DE69737461T2

DE69737461T2 - Magnetische vorrichtung, insbesondere fuer elektronzyklotronresonanzionenquellen, die die erzeugung geschlossener oberflaechen mit konstanter magnetfeldstaerke b und beliebiger groesse ermoeglichen

Info

Publication number: DE69737461T2
Application number: DE69737461T
Authority: DE
Inventors: Jean-Yves Pacquet; Renan Leroy
Original assignee: Centre National de la Recherche Scientifique CNRS; Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Centre National de la Recherche Scientifique CNRS; Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 1996-12-18
Filing date: 1997-12-17
Publication date: 2007-12-06
Anticipated expiration: 2017-12-18
Also published as: EP0946961A1; US6194836B1; DK0946961T3; FR2757310A1; FR2757310B1; DE69737461D1; WO1998027572A1; EP0946961B1

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft das Gebiet der magnetischen Vorrichtungen zum Erzeugen eines Magnetfelds, insbesondere hinsichtlich einer Anwendung bei einer Quelle des Typs ECR (Elektronenzyklotronresonanz). Solche Quellen werden zur Erzeugung von Ionen benutzt.
Das Dokument FR-2 475 798 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung für die Erzeugung stark geladener Ionen. Die Vorrichtung umfasst einen Hyperfrequenzresonator, erregt durch wenigstens ein elektromagnetisches Hochfrequenzfeld. Dieses Feld ist einem Magnetfeld zugeordnet, dessen Amplitude so gewählt wird, dass die dem genannten Magnetfeld zugeordnete Elektronenzyklotronfrequenz gleich der Frequenz des in dem Resonator erzeugten elektromagnetischen Felds ist. Es handelt sich um die Bedingung: B = f·2πm/e (1)wo m die Elektronmasse darstellt, e die Elektronladung und f die Frequenz des elektromagnetischen Felds.
In dieser Vorrichtung wird das Magnetfeld gebildet durch die Überlagerung:

– eines im zentralen Teil des Resonators eine minimale Amplitude aufweisenden multipolaren radialen Magnetfelds,
– und eines rotationssymmetrischen axiale Magnetfelds mit einem Gradient entsprechend der Achse, wobei das resultierende Gesamtmagnetfeld so geregelt wird, dass in dem Resonator wenigstens eine komplett geschlossene magnetische Schicht existiert, die keinen Kontakt mit den Wänden des Resonator hat. In dieser Schicht wird die Elektronenzyklotronresonanzbedingung befriedigt, so dass man eine Ionisierung des sie durchquerenden Gases erzeugt.

Die in diesem Dokument beschriebene Vorrichtung wird nun in Verbindung mit der 1 kurz in Erinnerung gerufen. Zwei nicht dargestellte Quellen ermöglichen, ionisierbares Gas durch die Leitungen 2 und 4 strömen zu lassen, die in einem Einschließungsbehälter 6 münden, in dem eine Vakuumpumpe ermöglicht, ein Hochvakuum zu erzeugen. Ein elektromagnetisches Feld wird durch Wellenleiter 8, 10 eingespeist.
Axiale Spulenpaare 14, 16 ermöglichen, das axiale Magnetfeld zu erzeugen. Das multipolare radiale Magnetfeld mit einer Nullamplitude im Zentrum des Resonators wird mit Hilfe von parallel zueinander angeordneten Stäben 18 erzeugt. Das sich dem elektromagnetischen HF-Feld überlagernde resultierende Magnetfeld ermöglicht die Elektronenzyklotronresonanz.
Ein Artikel von G. ZSCHORNACK et al. mit dem Titel "A 14.6 GHz ECR ion source for atomic physics and materials research with highly charged slow ions", erschienen in "Review of Scientific Instrument" Band 63, Mai 1992, Nr. 5, Seiten 3078-3083, beschreibt kurz ein anderes Realisierungsbeispiel desselben Typs.
Am Übergang von Spalte 1 zu Spalte 2 der Seite 3078 wird erläutert, dass bei einer Leistung von 2 kW die Mikrowellenfrequenz 14.6 GHz beträgt und das Bmax/Bmin-Verhältnis ungefähr 2 ist. Bmin ist das minimale Feld im Zentrum des magnetischen Spiegels und Bmax ist die höchste bzw. größte geschlossene Fläche, welche die Wände nicht berührt. Es handelt sich folglich um eine Minimaleinschließung.
Das Dokument EP-138642 beschreibt auch eine magnetische Einschließstruktur (2), bei der Zylinderspulen 20 ein axiales Feld B_a liefern, das sich einem radialen Feld B_r überlagert, das durch Permanentmagnete 22 erzeugt wird, die in ein zylindrisches Gehäuse 24 montiert sind. Die beiden Zylinderspulen werden durch ein ferromagnetisches Gehäuse 26 abgeschirmt. Dieser Vorrichtungstyp ermöglicht, ein Nutzvolumen 28 zu magnetisieren.
Die in der 3 dargestellte Vorrichtung umfasst schematisch ein Target-Quelle-System, "Nanomafira" genannt. Dieses System wird beschrieben in der Kommunikation von P. Sortais et al. "Developments of compact permanent magnetic ECRIS", 12th International Workshop on ECR Ion Sources, 25.-27. April, 1995, Riken, Japan. Ein System aus Magneten 32, 34, 36 ist um eine Einschließungsplasmazone 38 (bzw. 18) herum angeordnet und ermöglicht, ein axiales Feld zu definieren. Eine multipolare Struktur 37 ermöglicht, ein radiales Feld zu definieren, das sich dem axialen Feld überlagert.
