie aufgeladen ist, d. h. je tiefer sie in die Pseudofunkenkammer hineinge­ schoben wird.

Messungen mit einem Spannungstastkopf zeigen, daß in diesen Fällen die Elektronen aus der Pseudofunkenentladung die Zwi­ schenelektrode, auf der die dielektrische Röhre aufliegt, über 100 ns stark negativ (bis auf Kathodenpotential) auflädt und dann das kathodische Ende der dielektrischen Röhre aus dem Plasma im Kanal der Pseudofunkenkammer Elektronen ansaugt und ein Elektronenstrahl gebildet wird, der in Reichweite (nach Verlassen der dielektrischen Röhre), Parallelität und Wir­ kungsgrad dem Pseudofunken-Elektronenstrahl überlegen ist. Das Plasma im Kanal der Pseudofunkenkammer dient als Quelle und Reservoir für Elektronen.

So gelingt es erfindungsgemäß in einer Vorrichtung (Fig. 1) magnetisch selbstfokussierte Elektronenstrahlen 7 zu erzeugen, die z. B. aus dem Plasma 1 einer schnell veränderlichen Hohlka­ thode und einer darin hineinragenden dielektrischen Röhre 5 besteht. Das andere Ende der dielektrischen Röhre 5 ragt, von der Kathodenelektrode 2 isoliert, frei in einen Rezipienten 8 (s. Fig. 2). Von diesem Ende löst sich bei vergleichsweise niedriger Spannung (10 kV) und Pulsleistung (5 MW) ein scharf gebündelter Elektronenstrahl 7 mit einer zeitlichen Halbwerts­ breite von 100 ns, der selbst nach 6 cm freiem Flugweg noch Ablationseffekte zeigt, wie in Fig. 2 durch die Materialwolke 33 angedeutet.

In der eben beschriebenen Anordnung spielt die Anode 3 eine untergeordnete Rolle. Man kann auf eine Anode 3 auch verzich­ ten; die Aufgabe der Anode 3 übernimmt dann der metallische Rezipient 8. Beide sammeln die negative Überschußladung und bilden aus ihr den Rückstrom zu den Kondensatoren.

Zur Erzeugung von Teilchenströmen 7 hoher Stromdichte, etwa 10⁴ A/cm² für Elektronen reicht eine äußere elektrostatische oder magnetische Fokussierung nicht aus. Zur Reduktion der Raumladung muß der dielektrische Rohrraum 5 eine residuale Gasfüllung mit dem Druck p enthalten. Der Teilchenstrom 7 io­ nisiert und polarisiert das Restgas, so daß die Wand des Rohr­ raums 5 für den Teilchenstrahl 7 abstoßend und die Achse an­ ziehend aufgeladen wird (siehe schematische Darstellung in Fig. 1a dazu). Durch das Verteilen der negativen Raumladung 38 an die Innenwand der Röhre 5, vermindert sich im Falle des Elektronenstrahls 7 die Raumladungsabstoßung in der Achse 12 (Fig. 1a). Gleichzeitig werden die negativen Ladungswolken 38 an der Wand durch das äußere elektrische Feld aus der Röhre 5 gesaugt, wodurch die Ladungsträger, die aus dem Gas gebildet wurden, eine positive Überschußladung 39 bilden. Diese posi­ tive Überschußladung 39 reduziert die durch den Strahl 7 herangetragene negative Raumladung.

Das Profil des Elektronenstrahls 7 ähnelt einem Hohlzylinder. Das weist auf eine verbleibende Raumladungsabstoßung während des Beschleunigungsvorganges hin. Bei Verlassen des Rohrraums 5 bleibt der Strahl 7 stabil und weitet sich längs einer Wegstrecke von 15 cm nur geringfügig auf; jedoch muß der resi­ duale Druck im Rezipienten 8 größer 0,2 Pa (Sauerstoff) sein. Das Profil des Strahls 7 weist auf die Fähigkeit des Rohrraums 5 hin, auch diejenigen Elektronen zu halten und mitzubeschleu­ nigen, die in einer offenen Beschleunigungsstruktur den Strahl 7 verlassen würden. Das erklärt die gute Effizienz der Be­ schleunigung von Teilchen im Rohrraum 5. Zur Vermeidung von Elektronenverlusten muß allerdings die dielektrische Röhre 5 bzw. die erste Sektion derselben mindestens dreimal so lang wie ihr Innendurchmesser sein.

