EP1586221A1 - Ionenbeschleuniger-anordnung - Google Patents

Ionenbeschleuniger-anordnung

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EP1586221A1
EP1586221A1 EP03782395A EP03782395A EP1586221A1 EP 1586221 A1 EP1586221 A1 EP 1586221A1 EP 03782395 A EP03782395 A EP 03782395A EP 03782395 A EP03782395 A EP 03782395A EP 1586221 A1 EP1586221 A1 EP 1586221A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
type
ionization chamber
longitudinal
arrangement
longitudinal section
Prior art date
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Granted
Application number
EP03782395A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP1586221B1 (de
EP1586221B8 (de
Inventor
Günter KORNFELD
Gregory Coustou
Norbert Koch
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Thales Air Systems and Electron Devices GmbH
Original Assignee
Thales Electron Devices GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Thales Electron Devices GmbH filed Critical Thales Electron Devices GmbH
Publication of EP1586221A1 publication Critical patent/EP1586221A1/de
Publication of EP1586221B1 publication Critical patent/EP1586221B1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP1586221B8 publication Critical patent/EP1586221B8/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03H—PRODUCING A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03H1/00—Using plasma to produce a reactive propulsive thrust
    • F03H1/0037—Electrostatic ion thrusters
    • F03H1/0062—Electrostatic ion thrusters grid-less with an applied magnetic field
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H1/00—Generating plasma; Handling plasma
    • H05H1/54—Plasma accelerators

Definitions

  • the invention relates to an ion accelerator arrangement of the type specified in the preamble of claim 1.
  • Ion accelerator arrangements are used, for example, for surface treatment, in particular in semiconductor technology, or as a drive for spacecraft. Ions are typically generated and accelerated from a neutral working gas for propulsion purposes, in particular an inert gas. In particular, two construction principles have become established for the generation and acceleration of ions.
  • the positively charged ions are converted from a plasma by means of a lattice arrangement in which a first lattice adjacent to the plasma chamber is at an anode potential and a second lattice which is offset in the beam exit direction is at a more negative cathode potential.
  • a lattice arrangement in which a first lattice adjacent to the plasma chamber is at an anode potential and a second lattice which is offset in the beam exit direction is at a more negative cathode potential.
  • a lattice arrangement in which a first lattice adjacent to the plasma chamber is at an anode potential and a second lattice which is offset in the beam exit direction is at a more negative cathode potential.
  • Another design provides a plasma chamber which is penetrated on the one hand by an electric field for accelerating positively charged ions in the direction of a beam outlet opening and on the other hand by a magnetic field for guiding electrons which serve to ionize a neutral working gas.
  • Accelerator arrangements with an annular plasma chamber, in which the magnetic field is predominantly radial and electrons under the influence of the - electrical and magnetic fields are on closed drift paths, have been in use for a long time. electric and magnetic fields move on closed drift tracks.
  • Such an accelerator arrangement is known, for example, from US Pat. No. 5,847,493.
  • the magnetic field shows a special structure with a field course predominantly parallel to the longitudinal direction in longitudinal sections of the second type and predominantly perpendicular to the longitudinal direction, in particular radial course in longitudinal sections of the first type, which in particular show a course of the magnetic field, also referred to as cusp.
  • the arrangement is preferably constructed in several stages with alternating successive longitudinal sections of the first and second type.
  • Such ion accelerator arrangements are known, for example, from DE 100 14 033 A1 or DE 198 28 704 A1.
  • electrodes protruding radially inwards are provided on the inner wall.
  • JP 61 066 868 A shows an RF ion generator with an excitation coil arranged on the side walls of a plasma chamber.
  • a permanent magnet arrangement generates a magnetic field with field lines curved around the coil turns in order to keep plasma away from the coil turns.
  • US Pat. No. 6,060,836 A describes a plasma generator with a waveguide projecting axially into a plasma chamber, to which HF power from a magnetron is fed and the inner conductor of which carries a permanent magnet arrangement at one end projecting into the chamber.
  • the object of the present invention is to further improve the efficiency of an ion accelerator arrangement.
  • the invention is described in claim 1.
  • the dependent claims contain advantageous refinements and developments of the invention.
  • the invention is based on the magnetic field structure known per se from DE 100 14 033 A1, which in the ionization (or plasma) chamber in the longitudinal direction of the arrangement in a section of the second type has a predominantly parallel field direction to the longitudinal direction and in a section of the first type in contrast, has a stronger, in particular predominant, field component perpendicular to the longitudinal direction.
  • the magnetic field merges continuously and monotonously from a section of the first type into a section of this type adjacent to it and vice versa, the adjacent sections of the first and second type being spaced apart in the longitudinal direction or being able to adjoin one another directly.
  • the longitudinal direction of an ion accelerator arrangement essentially coincides with the mean direction of movement of the accelerated ions or an axis of symmetry of the ionization chamber.
