EP1269803B1

EP1269803B1 - Plasma-beschleuniger-anordnung

Info

Publication number: EP1269803B1
Application number: EP01933575A
Authority: EP
Inventors: Günter KORNFELD; Werner Schwertfeger
Original assignee: Thales Electron Devices GmbH
Current assignee: Thales Electron Devices GmbH
Priority date: 2000-03-22
Filing date: 2001-03-22
Publication date: 2008-09-17
Anticipated expiration: 2021-03-22
Also published as: WO2001072093A3; RU2239962C2; US20030057846A1; CN1418453A; AU6004801A; ES2312434T3; JP2003528423A; EP1269803A2; DE10014034C2; WO2001072093A2; DE10014034A1; ATE408978T1; DE50114337D1; KR20030014373A; US6798141B2; JP4944336B2

Description

Die Erfindung betrifft eine Plasma-Beschleuniger-Anordnung mit einer Plasma-Kammer um eine Längsachse, mit einer Elektrodenanordnung zur Erzeugung eines elektrischen Beschleunigungsfeldes für positiv geladene lonen über eine Beschleunigungsstrecke parallel zur Längsachse und mit Mitteln zur Einleitung eines gebündelten Elektronenstrahls in die Plasma-Kammer und dessen Führung durch ein Magnetsystem.
Die US 5 359 258 A zeigt eine Plasma-Beschleuniger-Anordnung in Form eines sogenannten Hall-Thrusters mit einer ringförmigen Beschleunigungskammer und einem im wesentlichen radialen Magnetfeld durch die Plasmakammer. Anode und anodenstufiger Teil der Plasmakammer sind magnetisch abgeschirmt. In die in Längsrichtung einseitig offene Plasma-Kammer wird ein Gas eingeleitet, weiches durch Elektronen, die von einer außerhalb der Plasmakammer liegenden Kathode zu einer am Fuß der Plasmakammer liegenden Anode beschleunigt werden, ionisiert und von der Anode weg beschleunigt und ausgestoßen wird. Das radiale Magnetfeld zwingt die Elektronen auf geschlossene Kreisbahnen um die Längsachse der Anordnung und erhöht damit deren Verweildauer und Stoßwahrscheinlichkeit in der Plasmakammer.
Bei einer aus JP 55-102 162 A bekannte ionenquelle, bei welcher eine ringförmige Anode einen Permanentmagnet umschließt und ihrerseits von einer kreiszylindrischen Kathode umgeben ist, wird aus einer ringförmigen Öffnung ein Ionen-Hohlstrahl ausgestoßen.
Eine Anordnung zur Erzeugung von Ionen mit hoher kinetischer Energie in der Größenordnung von 10 GeV für phisikalische Experimente ist aus der US 36 26 305 bekannt. Hierbei wird außerhalb einer ringförmigen Vakuumkammer ein Ringstrom von niederenergetischen Elektronen mit z. B. 10 MeV erzeugt und in die Kompressionskammer injiziert. Aus einem kurzzeitig pulsförmig eingeleiteten Gas werden durch lonisation eine gegenüber der Anzahl der Ringelektronen geringe Zahl von positiven Ionen erzeugt, welche in dem durch den Elektronenring erzeugten Potentialkopf gefangen werden. Durch ein starkes, kurzzeitig gepulstes Magnetfeld werden die im Ring kreisenden Elektronen hoch beschleunigt auf einen Ringstrom von z. B. 50 kA. Das mit dem Ringstrom der hochenergetischen Elektronen verbundene hohe Magnetfeld parallel zur Ringachse tritt in Wechselwirkung mit einem in der Vakuumkammer durch innere und äußere Spulen erzeugten Magnetfeld, so dass der Ringstrom in achsialer Richtung hoch beschleunigt wird. Die im Potentialtopf des komprimierten Elektronenringsystems gefangenen lonen werden mit dem Ringstrom achsial mitgetragen und dadurch auf hohe kinetische Energie beschleunigt.