Im Anwendungsbeispiel zur Erzeugung eines Elektronenstrahls liegt der Spannungszusammenbruch an der Röhre 5 bei etwa 4 Pa bei angelegter Spannung von 20 kV und einem Durchmesser d der dielektrischen Röhre von 3 mm. Der bevorzugte Arbeitsdruckbe­ reich im Durchführungsbeispiel liegt etwa zwischen 0.1 Pa und 1.5 Pa. Als Gasfüllung wurde Sauerstoff genommen. Es kann je­ doch jedes Gas als residuale Gasfüllung genommen werden.

Die Diagnose der Energieverteilung der Elektronen mit Hilfe der Röntgenbremsstrahlung und Magnetfeldspektroskopie zeigt, daß im o.e. bevorzugten Druckbereich durch kollektive Effekte in der dielektrischen Röhre 5 die Energie-Verteilung der Elek­ tronen konstant bleibt. Man mißt bei einer von außen angeleg­ ten Spannung von 20kV über einen Zeitraum von 70 nsec eine mittlere Elektronenenergie zwischen 11 und 12 keV, unabhängig von Schwingungen des Gesamtstromes in der Röhre, der bis zu 6 kA beträgt.

Es zeigt sich, daß der extrahierte Elektronenstrom anwächst, wenn in die dielektrische Röhre 5 eine Hilfsanode 9 integriert wird, die über einen ohmschen oder induktiven Widerstand 10 mit der Anode 3 verbunden ist (Fig. 3a). Der Widerstand 10 ist so dimensioniert, daß ab einer geringen Stromstärke (10 mA-10 A) das Anodenpotential von der Hilfsanode 9 wegdriftet und das Potential an der gesamten dielektrischen Röhre 5 anliegt. Diese Maßnahme empfiehlt sich grundsätzlich, dann insbeson­ dere, wenn die dielektrische Röhre 5 sehr lang ist (z. B. 100 cm) und/oder gekrümmt ist, und/oder wenn zur Erniedrigung oder Erhöhung der Stromdichte der Querschnitt sich längs der di­ elektrischen Röhre 5 ändert.

Die Strecke vom Reservoir 1 zur Hilfselektrode 9 in Fig. 3a wird Kanalbeschleuniger 11 genannt und die Formierung des Teilchenstrahls 7 Kanalfunke. Der Abschnitt von der Hilfselek­ trode 9 zum anodischen Ende der dielektrischen Röhre 5 wird mit Strahlleiter 12 bezeichnet.

Das elektrische Isolationsvermögen der Innenwand 23 des Be­ schleunigerröhrchens 5 wird durch Kontamination beeinträch­ tigt; dadurch ist eine Störung der Betriebsweise des Kanalfun­ kens gegeben. Unvermeidbar ist auch das Entstehen einer Sekun­ därentladung in den Adsorbaten der Innenwand 23 der dielektri­ schen Röhre 5, wenn der Teilchenstrom aus dem Reservoir 1 an­ wächst. Die Entladung an der Innenwand der dielektrischen Röhre 5 führt zu einer Abschirmung des äußeren Feldes, wodurch die Fokussierung des Teilchenstromes 7 aus dem Reservoir 1 auf die Achse 12 behindert wird. Zur Unterdrückung von durchge­ henden Wandströmen zeigt Fig. 4 drei Lösungsbeispiele a), b), c) für eine segmentierte Anordnung 16 des Röhrchens 5 jeweils in Verbindung mit einem dielektrischen Körper 18, 19, 20, der eine innere radiale 18 bzw. topologisch beliebige Schlitzung 19, 20 aufweist, die eine Unterbrechung von etwaigen schädli­ chen inneren Oberflächenströmen 23 von einem zum anderen dielektrischen Röhrensegment bewirken soll. Diese Schlitzung kann auch mindestens eine Senke 22 o. ä. beinhalten, die das weitere Eindringen von Dämpfen in den Hinterraum der Schlit­ zung verhindert. So wird die Isolation der Segmente von­ einander gewährleistet, was eine sichere Betriebsweise des Ka­ nalfunkens bedeutet.