  • the volume available to the working gas in this section is reduced compared to an embodiment with a constant wall distance and at the same time the working gas in the middle between the opposite ones Concentrated wall surfaces.
  • the distance between opposing wall surfaces in the section of the second type is preferably not only with respect to one another but also with respect to an center line or center surface parallel to the longitudinal direction in particular is reduced compared to the wall distance in an adjacent longitudinal section of the first type.
  • the minimum wall distance in a section of the second type is advantageously at least 15%, preferably at least 20%, in particular at least 25% less than the maximum wall distance in an adjacent section of the first type.
  • at least one, preferably both, of the opposing wall surfaces is in a section of the second type offset towards the ionization chamber, in particular in the form of a curvature with a wall surface that runs continuously in the longitudinal direction, preferably monotonously curved.
  • the mutually opposing wall surfaces can consist of dielectric material or be metallic or partially metallic, in particular in such a way that in the section or sections of the second type there is a metallic wall surface which forms an intermediate electrode at a fixed or sliding potential and in the longitudinal direction is delimited by insulating wall sections, and the wall surfaces in the sections of the first type are electrically insulating.
  • the ion accelerator arrangement in the longitudinal course of the plasma chamber is constructed in several stages in such a way that a plurality of sections of the first type alternate with sections of the second type, the longitudinal components preferably being alternately opposed in sections of the second type separated by a section of the first type. the longitudinal component of the magnetic field thus reverses when passing through a section of the first type.
  • a multi-stage magnetic field structure is known per se from the prior art.
  • the reduction in wall distance that is essential to the invention can then be carried out in only one, several or all sections of the second type. If there is a reduction in the wall distance in several or all sections of the second type compared to adjacent sections of the first type, the quantitative extent of the relative reduction can also vary from section to section. There is preferably a reduction in the wall distance at least in the section of the second type closest in the longitudinal direction of the anode and / or the reduction in this section is greatest in the case of quantitative variation over several sections.
  • the anode is preferably arranged at the end of the ionization chamber opposite the longitudinal direction of the ion exit opening.
  • the cathode is advantageously designed as a primary electron source, from which primary electrons are guided through the ion outlet opening into the plasma chamber and / or which electrons are used to neutralize an ion or plasma beam emerging from the ionization chamber, and preferably offset laterally outside the ionization chamber and towards the outlet opening arranged.
  • the ion accelerator arrangement according to the invention can serve both to emit a positively charged ion beam and, in particular in the preferred application in the drive of a spacecraft, to emit a neutral plasma beam.
  • the accelerated ions can be used in particular for the treatment of solid surfaces and layers close to the surface.
  • FIG. 1 shows a magnetic field profile in an ionization chamber
  • Fig. 2 shows a multi-stage arrangement.
  • the magnetic field profile in an ionization chamber IK which is required for the present invention, is schematically sketched.
  • the ionization chamber is assumed to be annular, rotationally symmetrical about a central longitudinal axis SA, which lies in the longitudinal direction LR of the arrangement.
  • a magnet arrangement MGi lying radially inside with respect to the ionization chamber and a magnet arrangement MGe lying radially outside generate a magnetic field in the ionisation chamber IK which has at least one longitudinal section MA1N of the first type and at least one longitudinal section MA2N of the same type in the longitudinal direction.
  • the magnetic field in the ionization chamber preferably has a plurality of longitudinal sections of the first and second type, alternating in succession in the longitudinal direction, as in the example outlined in FIG. 2 and as indicated in FIG. 1 by a further longitudinal section MA2N + I.
  • the magnetic field shows a predominantly parallel to the longitudinal axis SA field direction
  • the magnetic field has a contrast greater radial, that is oriented perpendicular to the longitudinal axis component.
  • the longitudinal section MA1 N of the first type is selected in the example so that the radial field component clearly predominates.
  • Longitudinal sections of the first and second types can be defined directly one after the other, but are spaced apart in the sketched example for a clear demarcation with a predominant longitudinal component in the section MA2 N and a predominant radial component in the longitudinal section MA1 N by an unspecified transition section.
  • the magnitude of the magnetic flux decreases from the lateral chamber walls towards the center, just as in the longitudinal section of the first type magnetic flux on the chamber walls is greater than in the middle between opposite wall surfaces.
  • the magnetic field structure described so far is in itself, for. B. from DE 10014033 A1, as well as magnet arrangements for generating such a magnetic field structure.
  • the field distribution of the magnetic field in FIG. 1 is only to be understood schematically and not quantitatively.
  • the radial distance of the wall surfaces WF2JN, WF2 ⁇ N opposite each other perpendicular to the longitudinal axis SA is less than the radial wall distance of wall surfaces WF1 ' IN, WF1 ⁇ N in the longitudinal section MA1 N of the first type
  • the clear radial width of the ionization chamber is thus reduced in the longitudinal section MA2N of the second type compared to the longitudinal section MA1N of the first type.