Allen diesen Vorrichtung ist gemein, dass sie ein bestimmtes Volumen, Einschließungsvolumen genannt, magnetisieren. Aus Erfahrung weiß man, dass die Benutzung von Plasmakammern mit großem Volumen eine Steigerung der Leistungen ermöglicht. Nun bedeutet eine große Plasmakammer aber die Notwendigkeit, ein großes Volumen zu magnetisieren, was den Einsatz entsprechender magnetischer Mittel erfordert, nämlich entweder eine große elektrische Leistung oder eine große Anzahl von Magneten.
Um Ionen mit einer Monoladung (ions monochargés) zu erzeugen oder solche mit schwachen Ladungszuständen, ist die anzuwendende Ultrahochfrequenz niedrig. Infolgedessen ist auch anzuwendende Magnetfeld klein (Relation (1)). Um hingegen Ionen mit Multiladung (ions multichargés) zu erzeugen, muss die UHV hoch sein. Dies impliziert die Anwendung eines Magnetfelds hohen Moduls in dem Einschließungsvolumen.
Man kann zum Beispiel mit einer Nanomafira-Quelle (oben beschrieben), präsent in einem Einschließungsvolumen mit einem Durchmesser von 26 mm und einer Länge von 90 mm, nur 55 μA-Ar⁸⁺-Ionen und 3 μA-Ar¹¹⁺-Ionen erzeugen.
Ein anderer Nachteil der klassischen Elektronenzyklotronresonanz- oder EZR-Quellen besteht dann, dass sie eine festgelegte magnetische Struktur aufweisen und folglich ihr Anwendungsbereich bezüglich der Frequenz um einen bestimmten Mittelwert herum ziemlich eng ist. So können die Quellen um 2,5 GHz oder 6,5 GHz oder 14 GHz oder 18 GHz herum funktionieren. Sie sind aber nicht kompatibel mit einer Breitbandanwendung.
Ein anderer Nachteil der EZR-Quellen besteht dann, dass sie nicht im Zentrum eines Zyklotrons installiert werden können. Die 4 zeigt schematisch eine Schnittansicht von zwei Platten 48, 50 eines Zyklotrons, zwischen denen ein Magnetfeld B herrscht. Die Referenz 52 bezeichnet eine EZR-Ionenquelle, und die Referenz 56 bezeichnet schematisch eine Einspeisungsleitung der durch die Quelle 52 erzeugten Ionen sowie Anpassungseinrichtungen des Strahls hinsichtlich seiner Einspeisung am Eingang des Zyklotrons. In dessen Innern wird der Teilchenstrahl 58 abgelenkt mit Hilfe von elektrostatischen Einrichtungen 54. Der Strahl kann anschließend in Hyperfrequenzresonatoren beschleunigt werden. Aufgrund seiner Umgebung und seiner multipolaren radialen magnetischen Bauteile kann eine klassische EZR-Quelle 52 nicht ins Innere des Zyklotrons integriert werden.
Ein weiterer Nachteil der klassischen EZR-Quellen ist die Notwendigkeit, den Ionenstrahl gemäß der Symmetrieachse der Quelle und nur gemäß dieser Achse zu extrahieren.
Wenn man aber eine EZR-Quelle in ein Zyklotron integrieren will, muss man eine Vorrichtung mit seitlicher Extraktion realisieren.
Außerdem kann eine Quelle mit seitlicher Extraktion bei verschiedenen Anwendungen vorteilhaft sein und nicht nur bei den Anwendungen in einem Zyklotron. Insbesondere wäre eine Ionenquelle mit seitliche Extraktion – partiell oder sogar über 360° – sehr vorteilhaft für die Ionenimplantationstechnik. Gegenwärtig haben die in dieser Technik benutzten Vorrichtungen ein Extraktionsloch, dessen Durchmesser ungefähr 10 mm beträgt, so dass man auf einen Strahl beschränkt ist. Außerdem führt das Prinzip der Extraktion durch ein Loch auf der Achse sowie die durch das multipolare System erzeugten radialen Komponenten des Felds zu Ungleichmäßigkeiten des aus der Quelle Extrahierten Strahls.
Offenbarung der Erfindung
Die Erfindung hat eine Vorrichtung zum Erzeugen eines Magnetfelds B mit einer multipolaren Struktur zum Gegenstand, deren Elemente solche Polaritäten aufweisen, dass die vektorielle Summe der durch jedes dieser Elemente in jedem Punkt eines durch die genannten Elemente abgegrenzten Raums erzeugten Elemente ermöglicht, wenigstens eine kontinuierliche und geschlossene Minima-Linie innerhalb einer in dem genannten Raum geschlossenen Äquimodulfläche zu definieren.
In der Erfindung umfasst die geschlossene Modulfläche B_f ein Innenvolumen, wo das Magnetfeld insbesondere ein sehr kleines minimales B aufweisen kann, im Gegensatz zu dem, was bei den bekannten EZR-Quellen der Fall ist.