Als Reservoir 1 für Elektronen in Fig. 1 kann an Stelle einer schnell veränderlichen Hohlkathode auch ein gepulstes Oberflä­ chenentladungs- oder Laserplasma genommen werden. Für den Transport des stromstarken Strahls im Anodenraum muß jedoch ein minimaler Druck in der Größenordnung 0.2 Pa eingestellt werden.

Für den Fall, daß der Reservoirraum 1 potentialmäßig hoch­ liegt, kann ein Triggerplasma 29 durch eine dielektrische Röhre 30 mit etwa gleichem Innendurchmesser und gleicher Länge wie die Beschleunigerröhre 11 in den Reservoirraum 1 geleitet und damit der Betrieb eingeleitet werden. Das andere Ende der dielektrischen Röhre ist mit der Triggerquelle 31 über einen in einer solchen Weise dimensionierten Widerstand 32 geerdet, daß eine etwaige Nebenentladung zur Triggerquelle 31 keine Zerstörung anrichtet (s. Fig. 6).

Druckunterschiede zwischen dem Reservior 1 und dem Targetraum 8, in dem sich die Gegenelektrode 3 befindet, kann durch differentielles Pumpen leicht realisiert werden, da der Pumpwiderstand der dielektrischen Röhre 5 mit der 4-ten Potenz des Innendurchmessers und linear mit der Länge zunimmt.

Einen zuverlässigen Schutz des gesamten dielektrischen Röhren­ systems vor Kontamination ist gewährleistet, wenn am Ende der dielektrischen Röhre 5 zur Gegenelektrode 3, 8 eine Gaszufuhr 24 an die Röhre 5 angebracht wird, so daß das Gas sowohl in Richtung Reservior 1 als auch in den Rezipienten 8 einströ­ men kann, in dem sich die Gegenelektrode 3 befindet (Fig. 5). In den Gaszufuhrschlauch 25 zwischen dem Röhrchenende und der Gasquelle 26 muß zur Vermeidung einer parasitären Gasentladung zwischen der dielektrischen Röhre 5 und der Gasquelle 26, ein weiteres dielektrisches Röhrchen 27 eingebracht werden, das einen inneren Durchmesser von höchstens 1/2 d aufweist und das beidseitig an den Stirnflächen metallisiert bzw. mit Elektro­ den 28 versehen ist, wobei die zur Gasquelle 26 hin weisende Elektrode 28 geerdet ist und die andere frei flotiert.

Zur Beschleunigung von Ionen liegt das Potential des Reser­ voirs 1 auf Anodenpotenial. Wegen der Abschirmwirkung der Elektronen und der geringen Beweglichkeit der Ionen muß die Dichte des Plasmas im Reservoir 1 am Eingang der dielektri­ schen Röhre 5 hoch sein. Zur effektiven Extraktion der Ionen aus dem Plasma in die dielektrische Röhre 5 muß die Beschleunigungssektion (bis zur ersten Hilfselektrode 13, s. Fig. 3b) kurz und wegen dem Child-Langmuir Gesetz die Spannung hoch gewählt werden. Die Hilfselektrode beginnt Strom zu tra­ gen. Der ohmsche oder induktive Widerstand 11, der die Hilfs­ elektrode 13 mit der Kathode verbindet, läßt die erste Hilfs­ elektrode 13 auf Anodenpotential abdriften. Nun übernimmt eine sich anschließende zweite Hilfselektrode 13 die Aufgabe, das elektrische Feld aufzubauen und wenn diese durch Strombela­ stung deaktiviert wird ist es eine nachfolgende usw. (s. Fig. 3b). Um die Wirkungsquerschnitte für die Umladung der Ionen niedrig zu halten, muß der residuale Druck so klein wie mög­ lich sein. Er lag im Durchführungsbeispiel bei etwa 0.1 Pa.

Diese Art Ionen zu beschleunigen hat zwei Vorteile: Erstens die Hilfselektroden 13 wirken wie ein Linearbeschleuniger; zweitens der Ionenstrahl verläßt mit guter Parallelität die dielektrische Röhre 5.