  • the two opposing wall surfaces WF2JN, WF2 ⁇ are preferably displaced radially towards the center of the ionization chamber in relation to the wall surfaces WF1.N, WF1 and N adjacent in the longitudinal direction.
  • a concentration of the working gas, in particular also of the non-ionized atoms is forced in the radial inner area in section MA2N, where there is a higher electron density and therefore a higher ionization probability due to the lower magnetic flux ,
  • the course of the wall surfaces in the longitudinal direction can in both sections be parallel to the longitudinal axis SA with a step or ramp as a transition.
  • the wall surface WF2i N and / or WF2 ⁇ N can be curved with a toward the radial center of the ionization chamber minimum wall distance D2L, which increases in the longitudinal direction towards the adjacent section MA1 N of the first type.
  • the course of the wall surface WF2i N and / or WF2e can in particular be continuously monotonously curved or of such a shape, e.g. B. be approximated with several straight partial courses.
  • the wall surfaces WF1i N and / or WF1e can have a straight or curved course in the longitudinal direction, with a straight course parallel to the longitudinal axis typically being favorable for these surfaces for the sake of simplified production.
  • the wall surfaces of the chamber wall can consist of electrically insulating material or of electrically conductive material or also partially of electrically conductive material, in particular non-magnetizable metal.
  • the wall surfaces are WF2. N , WF2 ⁇ N metallic and the wall surfaces WF1N, WF1 ⁇ N insulating.
  • the metallic wall surfaces can then advantageously form part of the electrode arrangement as intermediate electrodes at intermediate electrical potentials between the potentials of an anode and a cathode, it being possible for the intermediate potentials to be predeterminable or, in the case of insulated, non-contacted intermediate electrodes, to set up smoothly during operation.
  • metallic Electrodes are placed or fixed on an essentially cylindrical insulating chamber shell and form the wall surfaces WF2i N or WF2e N through their surfaces facing away from the chamber shell and facing the ionization chamber and the opposite wall surface.
  • a longitudinally multi-stage arrangement is outlined, in which in itself, for. B. from DE 100 14033 A1, as is known in the longitudinal direction, a plurality of longitudinal sections of the first and second type alternate in succession, with two sections of the second type (MA2N, MA2N + I in FIG. 1) adjacent to an intermediate section of the first type (MA1 N 1 ⁇ FIG. 1) ) show opposite longitudinal components of the magnetic field. While an annular chamber geometry around a central central longitudinal axis SA and an inner and an outer magnet arrangement Mgi, Mge are provided in FIG. 1, the sketch according to FIG.
  • the ionization chamber shows a beam exit opening, from which a generally slightly divergent ion or plasma beam PB with medium ion movement in the longitudinal direction LR emerges.
  • a cathode KA which is at cathode potential and emits electrons, is arranged as part of the electrode arrangement outside the ionization chamber at the outlet opening AU and laterally offset therefrom.
  • a part IE of these electrons is conducted through the electrical field of the electrode arrangement into the ionization chamber and is used there in known manner for ionizing the working gas and in particular also the generation of secondary electrons.
  • Another part NE of the electrons emitted by the cathode can serve to neutralize a positively charged particle stream PB.
  • no external electron source is provided for generating primary electrons for gas ionization and / or for the neutralization of a plasma jet with excess positive charge.
  • the cathode can then in particular be provided by a housing part surrounding the outlet opening of the ionization chamber and lying at cathode potential.
  • An anode A0 as part of the electrode arrangement is arranged at the end of the ionization chamber opposite the outlet opening AU in the longitudinal direction LR and is at anode potential.
  • a neutral working gas preferably a heavy noble gas such as xenon (Xe) for drive purposes, can be introduced into the ionization chamber, for which purpose an anode-side central supply line is entered in the sketch.
  • Xe xenon
  • a typical distribution of a plasma consisting of electrons and positive gas ions is shown in crossed hatching in the ionization chamber.
  • the magnet arrangement forms a magnetic field in the ionization chamber IKZ, which has longitudinal sections MA11, MA12 of the first type and longitudinal sections MA21, MA22, MA23 of the second type alternately in the longitudinal direction. It is assumed that, as outlined, in this case the distance of opposite wall surfaces to the diameter of the ionization chamber is constant in all longitudinal sections of the first type and in any transition sections that may be present, it is constantly equal to DZ.
  • the ionization chamber in the longitudinal section MA21 is narrowed to a minimum diameter D21L by a curvature surrounding the central longitudinal axis with a wall surface WF21.
  • the wall surface WF21 is assumed to be electrically insulating.
  • the diameter of the ionization chamber is reduced to a value D22L, whereby the larger dimensioning of D22L compared to D21L can take into account any expansion of the plasma that may occur in the second compared to the first stage, and wall losses that impair electrical efficiency can be kept low .