Bei diesem Quellentyp wird die maximale Betriebsfrequenz durch die geschlossene Äquimodulfläche bestimmt, bei der das Feld maximal und gleich |B_f| ist, erhalten im Innern der multipolaren Struktur. Dieselbe Quelle kann folglich ohne Modifikation bei Niederfrequenz f₀ arbeiten, wenn eine geschlossene Minima-Linie |B₀| mit dieser Frequenz kompatibel ist, das heißt, mit der Relation B₀ = f₀2πm/e befriedigt wird. Die Vorrichtung nach der Erfindung ist folglich kompatibel mit einem Breitbandbetrieb.
Zudem ist dieser Vorrichtungstyp leicht modulierbar und sein Volumen kann angepasst werden: die Zunahme des Volumens erfordert keine sehr viel stärkeren magnetischen Einrichtungen. Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es nämlich nicht notwendig, ein starkes Magnetfeld fern der Elemente der multipolaren Struktur zu erzeugen: das Magnetfeld kann schnell abnehmen, wenn man sich von diesen Elementen entfernt.
Die Erfindung betrifft also insbesondere eine Vorrichtung zur Erzeugung – in einem Hohlraum bzw. Resonator, in den man mit Hilfe entsprechender Einrichtungen eine elektromagnetische HF-Welle einspeist -, eines Magnetfelds mit einem solchen Modul, dass die mit diesem Magnetfeld verbundene Elektronenzyklotronfrequenz gleich der Frequenz des elektromagnetischen Felds ist, und dies über bzw. in einer geschlossenen magnetischen Schicht, so dass man eine Ionisierung des sie durchquerenden Gases erhält und ein Plasma erzeugt wird, insbesondere zur Realisierung von Ionenquellen des EZR-Typs.
Um das Volumen der Plasmakammer einer Ionenquelle ohne allzu große magnetische Einrichtungen zu erhöhen, und/oder um Multiladungs-Ionen zu erzeugen und/oder in einem breiten Frequenzanwendungsbereich zu arbeiten und/oder um eine Elektronenquelle mit seitlicher Extraktion zu erhalten (Kopplung EZR-Quelle-Zyklotron, Realisierung von Ionenquellen mit Hochverdichtungsschicht, zum Beispiel zur Ionenimplantation) schlägt die Erfindung eine multipolare Struktur vor, gebildet durch Elemente mit solchen Moduln und Polaritäten, dass die daraus resultierenden Magnetfelder in jedem Punkt des Raums, den sie abgrenzen, wenigsten eine geschlossene Minima-Linie innerhalb einer im Raum geschlossenen Äquimodulfläche definieren. Zu diesem Zweck betrifft die Erfindung eine Vorrichtung, die eine EZR-Quelle mit den in dem Anspruch 1 definierten Charakteristiken ist.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung kann entweder mit Permanentmagneten oder mit Spulen oder auch eine Kombination aus beidem realisiert werden. In dem Fall, wo die Umgebung der Vorrichtung die Verwendung von Permanentmagneten nicht zulässt (aufgrund des Vorhandenseins großer Neutronenflüsse oder geladener Teilchen oder der Benutzung in einem Medium bzw. einer Umgebung mit exzessiven Temperaturen, usw.), ermöglicht die Verwendung von Spulen eine leichte Realisierung der Erfindung.
Nach einer speziellen Realisierungsart umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung ein multipolares System, aufgegliedert in drei Teilgruppen und gebildet durch N ≥ 3 magnetische Einrichtungen:

– eine Gruppe von N₁ magnetischen Einrichtungen, um eine axiale magnetische Struktur zu bilden,
– zwei Gruppen von N₂ magnetischen Einrichtungen, um die radialen magnetischen Strukturen zu bilden.

Die magnetischen Einrichtungen mit abwechselnder Polarität, die ermöglichen, ein axiales Magnetfeld zu erzeugen, können die Form von aneinandergefügten Ringen haben.
Die magnetischen Einrichtungen mit abwechselnder Polarität, die ermöglichen, ein radiales Magnetfeld zu erzeugen, können die Form von ineinandersteckenden Ringen haben.
Die radiale(n) Struktur(en) kann eine zentrale Öffnung aufweisen, die insbesondere die Extraktion der Ionen in einem Magnetfeld ermöglichen, das keine multipolare radiale Komponente aufweist.
Man kann auch wenigstens eine seitliche Öffnung an der Peripherie der Vorrichtung vorsehen: eine solche Maßnahme war bei den Vorrichtungen nach dem Stand der Technik schwierig zu realisieren, da der Wegfall eines Teils der radialen multipolaren Struktur sehr nachteilig ist für die magnetische Einschließung.
Gemäß einer anderen Vorrichtung umfasst jede Gruppe von N₂ magnetischen Einrichtungen zur Bildung der radialen Struktur N₂ magnetische Einrichtungen, die koaxial ineinander stecken, die entweder eine Ebene bilden oder leicht gegeneinander versetzt sind.
Die Erfindung hat auch eine EZR-Quelle zum Gegenstand, die eine Vorrichtung zum Erzeugung eines Magnetfelds umfasst, wie oben beschrieben, wobei das Innenvolumen der multipolaren Struktur einen Einschließungsplasma-Raum abgrenzt, und Einrichtungen zum Anbringen eines Targets umfasst.
Die Erfindung hat auch ein Verfahren zur Erzeugung von Ionen zum Gegenstand, das eine solche EZR-Quelle benutzt.