In der US 3 613 370 ist ein Plasma-Beschleuniger beschrieben, bei welchem eine ringförmige Plasmakammer von einem im wesentlichen radial gerichteten Magnetfeld durchsetzt Ist. Durch seitliche Öffnungen der Innenwand der Plasmakammer werden Elektronen von einer zentralen Kathode in die Plasmakammer geleitet
Die GB 2 295 485 A zeigt eine Anordnung zur Erzeugung eines beschleunigten Plasmastrahls, bei welcher in einer zylindrischen Plasmakammer von einer zentralen Kathode emittierte Elektronen in Richtung einer Ringanode beschleunigt werden. Ein Magnetfeld dient zur Verlängerung der Verweildauer der Elektronen in der Plasmakammer um die Ionisationseffizienz zu verbessern.
Die US 4 434 130 beschreibt die Führung zweier entgegengesetzt gerichteter beschleunigter Ionenstrahlen eines Fusionsreaktors durch die Raumladungs-Wirkung hohlzylindrisch geführter Elektronen. Die Führung der auf Spiralbahnen bewegten Elektronen erfolgt im Kräftegleichgewicht zwischen radial gerichteten elektrostatischen Feldern und Zentrifugalkräften. Die von beiden Seiten in achsialer Richtung zugeführten Ionenstrahlen stoßen im Fusionsbereich mit hoher Energie zusammen, wogegen der einseitig unter konischer Kompression zugeführte Elektronenstrahl am anderen Ende wieder aufgeweitet und abgeführt wird.
Aus der DE 198 28 704 A1 ist eine Plasma-Beschleuniger-Anordnung mit einer Plasma-Kammer um eine Längsachse, mit einer Elektrodenanordnung und einem Magnetsystem sowie Mitteln zur Einleitung eines Elektronenstrahls in die Plasma-Kammer bekannt.
Bei dieser bekannten Anordnung ist eine kreiszylindrische Plasma-Kammer vorgesehen, in welche ein von einer Strahlerzeugungs-Einrichtung generierter, scharf gebündelter Elektronenstrahl entlang der Zylinderlängsachse eingeleitet ist. Der Elektronenstrahl ist entlang der Zylinderachse durch ein Magnetsystem geführt, welches insbesondere durch abwechseinde Polung aufeinanderfolgender Abschnitte gekennzeichnet sein kann. Die mit hoher Geschwindigkeit in die Plasma-Kammer eingeleiteten Elektronen des Elektronenstrahls durchlaufen entlang der Längsachse der Plasma-Kammer eine elektrische PotentialDifferenz, welche bremsend auf die Elektronen des Elektronenstrahls wirkt. Der Plasma-Kammer ist ein ionisierbares Gas, insbesondere eine Edelgas zugeführt, welches durch die Elektronen des eingeleiteten Elektronenstrahls sowie durch Sekundärelektronen ionisiert wird. Die dabei entstehenden positiven Ionen werden entlang der Längsachse der Plasma-Kammer durch die Potentialdifferenz beschleunigt und bewegen sich in gleicher Richtung wie der eingeleitete Elektronenstrahl. Die Ionen werden gleichfalls durch die Magnetanordnung sowie durch Raumladungseffekte gebündelt entlang der Längsachse geführt und treten zusammen mit einem Teil der Elektronen des Elektronenstrahls am Ende der Plasma-Kammer in Form eines neutralen Plasma-Strahls aus.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine derartige Plasma-Beschleuniger-Anordnung mit gutem Wirkungsgrad anzugeben, wie in Anspruch 1 definiert.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird der Elektronenstrahl nicht als scharf gebündelter Strahl in eine kreiszylindrische Plasma-Kammer eingeleitet, sondem es wird, z. B. über eine ringförmige Kathodenfläche ein zylindrischer Hohlstrahl erzeugt, welcher in eine toroidförmige Plasma-Kammer eingeleitet wird. Die Plasma-Kammer ist radial durch eine äußere Kammerwand und eine innere Kammerwand begrenzt und der Hohlstrahl mit einer gegen den Radius des Hohlzylinders geringen Wandstärke wird zwischen diesen Wänden eingespeist und durch ein Magnetsystem geführt. Die ganze Anordnung ist vorzugsweise zumindest annähernd rotationssymmetrisch oder zumindest drehsymmetrisch um eine Längsachse der Anordnung. Das Magnetsystem weist vorzugsweise gleichfalls eine doppelte toroidale Struktur mit einer bezüglich der Plasma-Kammer radial außenliegenden ersten Magnetanordnung und einer zweiten innenliegenden Magnetanordnung auf.