Der Kanalfunke ist zunächst eine einfache und kostengünstige Quelle für stromstarke gerichtete Elektronen- und Ionenstrah­ len mit deren Hilfe Prozeßenergie in ruhende bzw. differen­ tiell gepumpte Gase, Gasgemische und Gemische aus Gas und Aerosolen deponiert werden kann. Beispielsweise kann durch differentielles Pumpen in der dielektrischen Röhre 5 ein Gastarget geschaffen werden, in dem der Elektronenstrahl unter Erzeugung von Brems- und charakteristischer Strahlung im Gas abgebremst wird. Aerosole unbekannter Zusammensetzung können kontinuierlich durch die dielektrische Röhre geleitet werden, vom Elektronenstrahl vollständig ionisiert und an Hand der charakteristischen Strahlung bestimmt werden.

Mit Hilfe der Teilchenstrahlen kann Material bestrahlt, abge­ tragen und bearbeitet werden (s. Fig. 2). Der Abtragungsprozeß im Falle der Elektronen ist die Ablation, im Falle der Ionen die Zerstäubung einschließlich heißer Prozesse.

Die gesputterten, ablatierten und verdampften Materialien 33 entfernen sich vorwiegend in der Targetnormalen vom Target 14 weg und bestehen, in etwa geordnet nach der Leistungsdichte des Teilchenstrahls, aus Ionen, Atomen, Molekülen, Clustern und Aerosolen jeder Größe, die zum Teil noch angeregt sind und Überschußladungen tragen.

Das vom Teilchenstrahl gesputterte, ablatierte und verdampfte Targetmaterial kann zur Herstellung von Schichten auf Substra­ ten nach dem Tayloringverfahren (jede atomare Schicht ver­ schieden), als atomare Mischung (zwischen sonst unverträgli­ chen Materialien) und als Compoundsubstanz auf hochfesten Fa­ sern o. ä. verwendet werden.

Schichten auf Substraten können auch mit atomaren Material hergestellt werden, das mit Hilfe der Teilchen- und/oder elek­ tromagnetischen Strahlen aus seiner gasförmigen chemischen Verbindung freigesetzt wird.

Die stromstarken Elektronen-/Ionenstrahlen aus dem Kanalfunken bilden eine Teilchenquelle mit hoher Brillianz und Stromstärke und können nach einer differentiell-gepumpten Strecke in Mit­ tel- und Hochenergiebeschleuniger eingeleitet werden.

Das Plasma, das beim Auftreffen der Teilchenstrahlen auf einem Target gebildet wird, ist eine ergiebige gepulste Quelle für elektromagnetische Strahlung (Licht, UV, VUV, weiche Röntgen­ strahlung).

Eine sehr intensive-gepulste Lichtquelle 37 erhält man durch den Beschuß der Stirnfläche eines Lichtleiters 35 mittels des Teilchenstrahls (s. Fig. 7). Dabei wird ein sehr heißes Plasma 36 aus dem Lichtleitermaterial erzeugt, dessen abgestrahltes Licht wegen seiner spektralen Zusammensetzung und der Lei­ stungsdichte am Ort der Entstehung, mit hoher Ausbeute in den Lichtleiter eingekoppelt wird.

Zeitgleich mit der Entstehung des Elektronenstrahls bildet sich in der dielektrischen Röhre ein Plasma und es werden Mi­ krowellen aus der Wechselwirkung des Elektronenstrahls mit dem Plasma erzeugt, die ungeschwächt und ungestört die dielektri­ schen Röhre durchdringen und nach außen gelangen.

Am kathodischem Eingang der dielektrischen Röhre bildet sich eine Zone sehr heißen Plasmas aus. Benutzt man den Kanalfunken als Vorprozeß für einen nachfolgenden Z-Pinchs, kann man die­ ses Gebiet für eine längere Zeit magnetisch komprimieren und durch ohmsche Prozesse heizen. So gelingt es mit einer Primär­ energie von nur 15 J über eine Mikrosekunde das Plasma auf ei­ ner Temperatur von T_e = 200 eV zu halten. Durch gezielte Kon­ tamination mit Atomen höherer Kernladungszahl verfügt man dann über eine einfache Plasmaquelle für Licht, UV, VUV und weiche Röntgenstrahlung bis zu einer Energie von 2 keV. Wegen der ge­ ringen Liniendichte des aus dem residualen Gas gebildeten Plasmas ist die Linienverbreiterung der Strahlung ebenfalls gering. Der Wirkungsgrad für die abgegebene Strahlung zwischen 10 eV und 2 keV liegt bei 10 %, der zwischen 700 eV und 2 keV unter ein Promille.