  • the wall surface WF22 or the entire narrowing of the diameter at this distance is metallic and forms a first intermediate electrode A1 at a fixed intermediate potential.
  • an electrode A2 of small radial thickness is provided, which in this section does not reduce the diameter D23L, or does not significantly reduce it, compared to DZ, and which, in an uncontacted manner, assumes an intermediate potential in operation.
  • the electrode arrangement can also differ in the division in the longitudinal direction from the division of the magnetic field into longitudinal sections of the first and second types.
  • the wall surfaces in the sections of the second type can be shaped in various other ways and can be insulating, electrically conductive or even only partially conductive in themselves.
  • the dimensions of the individual longitudinal sections and / or the intermediate electrodes can vary from stage to stage.
  • Male known ion accelerator arrangements can be combined with the features essential to the invention.
  • the cross section of the ionization chamber can also deviate from the rotationally symmetrical shape and assume an elongated shape.

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Abstract

Für eine Ionenbeschleuniger-Anordnung mit einer spezialen Magnetfeldstruktur mit abwechselnd überwiegend Längs- und Querverlauf des Magnetfelds wird eine Geometrie der lonisationskammer mit dem Verlauf des Magnetfelds angepasster nicht zylindrischer Form der Kammerwand vorgeschlagen.

Description

Bezeichnung der Erfindung:
lonenbeschleuniger-Anordnung
Die Erfindung betrifft eine lonenbeschleuniger-Anordnung der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art.
lonenbeschleuniger-Anordnungen sind beispielsweise im Einsatz zur Oberflächenbehandlung, insbesondere in der Halbleitertechnologie, oder als Antrieb für Raumflugkörper. Ionen werden typischerweise aus einem neutralen Arbeitsgas für Antriebszwecke, insbesondere einem Edelgas erzeugt und beschleunigt. Zur Erzeugung und Beschleunigung von Ionen haben sich insbesondere zwei Bauprinzipien durchgesetzt.
Bei den Gitterbeschleunigern werden aus einem Plasma die positiv geladenen Ionen mittels einer Gitteranordnung, bei welcher ein erstes, an die Plasmakammer angrenzendes Gitter auf ein Anodenpotential und ein in Strahlaustrittsrichtung versetztes zweites Gitter auf einem negativeren Kathodenpotential liegen. Eine derartige Anordnung ist beispielsweise aus der US 3613370 bekannt. Durch Raumladungseffekte ist die lonenstromdichte einer solchen Beschleunigeranordnung auf niedrige Werte begrenzt.
Eine andere Bauform sieht eine Plasmakammer vor, welche zum einen von einem elektrischen Feld zur Beschleunigung positiv geladener Ionen in Rich- tung einer Strahlaustrittsöffnung und zum anderen von einem Magnetfeld zur Führung von Elektronen, welche zur Ionisation eines neutralen Arbeitsgases dienen, durchsetzt ist. Seit längerer Zeit gebräuchlich sind insbesondere Beschleunigeranordnungen mit einer ringförmigen Plasmakammer, in welcher das Magnetfeld vorwiegend radial verläuft und Elektronen unter dem Einfluss der - elektrischen und magnetischen Felder sich auf geschlossenen Driftbahnen be- lektrischen und magnetischen Felder sich auf geschlossenen Driftbahnen bewegen. Eine derartige Beschleunigeranordnung ist beispielsweise aus der US 5 847 493 bekannt.
Bei einem neuen Typ einer lonenbeschleuniger-Anordnung mit elektrischen und magnetischen Feldern in einer Plasmakammer zeigt das Magnetfeld eine besondere Struktur mit überwiegend zur Längsrichtung parallelem Feldverlauf in Längsabschnitten zweiter Art und überwiegend zur Längsrichtung senkrechtem, insbesondere radialem Verlauf in Längsabschnitten erster Art, welche ins- besondere einen auch als cusp bezeichneten Verlauf des Magnetfelds zeigen. Die Anordnung ist vorzugsweise mehrstufig aufgebaut mit alternierend aufeinanderfolgenden Längsabschnitten erster und zweiter Art. Derartige lonenbe- schleuniger-Anordnungen sind beispielsweise bekannt aus DE 100 14 033 A1 oder DE 198 28 704 A1. Bei einer aus der DE 101 30 464 A1 bekannten Plas- mabeschleuniger-Anordnung sind an der Innenwand radial nach innen vorstehende Elektroden vorgesehen.