Die Erfindung hat auch ein Verfahren zum Betreiben eines Zyklotrons zum Gegenstand, wobei die Ionen in das Zyklotron mit Hilfe einer wie oben beschriebenen EZR-Quelle eingespeist werden.
Vorteilhafterweise ist die EZR-Quelle im Innern des Zyklotrons angeordnet.
Die Erfindung hat auch ein Verfahren zum Transportieren von geladenen Teilchen zum Gegenstand, bei dem eine erfindungsgemäße Vorrichtung benutzt wird, die zur Bildung der axialen magnetischen Struktur N₁ magnetische Einrichtungen mit abwechselnder Polarität in Form von aneinandergefügten Ringen umfasst sowie zwei Gruppen von N₂ magnetischen Einrichtungen mit abwechselnder Polarität, um die radialen magnetischen Strukturen zu bilden, wobei die Teilchen von einem zum anderen Ende der Gruppe der aneinandergefügten Ringe transportiert werden.
Die Erfindung hat auch eine Einschließungsplasma-Pumpe zum Gegenstand, die eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Erzeugen eines Magnetfelds, seitliche Einrichtungen zum Einspeisen einer HF-Strahlung, seitliche Einrichtungen zum Verbinden mit einem zu pumpenden Volumen und Einrichtungen zum Extrahieren und Neutralisieren der gepumpten Teilchen umfasst.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann also auf ein Zyklotron angewendet werden, auf eine Plasmatransferleitung, auf ein Massen- oder Ladungsspektrometer (wo die erfindungsgemäße EZR-Quelle mit Magnetfeldabtasteinrichtungen in der Extraktionszone verbunden ist), und auf eine Einschließplasma-Pumpe, wo die erfindungsgemäße EZR-Quelle mit einer Extraktionsoptik und mit Neutralisierungseinrichtungen verbunden ist.
Kurze Beschreibung der Figuren
Die Merkmale und Vorteile der Erfindung gehen besser aus der nachfolgenden Beschreibung hervor. Diese Beschreibung betrifft erläuternde und nicht einschränkende Realisierungsbeispiele und bezieht sich auf beigefügte Zeichnungen:
die 1 bis 3 zeigen schematisch EZR-Quellen nach dem Stand der Technik;
die 4 zeigt schematisch eine mit einem Zyklotron gekoppelten EZR-Quelle;
die 5 zeigt ein erfindungsgemäßes Realisierungsbeispiel;
die 6 ist ein Spezialfall, der eine erfindungsgemäße Anwendung veranschaulicht;
die 7 stellt die räumliche Entwicklung von Magnetfeldern für die Vorrichtung der 6 dar;
die 8 zeigt die Verteilung der magnetischen Äquimoduln-Linien für die Vorrichtung der 6;
die 9 zeigt eine Einschließungsplasma-Teilchentransport-Leitung;
die 10 bis 12 sind diverse Darstellungen einer erfindungsgemäßen Einschließungsplasma-Pumpe.
Detaillierte Beschreibung von Realisierungsarten der Erfindung
Ein erstes Realisierungsbeispiel der Erfindung wird nun in Verbindung mit der 5 beschrieben.
In dieser Figur bezeichnen Referenzen 62-1, ..., 62-4 4 magnetische Ringe mit abwechselnder Polarität, die ermöglichen, die axiale Struktur zu bilden. Die Referenzen 64-1, ..., 64-5 und 66-1, ..., 66-4 bezeichnen magnetische Ringe von zwei seitlichen Gruppen mit abwechselnder Polarität, die ermöglichen, die radialen magnetischen Strukturen zu bilden.
Die Referenz 68 bezeichnet eine in einer der Seitenwände vorgesehene Öffnung.
Diese Vorrichtung umfasst folglich zwei Endgruppen M₁ (64-1, ..., 64-5) und M₂ (66-1, ..., 66-5) und eine Seitengruppe M₃ (62-1, ..., 62-4). Dieses System M₃ kann durch eine multipolare Struktur gebildet werden, die durch Sektoren definiert wird (und nicht nur durch Ringe), die in Bezug auf die Symmetrieachse A der Vorrichtung eine Symmetrie aufweisen. In dem Fall, wo – wie dargestellt in der 5 – das eine oder das andere System M₁ oder M₂ oder beide durch mehrere Pole gebildet werden, präsentiert sich das durch M₁, M₂ und M₃ gebildete Gesamtsystem wie eine Überlagerung eines multipolaren radialen Magnetfelds mit einem multipolaren axialen Magnetfeld.
Das System M₃ kann durch N ≥ 0 Seite an Seite in Längsrichtung positionierte oder aneinandergefügte Ringe gebildet werden, die eine radiale oder axiale Magnetisierung aufweisen und deren Polarität durch ihre Position in dem System bestimmt wird. Diese Elemente können unterschiedliche Querschnitte haben und folglich kann die Dimension oder der Durchmesser dieses Systems längs der Achse A variieren. Das mit M₁, M₂ und M₃ realisierte Gesamtsystem bildet dann einen einzigen Multipol.
Das realisierte Volumen, abgegrenzt durch eine Äquimodulhülle |B_f|, gebildet durch die Gesamtheit der magnetischen Systeme M₁, M₂ und M₃, präsentiert sich dann als ein magnetisches Gehäuse "mit geschlossener Minima-Linie |B|".