Der Elektronenstrahl der Kanalentladung zeichnet sich durch einen hohen Strom im unteren kA-Bereich bei vergleichsweise niedriger Beschleunigungsspannung (5-10 kV) aus und eignet sich zur Herstellung gepulster weicher Bremsstrahlung nach Auftreffen des gut fokusierten Elektronenstrahls auf ein Tar­ get. Mit dieser Bremsstrahlung können biologische Strukturen im Mikrometerbereich durch Schattenwurf abgebildet werden.

Da an der Beschleunigersektion 11 Spannungsdifferenzen bis über 100 kV gehalten werden können eignet sich die Kanalentla­ dung als freilaufender und triggerbarer Schalter für hohe Spannungen. Für geringere Spannungen kann die Kanalentladung auch als Impulsgenerator mit Repetitionsfrequenzen bis 10 kHz eingesetzt werden.

Bezugszeichenliste

 1 Reservoir
 2 Elektrode, Kathodenelektrode
 3 Elektrode, Anode
 4 Öffnung
 5 Rohrraum, Rohr, Quarzröhre
 6 Spannungsteiler
 7 Ionen-, Teilchenstrahl, Elektronenstrahl
 8 Rezipient, Targetraum
 9 Hilfselektrode, Hilfsanode
10 Widerstand, Induktivität
11 Rohrsegment, Kanalbeschleuniger
12 Achse
13 Hilfselektroden
14 Target, Targetbereich
15 Magnet
16 Rohrsegment
17 geschlitzter, dielektrischer Körper
18 geschlitzter, dielektrischer Körper
19 geschlitzter, dielektrischer Körper
20 geschlitzter, dielektrischer Körper
21 Oberflächenströme
22 Senke
24 Gaszufuhr
25 Gaszufuhrschlauch
26 Gasquelle
27 dielektrisches Röhrchen
28 Elektrode
29 Triggerplasma
30 dielektrische Röhre
31 Triggerquelle
32 Widerstand
33 Material, Materialwolke
34 Stirnfläche
35 Lichtleiter
36 Plasma
37 Licht, Lichtquelle
38 negative Ladungswolke, negative Raumladung
39 positive Raumladung

Claims (13)

1. Verfahren zum Beschleunigen elektrisch geladener Teilchen aus einem gepulsten Plasmareservoir hoher Teilchendichte mittels einer an zwei Elektroden angelegten Spannung, da­ durch gekennzeichnet, daß

• - aus dem Reservoir (1) die geladenen Teilchen mit hoher Stromstärke und -dichte in mindestens einem an der Re­ servoirwand beginnenden dielektrischen Rohrraum (5) ge­ saugt trotz elektrostatischer Abstoßung darin gefangen und in Richtung der Elektrode (3) beschleunigt werden und danach durch sie in einen Targetraum (8) fliegen und dort als Prozeßenergie der Benutzung zugeführt werden;
• - zur Raumladungsreduktion und elektrostatischen Fo­ kussierung eine residuale Gasfüllung im dielektrischen Rohrraum (5) mit dem Restdruck p durch den Teilchenstrom (7) ionisiert und elektrisch polarisiert wird, so daß die innere Wand des Rohrraums für den Teilchenstrahl ab­ stoßend und die Achse anziehend aufgeladen wird;
• - das Produkt aus residualem Druck p und Innendurchmesser d des Rohrraumes (5) so niedrig eingestellt wird, daß die von außen angelegte Beschleunigungsspannung trotz einer parasitären Entladung in der residualen Gasfüllung im wesentlichen für die Beschleunigung des Teilchenstrahls (7) erhalten bleibt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch lokal begrenzte und an vorgegebenen Orten, auf den Teilchenstrahl (7) im Rohrraum (5) wirkende Magnetfelder eine vorgegebene Ablenkung des Strahls (7) bewirkt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß über eine Querschnittsänderung des Rohrraumes (5) die Strom­ dichte des austretenden Teilchenstrahls (7) geändert wird.

4. Verfahren nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschleunigungsstrecke im Rohrraum (5) durch eine an die Elektrode (3) über einen Widerstand (10) oder eine Induktivität (10) gekoppelte Hilfselektrode (9), die um den Rohrraum (5) angebracht ist, verkürzt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Potentialabstufung zwischen den Elektroden (2, 3) über einen Spannungsteiler (6) eingestellt wird, an dessen Zwischenab­ zweige um den Rohrraum (5) liegende Hilfselektroden (13) angeschlossen sind.