Wie bereits bei der bekannten Anordnung enthält auch die Anordnung gemäß der Erfindung vorzugsweise wenigstens eine Zwischenelektrode im Verlauf der Plasma-Kammer in Längsrichtung, wobei die Zwischenelektrode auf einem Zwischenpotential der Potentialdifferenz entlang der Längsrichtung der Plasma-Kammer liegt. Die Unterteilung in mehrere Zwischenpotentiale ermöglicht eine deutliche Verbesserung des Wirkungsgrads, indem Elektronen geringer kinetischer auf einer Zwischenelektrode mit gegenüber dem aktuellen Potential eines Elektrons geringem Potentialunterschied eingefangen werden. Der Wirkungsgrad steigt monoton mit der Zahl der Zwischenpotentialstufen.
Das Magnetsystem ist mehrstufig ausgeführt mit in Längsrichtung mehreren aufeinanderfolgenden Teilsystemen, von denen jeweils jedes eine außenliegende und eine innenliegende Magnetanordnung aufweist und bei welchem die in Längsrichtung aufeinanderfolgenden Teilsysteme alternierend gegensinnig ausgerichtet sind.
Besonders günstig ist eine Plasma-Beschleuniger-Anordnung gemäß der Erfindung, bei welcher im Längsverlauf der Plasma-Kammer im Bereich der Seitenwände der Plasma-Kammer noch wenigstens eine Zwischenelektrodenanordnung vorliegt, welche auf einem Zwischenpotential der Potentialdifferenz zur Beschleunigung der positiven Ionen bzw. Verzögerung des eingeleiteten Elektronenstrahls liegt. Auf einer solchen Zwischenelektrode können Elektronen eingefangen werden, welche lediglich eine geringe kinetische Energie besitzen. Die Potentialdifferenz zwischen Kathode und Anode kann dadurch in zwei oder mehr Beschleunigungspotentiale unterteilt werden. Verluste durch dem eingeleiteten Elektronenstrahl entgegen beschleunigte Elektronen können dadurch wesentlich verringert werden. Insbesondere der elektrische Wirkungsgrad nimmt monoton mit der Anzahl der Potentialstufen zu. Vorteilhafterweise sind die Elektroden in Längsrichtung jeweils zwischen die Polenden eines Magnetsystems bzw. Magnetteilsystems gelegt. Hierdurch ergibt sich ein besonders günstiger Verlauf von elektrischen und magnetischen Feldern.
Die Erfindung ist nachfolgend unter Bezugnahme auf die Abbildungen anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Abbildungen noch detailliert erläutert. Dabei zeigt:

Fig. 1 ein Schnittbild einer Seitenansicht
Fig. 2 eine Ansicht in Richtung der Längsachse
Fig. 3 eine Stufe einer Magnetanordnung
Fig. 4 eine Plasmaverteilung in einer mehrstufigen Anordnung

In der Plasmaphysik ist bekannt, daß in Folge der hohen Beweglichkeit der Elektronen bedingt durch ihre geringe Masse im Vergleich zu den meist positiv geladenen Ionen das Plasma sich ähnlich wie ein metallischer Leiter verhält und ein konstantes Potential annimmt.
Befindet sich ein Plasma zwischen zwei Elektroden unterschiedlichen Potentials, so nimmt das Plasma jedoch näherungsweise das Potential der Elektrode mit dem für die positiven Ionen höheren Potential (Anode) an, weil sich die Elektronen so lange sehr schnell zu der Anode bewegen, bis sich das Potential des Plasmas auf dem näherungsweise konstanten Potential der Anode befindet und das Plasma damit feldfrei ist. Nur in einer vergleichsweise dünnen Grenzschicht an der Kathode fällt das Potential im sogenannten Kathodenfall steil ab.