In JP 61 066 868 A ist ein RF-Ionengenerator mit an den Seitenwänden einer Plasmakammer angeordneter Anregungsspule gezeigt. Eine Permanentma- gnetanordnung erzeugt ein Magnetfeld mit um die Spulenwindungen gekrümmten Feldlinien, um Plasma von den Spulenwindungen fern zu halten. Die US 6 060 836 A beschreibt einen Plasmagenerator mit einem achsial in eine Plasma-Kammer ragenden Hohlleiter, welchem HF-Leistung eines Magnetrons eingespeist ist und dessen in Innenleiter an einem in die Kammer ragenden Ende eine Permanentmagnetanordnung trägt.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Wirkungsgrad einer lonenbeschleuniger-Anordnung weiter zu verbessern. Die Erfindung ist im Patentanspruch 1 beschrieben. Die abhängigen Ansprüche enthalten vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung.
Die Erfindung geht aus von der an sich aus der DE 100 14 033 A1 bekannten Magnetfeldstruktur, welche in der lonisations-(oder Plasma-)Kammer in Längsrichtung der Anordnung in einem Abschnitt zweiter Art eine überwiegend zur Längsrichtung parallele Feldrichtung und in einem Abschnitt erster Art eine demgegenüber stärkere, insbesondere überwiegende Feldkomponente senkrecht zur Längsrichtung aufweist. Das Magnetfeld geht kontinuierlich und mo- noton von einem Abschnitt erster Art in einen diesem benachbarten Abschnitt zweiter Art über und umgekehrt, wobei die benachbarten Abschnitte erster und zweiter Art in Längsrichtung beabstandet sein oder unmittelbar aneinander anschließen können. Die Längsrichtung einer lonenbeschleuniger-Anordnung fällt im wesentlichen mit der mittleren Bewegungsrichtung der beschleunigten lo- nen bzw. einer Symmetrieachse der Ionisationskammer zusammen.
Durch die Verringerung des Abstands zwischen einander senkrecht zur Längsrichtung gegenüberstehender Wandflächen der die Ionisationskammer begrenzenden Wände in dem Längsabschnitt zweiter Art wird das dem Arbeitsgas in diesem Abschnitt zur Verfügung stehende Volumen gegenüber einer Ausführung mit gleichbleibendem Wandabstand reduziert und zugleich das Arbeitsgas in der Mitte zwischen den gegenüberstehenden Wandflächen konzentriert.
Es zeigt sich überraschenderweise, dass hierdurch der Gesamtwirkungsgrad der Anordnung, in welchen insbesondere der lonisationswirkungsgrad und der elektrische Wirkungsgrad eingehen, deutlich ansteigt.
Vorzugsweise ist der Abstand gegenüberstehender Wandflächen in dem Abschnitt zweiter Art nicht nur zueinander sondern auch bezüglich einer insbe- sondere zur Längsrichtung parallelen Mittellinie oder Mittelfläche verringert gegenüber dem Wandabstand in einem benachbarten Längsabschnitt erster Art.
Der minimale Wandabstand in einem Abschnitt zweiter Art ist vorteilhafterweise um wenigstens 15 %, vorzugsweise um wenigstens 20 %, insbesondere um wenigstens 25 % geringer als der maximale Wandabstand in einem benachbarten Abschnitt erster Art. Vorteilhafterweise ist wenigstens eine, vorzugsweise beide der sich gegenüberstehenden Wandflächen in einem Abschnitt zweiter Art zur Ionisationskammer hin versetzt, insbesondere in Form einer Wöl- bung mit einer in Längsrichtung kontinuierlich verlaufenden, vorzugsweise monoton gekrümmten Wandfläche.
Die einander gegenüberstehenden Wandflächen können isolierend aus dielektrischem Material bestehen oder metallisch oder teilweise metallisch sein, ins- besondere in der Art, dass in dem Abschnitt bzw. Abschnitten zweiter Art eine metallische Wandfläche vorliegt, welche eine Zwischenelektrode auf festem oder gleitendem Potential bildet und in Längsrichtung durch isolierende Wandabschnitte begrenzt ist, und die Wandflächen in den Abschnitten erster Art elektrisch isolierend sind.
Vorteilhafterweise ist die lonenbeschleuniger-Anordnung im Längsverlauf der Plasma-Kammer mehrstufig aufgebaut in der Art, dass mehrere Abschnitte erster Art alternierend mit Abschnitten zweiter Art aufeinanderfolgen, wobei vorzugsweise die Längskomponenten in durch einen Abschnitt erster Art getrenn- ten Abschnitten zweiter Art abwechselnd entgegengesetzt sind, die Längskomponente des Magnetfelds somit bei Durchlaufen eines Abschnitts erster Art umkehrt. Eine derartige mehrstufige Magnetfeldstruktur ist aus dem Stand der Technik an sich bekannt. Die erfindungswesentliche Verringerung des Wandabstands kann dann in nur einem, mehreren oder allen Abschnitten zweiter Art gegeben sein. Bei Vorliegen der Verringerung des Wandabstands in mehreren oder allen Abschnitten zweiter Art gegenüber benachbarten Abschnitten erster Art kann dabei auch das quantitative Ausmaß der relativen Verringerung von Abschnitt zu Abschnitt variieren. Vorzugsweise liegt eine Verrin- gerung des Wandabstands wenigstens in dem in Längsrichtung der Anode nächsten Abschnitt zweiter Art vor und/oder ist bei quantitativer Variation über mehrere Abschnitte die Verringerung in diesem Abschnitt am stärksten.