Die 6 zeigt im Schnitt den Sonderfall einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, bei der das System M₃ durch einen einzigen Ring gebildet wird. Die Pfeile repräsentieren die Polarisierungsrichtungen der verschiedenen magnetischen Elemente. In dieser Figur bezeichnet die Referenz 70 die Äquimodulfläche |B_f|, in deren Innern man eine geschlossene Äquimodulfläche B_f 72 identifizieren kann. In dieser Figur präsentiert jedes der seitlichen Elemente M₁ und M₂ eine zentrale Öffnung S₁, S₂. Im Rahmen der Anwendung bei einer EZR-Quelle können diese Öffnungen ermöglichen, ein Targetträgersystem anzunähern und Einrichtungen zur Extraktion der erzeugten Ionen anzuordnen. Generell sind die beiden Flächen S₁ und S₂ für diverse Systeme verfügbar, welche die Kontrolle und Verwendung eines Plasmas ermöglichen: HF-Injektion, Gasinjektion, Diagnoseinrichtungen, Teilcheninjektion, Kühl- und Pumpvorrichtung, ...
Insbesondere, wenn die so realisierte EZR-Quelle kondensierbare Elemente ionisieren muss (insbesondere Metalle), kann sich eine Verdampfungsquelle sehr nahe beim Plasma befinden und an diversen Stellen angeordnet sein, auf der Achse A in Höhe einer der Öffnungen S₁ oder S₂, oder an seiner Peripherie. In diesem Fall kann die Verdampfungsquelle dem Plasma gegenüber eine große Verdampfungsquelle haben und weist einen großen Raumwinkel auf, was eine hohe Ionisierungseffizienz ermöglicht.
Bezüglich der Extraktion sind mehrere Lösungen vorstellbar.
Wenn die Extraktion auf der Achse A erfolgt (Fall der 6), und in dem Fall, wo die magnetische Einschließung keine radialen polaren Komponenten aufweist (die radialen multipolaren Strukturen M₃ sind für die Einschließung nicht mehr nötig: Fall des einzigen Multipols), ist der emittierte Strahl rotationssymmetrisch, was einen Transport vereinfacht.
Im Fall der Überlagerung eines axialen Multipols und eines radialen Multipols (und wenn die Dimension D, s. 6, ausreichend groß ist), was mit einer erfindungsgemäßen Quelle besonders gut möglich ist, haben die radialen magnetischen Komponenten einen vernachlässigbaren Einfluss auf den axial extrahierten Strahl.
Die Extraktion kann auch an der Peripherie erfolgen ("Außendurchmesser"), entweder an einer Stelle (Monoextraktion) oder an mehreren Stellen (Multiextraktion) oder auf der gesamten Peripherie. Eine in dem System M₃ vorgesehene seitliche Öffnung stört nämlich die Einschließung in dieser Zone nicht, wenn man die lokale Schwächung des Felds mit den Umgebungssystemen kompensiert. Ein Beispiel einer Seitenextraktion zusätzlich zu einer Axialextraktion wird auch weiter unten in Verbindung mit den 10 bis 12 im Rahmen einer anderen Anwendung beschrieben.
Eine das Extraktionsfeld erzeugende oder modulierende Spule bietet die zusätzliche Möglichkeit, zwischen zwei Werten zu pulsen, so dann man die Einschließungszeit eines Ionenpakets vor seiner Extraktion anpassen kann.
Bezüglich der Vorrichtung der 5 und 6 kann man die folgenden Bemerkungen machen:

– die Dimension D der Quelle gemäß einer zur Achse A senkrechten Ebene hängt nur von der Fläche und der Form jedes der beiden Systeme M₁ und M₂ ab, welche die Enden der Quelle bilden,
– die Dimension L gemäß der Achse A hängt von der Länge und der Geometrie des Systems M₃ ab,
– die beiden Systeme M₁ und M₂ können durch ein oder mehrere ineinandersteckende, koaxial angeordnete Elemente gebildet werden, die entweder eine Ebene bilden oder leicht gegeneinander versetzt sind.

Bei ausreichend kurzen Längen L kann das System M₃ durch ein magnetisches System gebildet werden, dessen Elemente sich außerhalb der Dimension L befinden, wobei die Außenelemente M₁ und M₂ dieses System abgrenzen oder auch an seiner Abgrenzung beteiligt sein können. In der 10 wird das durch das System M₃ erzeugte Feld durch die Systeme M₁ und M₂ abgegrenzt, so dass die Peripherie über die Länge E(= L) frei bleibt. In diesem Fall ist die Umgebung entsprechend der Länge L total frei, was den Zugang zu der Einschließzone erleichtert (UHF-Injektion, Gaseinspeisung, Ofen, Diagnoseeinrichtungen, Target, Injektion von Ladungsteilchen, Ionenextraktion, usw.).
Die 7 zeigt das mit Hilfe einer Vorrichtung nach 6 erzeugte Magnetfeld. Die durchgezogene Kurve repräsentiert die Entwicklung – beiderseits der Achse A – des Moduls |B| in der Nähe der Innenoberfläche des Systems M₂ (s. 6). Die gestrichelte Kurve repräsentiert die Entwicklung – beiderseits der Achse A – des Moduls |B| auf halbem Wege zwischen der Fläche 76 und der Fläche 74 (Innenoberfläche des Systems M₁; s. 6). Man sieht, dass gemäß dieser 7 das Magnetfeld in der Nähe der Oberflächen der Systeme M₁ und M₂ stark ist und man im Zentrum zwei Minima-Linien erhält. Bei den klassischen Vorrichtungen wird innerhalb der Fläche 70 ein stärkeres Feld aufrecht erhalten.