6. Teilchenbeschleuniger zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, bestehend aus einer gepulsten Quelle, die die geladenen Teilchen liefert, und einem Reservoir, das mit den geladenen Teilchen beschickt wird sowie einer Beschleu­ nigungseinrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß

• - zwischen zwei Elektroden (2, 3), von denen die eine (2) das Reservoir (1) teilweise mitbegrenzt und die andere (3) außerhalb liegt, mindestens ein dielektrischer Rohr­ raum (5) eingerichtet ist, der mit einer Öffnung in der Elektrode (2) beginnt und zur andern Elektrode (3) ge­ richtet ist und in dem die Teilchenbeschleunigung raum­ ladungsreduziert stattfindet und der Teilchenstrahl (7) elektrostatisch fokussiert wird;
• - der an der Elektrode (2) beginnende dielektrische Rohr­ raum (5) eine Mindestlänge von dreimal seinem Innen­ durchmesser hat;
• - zur Erhaltung der axialen elektrischen Isolation bei Kontamination der dielektrische Rohrraum (5) zwischen den beiden Elektroden (2, 3) teilweise oder ganz durch ein System von fluchtend angeordneten, dielektrischen Rohrsegmente (16) ausgebildet ist, die ein innen radial (bzw. topologisch beliebig) geschlitzter, dielektrischer Körper (18, 19, 20) mit fluchtender Innenbohrung jeweils verbindet, so daß innere Oberflächenströme (21) zwischen den Röhrensegmenten (16) nicht fließen können.

7. Teilchenbeschleuniger nach Anspruch 6, dadurch gekennzeich­ net, daß die radiale bzw. topologisch beliebige Schlitzung des dielektrischen Körpers (18, 19, 20) zusätzlich eine Senke (22) enthält, so daß der nach der Senkung sich an­ schließende Hinterraum vor Kontamination und Oberflä­ chenleitfähigkeit geschützt ist.

8. Teilchenbeschleuniger nach den Ansprüchen 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß am Ende der dielektrischen Röhre (5) zur Gegenelektrode (3, 8) hin eine Gaszufuhr (24) in Rich­ tung Reservoir (1) als auch in den Rezipienten (8) einströ­ men kann, in dem sich die Gegenelektrode (3, 8) befindet.

9. Teilchenbeschleuniger nach den Ansprüchen 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß in den Gaszufuhrschlauch (25) zwischen dem Röhrchenende (24) und der Gasquelle (26), zur Vermei­ dung einer parasitären Gasentladung zur Gasquelle (26), ein dielektrisches Röhrchen (27) eingebracht wird, das einen inneren Durchmesser von höchstens 1/2 d aufweist und das beidseitig an den Stirnflächen metallisiert bzw. mit Elek­ troden (28) versehen ist, wobei die zur Gasquelle (26) hin weisende Elektrode (28) geerdet ist und die andere frei flotiert.

10. Teilchenbeschleuniger nach Anspruch 6, dadurch gekennzeich­ net, daß das Reservoir (1) ein gepulstes Festkörperplasma ist.

11. Teilchenbeschleuniger nach Anspruch 6 dadurch gekennzeich­ net, daß die Quelle eine gepulste Hohlkathode und das Re­ servoir (1) ein Hohlkathodenplasma ist.

12. Teilchenbeschleuniger nach Anspruch 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß im Falle eines potentialmäßig hochliegenden Reservoirraums (1) ein Triggerplasma (29) oder Teilchen­ ströme niederer Energie durch den dielektrischen Rohrraum (30) mit etwa gleichem Innendurchmesser und gleicher Länge wie die Beschleunigerröhre in den Reservoirraum (1) gelei­ tet wird.

13. Teilchenbeschleuniger nach Anspruch 12, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die dielektrische Röhre (5), die das Trigger­ plasma (29) oder die Teilchenströme niederer Energie in den Reserviorraum transportiert am anderen Ende über einen Wi­ derstand (32) geerdet ist, so daß die Nebenentladung zur Triggerquelle (31) keine Zerstörung anrichten kann.