Die Anode ist vorzugsweise am in Längsrichtung der lonen-Austrittsöffnung entgegengesetzten Ende der Ionisationskammer angeordnet. Die Kathode ist vorteilhafterweise als Primärelektronenquelle ausgebildet, aus welcher Primärelektronen durch die lonen-Austrittsöffnung in die Plasmakammer geleitet werden und/oder welche Elektronen zur Neutralisierung eines aus der Ionisationskammer austretenden Ionen- oder Plasmastrahls dienen, und vorzugsweise außerhalb der Ionisationskammer und gegen die Austrittsöffnung seitlich versetzt angeordnet.
Die erfindungsgemäße lonenbeschleuniger-Anordnung kann sowohl zur Abgabe eines positiv geladenen lonenstrahls als auch, insbesondere in der bevor- zugten Anwendung im Antrieb eines Raumfahrzeugs zur Abgabe eines neutralen Plasmastrahls dienen. In anderer Anwendung können die beschleunigten Ionen insbesondere zur Behandlung von Festkörperoberflächen und oberflächennahen Schichten eingesetzt sein.
Die Erfindung ist nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Abbildungen noch eingehend veranschaulicht. Dabei zeigt:
Fig. 1 einen Magnetfeldverlauf in einer Ionisationskammer, Fig. 2 eine mehrstufige Anordnung.
Bei der in Fig. 1 skizzierten Anordnung ist der für die vorliegende Erfindung vorausgesetzte Magnetfeldverlauf in einer Ionisationskammer IK schematisch skizziert. Die Ionisationskammer sei als ringförmig rotationssymmetrisch um eine Mittel-Längsachse SA, welche in Längsrichtung LR der Anordnung liegt, angenommen. Eine bezüglich der Ionisationskammer radial innen liegende Magnetanordnung MGi und eine radial außen liegende Magnetanordnung MGe erzeugen in der Ionisationskammer IK ein Magnetfeld, welches wenigstens einen Längsabschnitt MA1 N erster Art und wenigstens einen diesem in Längsrichtung benachbarten Längsabschnitt MA2N zweier Art aufweist. Vorzugsweise weist das Magnetfeld in der Ionisationskammer in Längsrichtung alternierend aufeinanderfolgend mehrere Längsabschnitte erster und zweiter Art auf wie in dem in Fig. 2 skizzierten Beispiel und wie in Fig. 1 durch einen weiteren Längsabschnitt MA2N+I angedeutet.
Im Längsabschnitt zweiter Art MA2N zeigt das Magnetfeld eine überwiegend zur Längsachse SA parallele Feldrichtung, wogegen im Längsabschnitt MA1N er- ster Art das Magnetfeld eine demgegenüber größere radiale, d. h. senkrecht zur Längsachse gerichtete Komponente besitzt. Der Längsabschnitt MA1 N erster Art ist im Beispiel so gewählt, dass die radiale Feldkomponente deutlich überwiegt. Längsabschnitte erster und zweiter Art können unmittelbar aneinander anschließend definiert sein, sind im skizzierten Beispiel zur klaren Abgren- zung mit überwiegender Längskomponente im Abschnitt MA2N und überwiegender Radialkomponente im Längsabschnitt MA1 N aber durch einen nicht näher bezeichneten Übergangsabschnitt beabstandet. Im Längsabschnitt MA2N zweiter Art nimmt der Betrag des magnetischen Flusses von den seitlichen Kammerwänden zur Mitte hin ab, ebenso wie im Längsabschnitt erster Art der magnetische Fluss an den Kammerwänden größer ist als in der Mitte zwischen gegenüberliegenden Wandflächen. Die soweit beschriebene Magnetfeldstruktur ist an sich, z. B. aus DE 10014033 A1 bekannt, ebenso Magnetanordnungen zur Erzeugung einer solchen Magnetfeldstruktur. Die Feldverteilung des Ma- gnetfeldes in Fig. 1 ist lediglich schematisch und nicht quantitativ zu verstehen.