Die 8 zeigt, für die gleiche magnetische Struktur wie in 6, die magnetischen Äquimoduln-Linien. Nach der Erfindung sind die magnetischen Polaritäten des Multipols so gewählt und orientiert, dass die vektorielle Summe der erzeugten Felder in jedem Punkt durch jedes dieser Elemente dazu führt, das geschlossene Minima-Linienprofil |B| zu erhalten. In der 8 bezeichnet die Referenz 82 eine Äquimodulfläche |B_f| (Maximalmodul des Magnetfelds), während die Referenzen 78 und 80 Torusquerschnitte bezeichnen, definiert durch niedrigere Werte des Magnetfelds. Im Innern dieser Torusse (78, 80) sind geschlossene Minima-Linien definiert. In dem Beispiel der 8 ist das Feld 80 im Zentrum 20-mal schwächer als das Feld der Linie 82. Die maximale Betriebsfrequenz für diesen Quellentyp wird definiert durch die geschlossene Fläche des Moduls des Maximalfelds B_f, erhalten im Innern der Vorrichtung (Referenzfläche 82 in der 8). Das Magnetfeld auf diesem Maximalwert auf dieser Fläche gehalten, und nicht im Volumen. Innerhalb dieser Fläche kann das Magnetfeld schnell in dem Maße abnehmen, wie man sich von den Wänden 74 und 76 entfernt und ins Innere der Einschließungszone eindringt. Dies bedeutet, dass dieselbe Quelle ohne Modifikation mit der B_f entsprechenden Frequenz und mit niedriger Frequenz arbeiten kann, wenn eine geschlossene Minima-Linie |B| mit dieser Frequenz kompatibel ist.
Um eine schwache Minima-Linie B zu erhalten, kann man generell Magnete von geringerer Dicke als bei den klassischen Vorrichtungen verwenden. Zudem, im Falle der 6 und 8, können die Abstände zwischen den beiden Magnetsystemen M₁ und M₂ größer sein; man kann auch noch die Polaritäten der M₁ und M₂ bildenden Elemente so wählen, das zwischen M₁ und M₂ eine geschlossene Minima-Linie B erhält, gebildet durch Punkte wo der Feldmodul klein oder sogar null ist.
Die Magnetfeldmodule sowie das eingeschlossene Volumen einer solchen Quelle oder einer solchen Vorrichtung können sehr variabel sein. Um das Volumen zu modifizieren, genügt es, die Anzahl der Elemente zu modifizieren, zum Beispiel, im Fall der 6 und 8, entsprechend der einen oder der anderen der longitudinalen oder radialen Dimension oder auch entsprechend beiden Richtungen. Also genügt es im Fall der 6 und 8, die longitudinale Dimension des Systems M₃ zu verdoppeln, zum Beispiel um das eingeschlossene Volumen der Quelle zu verdoppeln. Die Gewichtszunahme der Magnete beträgt dann nur ungefähr 15 bis 20 %. Diese Volumenzunahme erfordert keine große Zunahme der magnetischen Einrichtungen, da das Feld nur in der Nähe der Innenwände der Vorrichtung auf seinem maximalen Wert gehalten wird und nicht im Innern eines gesamten Volumens. Im Falle der Verwendung von Permanentmagneten von geringer Dicke erzeugt man also eine geschlossene Oberfläche magnetischer Module B_f nahe der Wand, kompatibel mit der gewählten HF-Frequenz, wobei dieses Feld schnell abnimmt, indem es sich von der Wand entfernt, in Richtung der geschlossenen Äquimodulfläche(n) B_r und anschließend in Richtung der geschlossenen Minima-Linie(n) B.
Folglich ermöglicht die Erfindung, ein großes eingeschlossenes Volumen zu erhalten, undenkbar bei den Vorrichtungen nach dem Stand der Technik, wobei es keiner großen Mittel bedarf, um es zu erhalten.
Die in der 6 dargestellte Quelle kann ohne die magnetischen Einrichtungen M₃ arbeiten. In diesem Fall – die Quelle umfasst keine Komponenten eines multipolaren radialen Felds – kann sie im Zentrum eines Zyklotrons installiert werden, indem dessen Feld mit den Systemen M₁ und M₂ so moduliert wird, dass man die Bedingung der geschlossenen Minima-Linie B erhält. Die Extraktion kann dann durch das Ende eines HF-Resonators gewährleistet werden. Man kann also nach diesem Prinzip eine kompakte Einheit des Typs "Zykloquelle" realisieren. Die Tatsache, bei einer erfindungsgemäßen Vorrichtung die Komponenten eines multipolaren radialen Felds entfallen zu lassen hat auch einen Einfluss auf die Qualität des in der Achse extrahierten Strahls.
Nach demselben Prinzip, und wenn die Extraktion radial ist (an der Peripherie), ermöglicht dieser Quellentyp, der in der Extraktionszone ein dipolares Magnetfeld aufweist, eine integrierte Q/M-Analyse der Ionen (analyse des ions en Q/M integrée), was folglich ermöglicht, die Masse und die Ladung der Ionen zu selektieren, indem man zum Beispiel die Extraktionsspannung für eine bestimmte physische Extraktionsvorrichtung variiert.