In einem Plasma lassen sich also nur dann unterschiedliche Potentiale aufrechterhalten, wenn die Leitfähigkeit des Plasmas nicht isotrop ist. Eine vorteilhafte starke Anisotropie der Leitfähigkeit läßt sich bei der erfindungsgemäßen Anordnung auf günstige Weise erzeugen. Da Elektronen in Folge der Lorentzkraft bei einer Bewegung quer zu Magnetfeldlinien eine Kraft senkrecht zu den Magnetfeldlinien und senkrecht zur Bewegungsrichtung erfahren, lassen sich Elektronen zwar in Richtung der Magnetfeldlinien leicht verschieben, d. h. in Richtung der Magnetfeldlinien besteht eine hohe elektrische Leitfähigkeit und eine Potentialdifferenz in dieser Richtung wird leicht ausgeglichen. Einer Beschleunigung der Elektronen durch eine elektrische Feldkomponente senkrecht zu den Magnetfeldlinien wirkt aber die genannte Lorentzkraft entgegen, so daß sich die Elektronen spiralförmig um die Magnetfeldlinien bewegen. Senkrecht zu den Magnetfeldlinien können demzufolge elektrische Felder ohne sofortigen Ausgleich durch Elektronenfluß bestehen. Für die Stabilität solcher elektrischer Felder ist es besonders günstig, wenn die zugehörigen elektrischen Äquipotentialflächen näherungsweise parallel zu den Magnetfeldlinien verlaufen und damit elektrische und magnetische Felder im wesentlichen gekreuzt sind.
Die Fig. 1 zeigt eine mehrstufige Anordnung nach der vorliegenden Erfindung, bei welcher einer im wesentlichen um eine Längsachse LA als Symmetrieachse toroidalen Plasma-Kammer, deren Form im einzelnen Variationen zugänglich ist, ein hohlzylindrischer Elektronenstrahl ES zugeführt ist, dessen Zylinderachse mit der Längsachse LA zusammenfällt und dessen Strahlwandstärke DS (Fig. 2) gering ist gegen den Radius RS der hohlzylindrischen Strahlform. Ein solcher Hohlstrahl kann beispielsweise mittels einer ringförmigen Kathode und einem angepaßten Strahlsystem erzeugt werden. Die Elektronen des Elektronenstrahls haben beim Eintritt in die Plasma-Kammer eine kinetische Energie von typischerweise > 1 keV. Die ringförmige Plasma-Kammer PK ist seitlich durch eine Innenwand WI und eine Außenwand WA begrenzt.
Wesentlich bei der Anordnung nach Fig. 1 ist, daß das Magnetsystem nicht mehr einen einzelnen Ring um die Längsachse LA aufweist, sondern daß bezüglich der Plasma-Kammer außenliegend eine Magnetanordnung RMA vorhanden ist, welche in sich beide entgegengesetzten Magnetpole in Längsrichtung LR beabstandet aufweist. In gleicher Weise ist eine bezüglich der Plasma-Kammer radial innenliegende weitere Magnetordnung RMI vorgesehen, welche wiederum in sich beide Magnetpole in Längsrichtung LR beabstandet aufweist.
Die beiden Magnetanordnungen RMA und RMI stehen sich radial gegenüber mit in Längsrichtung LR im wesentlichen gleicher Erstreckung. Die beiden Magnetanordnungen sind mit gleicher Ausrichtung, d. h. in Längsrichtung LR gleicher Polfolge ausgerichtet. Dadurch stehen sich gleiche Pole (N-N bzw. S-S) radial gegenüber und die magnetischen Felder sind für jede der beiden Magnetanordnungen in sich geschlossen. Der Verlauf der Magnetfelder von radial gegenüberstehenden Magnetanordnungen RMA und RMI kann dadurch durch eine im wesentlichen in der Mitte der Plasma-Kammer liegende Mittenfläche getrennt angesehen werden. Die Magnetfeldlinien B verlaufen zwischen den Magnetpolen jeder Anordnung gekrümmt, ohne durch diese Mittenfläche, welche nicht notwendigerweise eben ist, hindurchzutreten. Auf jeder radialen Seite einer solchen Mittenfläche wirkt damit im wesentlichen lediglich das Magnetfeld einer der beiden Magnetanordnungen RMA bzw. RMI.