Wesentlich für die vorliegende Erfindung ist nun, dass im Bereich des Längsabschnitts MA2N zweiter Art der radiale Abstand der einander senkrecht zur Längsachse SA gegenüberstehenden Wandflächen WF2JN, WF2ΘN geringer ist als der radiale Wandabstand von Wandflächen WF1 'IN, WF1 ΘN im Längsabschnitt MA1 N erster Art. Die lichte radiale Weite der Ionisationskammer ist damit im Längsabschnitt MA2N zweiter Art gegenüber dem Längsabschnitt MA1 N erster Art reduziert. Vorzugsweise sind im Abschnitt MA2N beide gegenüberstehenden Wandflächen WF2JN, WF2Θ gegenüber den in Längsrichtung be- nachbarten Wandflächen WF1.N, WF1 eN radial zur Mitte der Ionisationskammer hin verschoben. Gegenüber einer Kammergeometrie mit in Abschnitten erster und zweiter Art gleichem radialem Wandabstand wird dadurch im Abschnitt MA2N eine Konzentration des Arbeitsgases, insbesondere auch der nicht ionisierten Atome im radialen inneren Bereich erzwungen, wo aufgrund geringeren magnetischen Flusses eine höhere Elektronendichte und damit höhere lonisa- tionswahrscheinlichkeit vorliegt.
Der Verlauf der Wandflächen in Längsrichtung kann in beiden Abschnitten jeweils parallel zur Längsachse SA sein mit einer Stufe oder Rampe als Über- gang. Bevorzugt ist aber zumindest im Längsabschnitt MA2N zweiter Art ein nicht zur Längsachse SA paralleler Verlauf, welcher dem Feldlinienverlauf des Magnetfelds in diesen Längsabschnitt besser angenähert ist als ein zu SA paralleler Wandverlauf . Insbesondere kann die Wandfläche WF2iN und/oder WF2βN zur radialen Mitte der Ionisationskammer hin gewölbt sein mit einem minimalen Wandabstand D2L, welcher in Längsrichtung zum benachbarten Abschnitt MA1 N erster Art hin zunimmt. Der Verlauf der Wandfläche WF2iN und/oder WF2e kann insbesondere kontinuierlich monoton gekrümmt oder einer solchen Form, z. B. mit mehreren geraden Teilverläufen angenähert sein.
In entsprechenderweise können die Wandflächen WF1iN und/oder WF1e einen in Längsrichtung geraden oder gekrümmten Verlauf aufweisen, wobei bei diesen Flächen der vereinfachten Herstellung halber typischerweise ein zur Längsachse paralleler gerader Verlauf im Regelfall günstig ist.
Der radiale Wandabstand im Längsabschnitt MA2N zweiter Art bzw. bei nicht zu SA parallelem Wandverlauf der dortige minimale radiale Wandabstand D2L ist vorzugsweise um wenigstens 15 %, vorzugsweise um wenigstens 20 %, insbesondere um wenigstens 25 % geringer als der Wandabstand im benachbarten Längsabschnitt erster Art bzw. bei nicht zu SA parallelem Verlauf der dortige maximale Wandabstand D1M, d. h. D2L < 0,85 D1M bzw. 0,80 D1M bzw. 0,75 D1M.
Die Wandflächen der Kammerwand können aus elektrisch isolierendem Mate- rial oder aus elektrisch leitendem Material oder auch teilweise aus elektrisch leitendem Material, insbesondere nicht magnetisierbarem Metall bestehen. In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Wandflächen WF2.N, WF2ΘN metallisch und die Wandflächen WF1N, WF1ΘN isolierend. Die metallischen Wandflächen können dann vorteilhafterweise als Teile der Elektrodenanord- nung Zwischenelektroden auf elektrischen Zwischenpotentialen zwischen den Potentialen einer Anode und einer Kathode bilden, wobei die Zwischenpotentiale vorgebbar sein können oder bei isolierten, nicht kontaktierten Zwischenelektroden sich im Betrieb gleitend einstellen. Bei metallischen Wandflächen WF2JN, WF2β kann insbesondere auch vorgesehen sein, dass metallische Elektroden auf eine im wesentlichen zylindrische isolierende Kammerhülle auf oder eingesetzt und fixiert sind und durch ihre der Kammerhülle abgewandten, der Ionisationskammer und der gegenüberliegenden Wandfläche zugewandten Flächen die Wandflächen WF2iN bzw. WF2eN bilden.