Eine andere Anwendung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung wird nun in Verbindung mit der 9 beschrieben. In dieser Figur bezeichnet die Referenz 84 eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Erzeugung eines Magnetfelds. Diese Vorrichtung umfasst eine multipolare Struktur (zum Beispiel aneinandergefügte Ringe), die ermöglicht, eine geschlossene Äquimodulfläche B_f und wenigstens eine geschlossene Minima-Linie B innerhalb dieser Fläche zu definieren. Die betreffende multipolare Struktur ist hier linear und wird durch das System M₃ realisiert. Das Fehlen der Systeme M₁ und M₂ wird kompensiert durch die Enden von M₃. Diese ermöglicht, dank Einschließungsplasma kondensierbare Stoffe in Form von geladenen Teilchen von einem Ort A₀ zu einem Ort A₁ zu transportieren. In A₀ befindet sich zum Beispiel eine HF-Injektion und die Erzeugungsquelle(n) kondensierbarer oder nicht-kondensierbarer Teilchen. Da die magnetische Einschließung auf den Betriebskriterien eine EZR-Quelle beruht, werden die Teilchen ionisiert und können daher zum Punkt A₁ extrahiert werden, für irgend eine Verwendung.
In der Folge wird eine weitere Anwendung der Erfindung beschrieben. Es handelt sich um die Realisierung einer Einschließungsplasma-Pumpe.
Ein von einer EZR-Quelle erzeugtes Plasma wird benutzt, um die Teilchen zu ionisieren, die aus einem Raum kommen, in dem man einen niederen Druck herstellen will. Die Teilchen werden durch diese Quelle extrahiert, um sie in einen anderen, sogenannten Neutralisierungsraum zu bringen, in dem der Druck höher ist.
Diese Pumpe wird, wie dargestellt in der 10, durch eine erfindungsgemäße EZR-Quelle gebildet. Eine solche Quelle ermöglicht, wie gesagt, die Ionen in einem durch eine Äquimodulfläche B_f abgegrenzten Volumen einzuschließen. Die in der 10 dargestellt Quelle umfasst zwei Systeme M₁ und M₂, die eine multipolare Struktur definieren. M₃ wird durch M₁ und M₂ rekonstituiert (insbesondere durch die äußersten Ringe). Das Einschließungsvolumen wird durch eine geschlossene Fläche 86 abgegrenzt. Die Referenz 88 bezeichnet einen Äquimodul-Einschluss (fermée d'équimodule) B_r. Der periphere Teil dieser Quelle kann benutzt werden zum Einspeisen einer HF-Welle (Pfeil 90) und zum Pumpen (92) aus einem Raum, mit dem die Quelle verbunden ist. Die Referenz 94 bezeichnet ein Gitter, das die Einschließungszone umgibt und das die Hyperfrequenzwelle daran hindert, sich in Richtung der Ansaugeinrichtungen auszubreiten.
Die auch in der 12 dargestellte Kammer ist durch einen Flansch 106 mit Einspeisungseinrichtungen der HF-Welle (die eine Niederfrequenzwelle mit zum Beispiel 2,45 GHz sein kann) und durch einen Flansch 108 mit dem Raum verbunden, in den hineingepumpt werden soll.
Durch eine Öffnung 96 (11) werden die Ionen aus der Kammer extrahiert. Das Extraktionssystem umfasst die Elektroden 98, an die man eine Extraktionsspannung anlegt, einen Isolierring 100, einen Neutralisierungsblock 102. Dieser wird eventuell gekühlt, wenn die Energie der zu neutralisierenden Ionen hoch ist. Diese Extraktionssystem endet mit einem Pumpenflansch, wobei der Pfeil 104 die Förderung symbolisiert (10).
Zum Beispiel ist eine Einschließungsplasmapumpe zum Pumpen mit einem Ansaugflansch mit einer Fläche von 90 cm² ausgestattet, was einer Fläche entspricht, die etwas größer ist als die eines DN 100-Normflansches.
Der Maximalwert des von der Quelle extrahierten elektrischen Stroms ist einer der Parameter der Pumpe, der ermöglicht, ihre Ansaugfähigkeiten zu charakterisieren.
Ein Pumpendurchsatz von 100 Liter/Sekunde bei 10^–5 mbar (1 l/s oder 3,6 m³/h bei 10^–3 mbar oder auch 3,6 l/h bei 1 mbar) entsprechen einem extrahierten Strom von ungefähr 4 mA (im Falle von Monoladungsionen, zum Beispiel He⁺).
Der zu extrahierende Strom entspricht den erwarteten Vorhersagen mit einem Extraktionslochdurchmesser von ungefähr 2 mm und einem Druck von ungefähr 10^–3 mbar. Wenn dieser Druck höher ist, nehmen der elektrische Durchsatz der Quelle und folglich die Ansaugeigenschaften der Pumpe innerhalb der Betriebsgrenzen der Quelle und der Leitfähigkeit des Systems zu.
Für Grenzdrücke oder andere Durchsätze passt man die Quelle an (HF-Leistung, HF-Frequenz, Extraktionslochdurchmesser, Leitfähigkeit der Anschlussflansche, Volumen der Quelle, Förderdruck, usw.).