Die vorstehenden Ausführungen gelten auch für ein Magnetsystem mit lediglich einer einfachen inneren und äußeren Magnetanordnung bezogen. Eine solche Magnetanordnung kann beispielsweise durch zwei konzentrische ringförmige Permanentmagnete mit im wesentlichen parallel zur Symmetrieachse LA beabstandeten Polen gebildet sein. Eine solche Anordnung ist isoliert in Fig. 3 skizziert.
Die Erfindung sieht vor, in Längsrichtung LR zwei oder mehrere solcher Anordnungen hintereinander anzuordnen, wobei die Polausrichtung aufeinanderfolgender Magnetanordnungen wie bei der eingangs genannten bekannten Anordnung gegensinnig ist, so daß die sich in Längsrichtung gegenüberstehenden Pole aufeinanderfolgender Magnetanordnungen gleichartig sind und somit kein magnetischer Feldkurzschluß auftritt und die zu der einstufigen Ausführung beschriebenen Feldverläufe im wesentlichen für alle aufeinanderfolgenden Stufen erhalten bleiben.
Die aufeinanderfolgenden Magnetfelder wirken zum einen fokusierend auf den in die Plasma-Kammer eingeleiteten Primärelektronenstrahl und verhindern zum anderen den Abfluß von in der Plasma-Kammer erzeugten Sekundärelektronen von einer Stufe zur nächsten. Eine ionenbarriere IB verhindert ein Übertreten von Ionen zu der Kathode KA.
Bevorzugt ist eine Plasma-Beschleuniger-Anordnung, bei welcher im Längsverlauf der Plasma-Kammer noch wenigstens eine weitere Zwischenelektrode vorgesehen ist, welche auf einem Zwischenpotential des Potentialgefälles liegt. Eine solche Zwischenelektrode ist vorteilhafterweise an wenigstens einer Seitenwand, vorzugsweise in Form von zwei Teilelektroden gegenüberliegend an der inneren und äußeren Seitenwand der Plasma-Kammer angeordnet. Insbesondere günstig ist es, die Elektrode in ihrer Lage in Längsrichtung zwischen zwei Magnetpole zu positionieren. In der Anordnung nach Fig. 1 sind in Längsrichtung mehrere Stufen S0, S1, S2 mit jeweils einem magnetischen Teilsystem und jeweils einem Elektrodensystem vorgesehen. Die magnetischen Teilsysteme bestehen jeweils aus einem inneren RMI und einem äußeren RMA Magnetring wie in Fig. 3 skizziert. Die Teilelektrodensysteme umfassen in den aufeinanderfolgenden Stufen S0, S1, S2 jeweils einen äußeren Elektrodenring AA0, AA1, AA2 und radial gegenüberstehend einen inneren Elektrodenring AI0, AI1, AI2, wobei die Erstreckung der Elektroden in Längsrichtung für die äußeren und die inneren Ringe im wesentlichen gleich ist. Die einander gegenüberstehenden Elektrodenringe jedes Teilsystems, also AA0 und AI0 bzw. AA1 und AI1 bzw. AA2 und AI2 liegen jeweils auf gleichem Potential, wobei insbesondere die Elektroden AA0 und AI0 auf Massepotential der gesamten Anordnung liegen können. Die inneren und äußeren Elektroden AA0, AA1, ... sowie die Pole der Magnetanordnungen können auch in die Außen- bzw. Innenwand integriert sein.
Die durch die Elektroden erzeugten elektrischen Felder verlaufen in für die Ausbildung des Plasmas wesentlichen Bereichen annähernd senkrecht zu den magnetischen Feldlinien. Insbesondere im Bereich des größten elektrischen Potentialgradienten zwischen den Elektroden aufeinanderfolgender Stufen verlaufen die magnetischen und elektrischen Feldlinien im wesentlichen gekreuzt, so daß die entlang der Bahn der fokusierten Primärelektronen erzeugten Sekundärelektronen einschließlich vollständig abgebremster Primärelektronen keinen direkten Kurzschluß der Elektroden verursachen können. Da sich die Sekundärelektronen nur entlang der Magnetfeldlinien des im wesentlichen toroidalen mehrstufigen Magnetsystems bewegen können, bleibt der erzeugte Plasmastrahl im wesentlichen auf das Zylinderschichtvolumen der fokusierten Primärelektronen begrenzt. Ausbuchtungen des Plasmas gibt es im wesentlichen lediglich im Bereich des Vorzeichenwechsels der achsialen Magnetfeldkomponente, wo das Magnetfeld im wesentlichen radial auf die Pole der Magnetanordnungen zeigt. Das der Plasma-Kammer zugeführte Arbeitsgas AG, insbesondere Xenon, wird durch die Primärelektronen und insbesondere die Sekundärelektronen ionisiert. Die beschleunigten Ionen werden zusammen mit abgebremsten Primärelektronen des eingeleiteten Elektronenstrahls als neutraler Plasmastrahl PB ausgestoßen.
Bei der skizzierten Anordnung ergeben sich Plasmakonzentrationen in Längsrichtung in Positionen zwischen aufeinanderfolgenden Elektroden, welche zugleich mit den Polstellen der aufeinanderfolgenden Magnetanordnungen zusammenfallen. Mit der in Fig. 1 skizzierten Anordnung kann vorteilhafterweise das Plasma in den einzelnen aufeinanderfolgenden Stufen auf die stufenweise unterschiedlichen Potentiale der aufeinanderfolgenden Elektroden gelegt werden. Hierzu sind insbesondere die Elektroden und die Magnetanordnungen in Längsrichtung so angeordnet, daß die räumlichen Phasenlagen des quasiperiodischen Magnetfelds gegenüber dem gleichfalls quasiperiodischen elektrischen Felds gemessen zwischen Betragsminimum des magnetischen axialen Felds und der Mitte der Elektroden um max. +/- 45° insbesondere max. +/- 15° verschoben sind. Hierbei kann ein Kontakt der Magnetfeldlinien mit der an der Seitenwand der Plasma-Kammer angeordneten Elektrode erreicht und durch die leichte Verschiebbarkeit der Elektronen entlang der Magnetfeldlinien das Plasmapotential auf das Elektrodenpotential dieser Stufe gesetzt werden. Die Plasma-Konzentrationen zu verschiedenen aufeinanderfolgenden Stufen befinden sich damit auf unterschiedlichen Potentialen.
Der Ort des größten Potentialgradienten in axialer Richtung liegt damit in einer Plasmaschicht, die durch die in achsialer Richtung elektrisch isolierend wirkenden radialen Magnetfeldverläufe gekennzeichnet ist. An diesen Stellen erfolgt im wesentlichen die Beschleunigung der positiven Ionen in Richtung des für diese in Längsrichtung beschleunigenden elektrischen Feldes. Da genügend Sekundärelektronen vorhanden sind, welche als Hallströme auf geschlossenen Driftbahnen in der toroidalen Struktur kreisen, wird ein im wesentlichen neutrales Plasma in Längsrichtung zur Ausstoßöffnung der Plasma-Kammer hin beschleunigt. Dabei geben sich in einer Schichtebene an einer bestimmten Position in Längsrichtung LR der Anordnung in unterschiedlichen Radien entgegengesetzte ringförmige Hallströme II bzw. IA um die Längsachse LA wie in Fig. 1 und Fig. 2 skizziert.
Die genannte günstige Phasenverschiebung der quasiperiodischen magnetischen und elektrischen Strukturen läßt sich zum einen durch eine Anordnung nach Fig. 2 mit der genannten zulässigen Verschiebung um max. +/- 45°, insbesondere max. +/- 15° erreichen. Eine alternative Variante ist in Fig. 4 skizziert, wo die Periodenlänge der in Längsrichtung beabstandeten Elektrodenstufen AL_i, AI_i+1 doppelt so groß ist wie die Periodenlänge aufeinanderfolgender Magnetringanordnungen. Eine solche Anordnung kann auch in Stufen mit gegenüber Fig. 1 doppelter Länge unterteilt werden, welche dann jeweils zwei entgegengerichtete Magnet-Teilsysteme und ein Elektrodensystem enthalten.