Eine erfindungsgemäße Pumpe hat folgende Vorteile:

– Betrieb in einem großen Druckbereich,
– keine bewegten mechanischen Teile,
– keine Dichtungen bzw. Fugen bzw. Gelenke in der mechanischen Innenstruktur der Pumpe,
– keine Regeneration,
– unbegrenzte Lebensdauer,
– praktisch wartungsfrei,
– keine Schmiermittel,
– Möglichkeit einer Analyse der verschiedenen gepumpten Elemente,
– keine unerlässliche Elektronik in der Pumpe selbst,
– kostengünstiger HF-Generator zum Beispiel mit einer Frequenz von 2,45 GHz,
– relativ niedrige Kosten der Pumpe,
– keine Risiken einer Verschlechterung durch Handhabungen, Belüftungen usw.

Zudem ist die Pumpe vibrations- und stoßfest, kann in allen Lagen arbeiten und kann auf eine mobile Einheit montiert werden und dort selbst dann arbeiten, wenn diese Einheit heftigen Bewegungen sowie Beschleunigungen ausgesetzt ist.

Claims

Elektronenzyklotronresonanzquelle, umfassend: – magnetische Einrichtungen zum Erzeugen eines Magnetfelds in einem durch diese Einrichtungen abgegrenzten Raum, wobei dieser Raum eine axiale Richtung gemäß einer Achse AA und eine radiale Richtung hat; – Einrichtungen zum Einspeisen einer HF-Welle in einen Hohlraum, wobei die HF-Welle und das durch die magnetischen Einrichtungen erzeugte Magnetfeld gewährleisten, dass in dem Hohlraum eine Elektronenzyklotronresonanzbedingung herrscht; – Einrichtungen zum Einleiten von Gasen in den Hohlraum; Quelle, dadurch gekennzeichnet, dass die magnetischen Einrichtungen umfassen: – eine erste Gruppe magnetischer Einrichtungen (M₃) mit einer Anzahl von N₁ Elementen (62-1, 62-2, 62-3, 62-4), wobei N₁ eine ganze Zahl ≥ 0 ist und die N₁ Elemente zusammen eine axiale magnetische Struktur bilden; – zwei zweite Gruppen magnetischer Einrichtungen (M₁, M₂), jede N₂ Elemente (64-1 .... 64-5; 66-1, .... 66-4) umfassend, die zusammen eine radiale magnetische Struktur bilden, wobei diese Elemente die Form von Ringen (64-1 .... 64-5; 66-1, .... 66-4) haben, die Ringe von jeder der Teilgruppen (M₁, M₂) ineinander gefügt sind und die vektorielle Summe der durch die ersten (M₃) und zweiten (M₁, M₂) magnetischen Einrichtungen erzeugten Felder ermöglichen, wenigstens eine geschlossene Minima-Linie des Moduls B der vektoriellen Summe im Innern eines oder mehrerer Volumen innerhalb des Hohlraums und abgegrenzt durch in dem Raum geschlossene Äquimodulflächen B_f des Magnetfelds zu definieren.
Quelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten und zweiten magnetischen Einrichtungen (M₁, M₂, M₃, 62-1 .... 62-4; 64-1 .... 64-5; 66-1 .... 66-4) Permanentmagnete sind.
Quelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten und zweiten magnetischen Einrichtungen (M₁, M₂, M₃, 62-1 .... 62-4; 64-1 .... 64-5; 66-1 .... 66-4) Spulen sind.
Quelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten magnetischen Einrichtungen (M₃, 62-1 .... 62-4), die zusammen die axiale Struktur (84) bilden, die Form von Ringen (62-1 .... 62-4) haben, in axialer Richtung aneinandergefügt.
Quelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zweiten magnetischen Einrichtungen (M₁, M₂, 64-1 .... 64-5; 66-1 .... 66-4), die zusammen die radiale Struktur bilden, eine zentrale Öffnung umfassen (68, S₁, S₂, 96).
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die magnetischen Einrichtungen (62-1, 62-2, 62-3, 62-4; 64-1 .... 64-5; 66-1 .... 66-4) eine oder mehrere zentrale Öffnungen aufweisen (68, 96, S₁, S₂).
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der eine seitliche Öffnung an der Peripherie der ECR-Quelle vorgesehen ist (90, 92).
Quelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Einrichtungen (M₃) durch N₁ koaxial umeinander herum angeordnete magnetische Elemente gebildet werden, die sich entsprechend ihren Durchmessern entweder in derselben Ebene befinden oder leicht gegeneinander versetzt sind.
Betriebsverfahren für ein Zyklotron, dadurch gekennzeichnet, dass aus einer innerhalb des Zyklotrons befindlichen Quelle nach einem der Ansprüche 1 bis 8 Ionen in das Zyklotron eingespeist werden.
Betriebsverfahren für ein Zyklotron nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Quelle sich im Zentrum des Zyklotrons befindet.
Verfahren für den Transport von geladenen Teilchen mit Benutzung einer Quelle nach Anspruch 4, wobei die Teilchen vom einen zum andern Ende der Gruppe der aneinandergefügten Ringe transportiert werden.
Pumpe für eingeschlossenes Plasma, eine Quelle nach Anspruch 1, Einrichtungen (108) zur Verbindung mit einem zu pumpenden Volumen und Extraktionseinrichtungen (98, 100, 102) umfassend.