Bei der in Fig. 4 skizzierten Anordnung ergeben sich in Bereichen, wo die Elektroden die Polstellen aufeinanderfolgender Magnet-Teilsysteme überbrücken, Kontaktzonen, an welchen die den Magnetlinien folgenden Sekundärelektronen von den Elektroden aufgenommen werden und somit eine Kontaktzone KZ zwischen dem Plasma und einer Elektrode entsteht, wogegen an Polstellen, welche zugleich zwischen zwei in Längsrichtung aufeinanderfolgenden Elektroden liegen, eine Isolationszone IZ mit hohem Potentialgradient im Plasma entsteht.
In einer anderen Ausführungsform können gegenüberstehender äußerer Magnetring und innerer Magnetring des Magnetsystems bzw. eines MagnetTeilsystems auch mit entgegengesetzter Polausrichtung vorgesehen sein, so daß sich in einem Fig. 1 entsprechenden Längsschnitt durch die Anordnung zu jeder Stufe eine magnetisches Quadrupol-Feld ergibt. Die in einer Ebene senkrecht zur Längsrichtung liegenden Ströme IA, II sind dann gleichsinnig. Die übrigen geschilderten Maßnahmen gemäß der Erfindung sind bei einer solchen Anordnung in entsprechender Weise anwendbar.
Die vorstehend und in den Ansprüchen angegebenen Merkmale sind sowohl einzeln als auch in verschiedenen Kombinationen vorteilhafte realisierbar. Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern im Rahmen fachmännischen Könnens auf mancherlei Weise abwandelbar. Insbesondere ist nicht zwingend eine strenge Symmetrie um die Symmetrieachse LA erforderlich. Vielmehr kann eine gezielte Unsymmetrie dem symmetrischen Verlauf überlagert sein: Die Ringform von Feldern, Elektroden oder Magnetanordnungen bedeutet nicht notwendigerweise eine kreiszylindrische Form, sondern kann von einer solchen sowohl hinsichtlich der Drehsymmetrie als auch des zylindrischen Verlaufs in Längsrichtung abweichen.

Claims

Plasma-Beschleuniger-Anordnung mit einer Plasma-Kammer (PK) um eine Längsachse (LA), mit Mitteln zur Ionisierung eines den Plasma kammer zugeführten Arbeitsgases (AG) und zur Erzeugung eines Plasmastrahls (PB), mit einer Elektrodenanordnung (KA; AA0, ...; AI0, ...) zur Erzeugung einer elektrischen Potentialdifferenz als Beschleunigungsfeld für positiv geladene Ionen über eine Beschleunigungsstrecke parallel zur Längsachse und mit Mitteln zur Einleitung eines gebündelten Elektronenstrahls (ES) in die Plasma-Kammer und dessen Führung durch ein Magnetsystem (RHA, RHB), dadurch gekennzeichnet, dass die Plasma-Kammer ringförmig um die Längsachse mit einer radial innen liegenden (WI) und einer radial außen liegenden (WA) Kammerwand ausgebildet und der Elektronenstrahl als zylindrischer Hohlstrahl zuführbar und dass das Magnetsystem eine bezüglich der Plasma-Kammer radial innen liegende innere Magnetanordnung (RMI) und eine radial außen liegende äußere Magnetanordnung (RMA) aufweist, welche jeweils in sich beide entgegengesetzte Magnetpole in Längsrichtung (LR) beabstandet aufweisen, wobei das Magnetsystem (RMA, RMI) mehrere parallel zur Längsachse (LA) beabstandet aufeinander folgende Magnet-Teilsysteme mit in Längsrichtung (LR) entgegengesetzter Polausrichtung umfaßt.
Anordnung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass das Magnetsystem (RMA, RMI) eine toroidale Struktur aufweist.
Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in Längsrichtung im Verlauf der Plasma-Kammer wenigstens eine Zwischenelektrodenanordnung mit einer ersten (AAi) an der äußeren Kammerwand (WA) und einer zweiten (AIi) gegenüberliegend an der inneren Kammerwand (WI) um die Längsachse (LA) angeordneten Teilelektrode vorgesehen ist, die dazu angepaßt ist, auf einem Zwischenpotential der Potentialdifferenz zu liegen.
Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Zwischenelektrode (AAi, AIi) eine Pollücke zwischen aufeinander folgenden Polen der Magnetanordnung (RMA, RMI) teilweise oder vollständig überdeckt.