In Fig. 2 ist eine in Längsrichtung mehrstufige Anordnung skizziert, bei welcher in an sich, z. B. aus DE 100 14033 A1 bekannter Weise in Längsrichtung mehrere Längsabschnitte erster und zweiter Art alternierend aufeinanderfolgen, wobei zwei zu einem dazwischenliegenden Abschnitt erster Art (MA1 N 1Π Fig. 1) benachbarte Abschnitte zweiter Art (MA2N, MA2N+I in Fig. 1 ) entgegengesetzte Längskomponenten des Magnetfelds zeigen. Während in Fig. 1 eine ringförmige Kammergeometrie um eine zentrale Mittel-Längsachse SA und eine innere und eine äußere Magnetanordnung Mgi, Mge vorgesehen sind, ist in der Skizze nach Fig. 2 eine bevorzugte Kammergeometrie mit einfach zusammenhän- gender Querschnittsfläche der die Mittellängsachse SAZ enthaltenden Ionisationskammer IKZ, welche insbesondere im wesentlichen drehsymmetrisch um die zur Längsrichtung parallele Mittellängsachse SAZ sein kann, zugrunde gelegt. Die Magnetanordnung besteht in diesem Fall in wiederum an sich bekannter Weise lediglich aus einer die Kammerhülle umgebenden äußeren Ma- gnetanordnung MG. Beide einander gegenüberstehenden Wandflächen gehören dann zu derselben um die Mittellängsachse SAZ geschlossenen und die Ionisationskammer seitlich umgebenden Kammerwand. Die Ionisationskammer zeigt eine Strahlaustrittsöffnung, aus welcher ein im Regelfall leicht divergierender Ionen- oder Plasmastrahl PB mit mittlerer lonenbewegung in Längs- richtung LR austritt. Außerhalb der Ionisationskammer bei der Austrittsöffnung AU und seitlich gegen diese versetzt ist als Teil der Elektrodenanordnung eine Kathode KA, welche auf Kathodenpotential liegt und Elektronen emittiert, angeordnet. Ein Teil IE dieser Elektronen wird durch das elektrische Feld der Elektrodenanordnung in die Ionisationskammer geleitet und dient dort in be- kannter Weise zur Ionisation des Arbeitsgases und dabei insbesondere auch der Erzeugung von Sekundärelektronen. Ein anderer Teil NE der von der Kathode emittierten Elektronen kann zur Neutralisierung eines positiv geladenen Teilchenstroms PB dienen.
In anderer vorteilhafter Ausführungsform ist keine externe Elektronenquelle zur Erzeugung von Primärelektronen für die Gasionisation und/oder für die Neutralisation eines Plasmastrahls mit überschüssiger positiver Ladung vorgesehen. Die Kathode kann dann insbeosndere durch einen die Austrittsöffnung der loni- sationskammer umgebenden, auf Kathodenpotential liegendem Gehäuseteil gegeben sein.
Eine Anode A0 als Teil der Elektrodenanordnung ist an dem der Austrittsöff- nung AU in Längsrichtung LR entgegengesetzten Ende der Ionisationskammer angeordnet und liegt auf Anodenpotential. Ein neutrales Arbeitsgas, für Antriebszwecke vorzugsweise ein schweres Edelgas wie Xenon (Xe) ist in die Ionisationskammer einleitbar, wofür in der Skizze eine anodenseitige zentrale Zuleitung eingetragen ist. Eine typische Verteilung eines aus Elektronen und positiven Gasionen bestehenden Plasmas ist in gekreuzter Schraffur in der lo- nisationskammer eingezeichnet.
Die Magnetanordnung bildet in der Ionisationskammer IKZ ein Magnetfeld aus, welches in Längsrichtung alternierend aufeinanderfolgend Längsabschnitte MA11 , MA12 erster Art und Längsabschnitte MA21 , MA22, MA23 zweiter Art aufweist. Es sei angenommen, dass, wie skizziert, der in diesem Fall dem Durchmesser der Ionisationskammer gleiche Abstand gegenüberliegender Wandflächen in allen Längsabschnitten erster Art sowie in gegebenenfalls vorliegenden Übergangsabschnitten konstant gleich DZ sei. In dem skizzierten Beispiel, welches der Anschaulichkeit halber mehrere Gestaltungsvarianten für die Längsabschnitte MA21 , MA22, MA23 zweiter Art vereint zeigt, ist die Ionisationskammer im Längsabschnitt MA21 durch eine die zentrale Längsachse ringförmig umgebende Einwölbung mit einer Wandfläche WF21 auf einen minimalen Durchmesser D21L eingeengt. Die Wandfläche WF21 sei als elektrisch isolierend angenommen. Im Längsabschnitt MA22 ist der Durchmesser der Ionisationskammer bis auf einen Wert D22L reduziert, wobei durch größere Bemessung von D22L gegenüber D21L einer eventuell auftretenden Aufweitung des Plasmas in der zweiten gegenüber der ersten Stufe Rechnung getragen werden kann und den elektrischen Wirkungsgrad beeinträchtigende Wandverluste gering gehalten werden können. Die Wandfläche WF22 oder die gesamte Durchmesserverengung in diesem Abstand sei metallisch und bilde eine erste Zwischenelektrode A1 auf einem festen Zwischenpotential. Im Abschnitt MA23 schließlich ist eine Elektrode A2 geringer radialer Dicke vorgesehen, welche den Durchmesser D23L in diesem Abschnitt nicht oder nicht nennenswert gegenüber DZ reduziert, und welche unkontaktiert im Betrieb gleitend ein Zwischenpotential einnimmt. Die Elektrodenanordnung kann auch in der Unterteilung in Längsrichtung von der Unterteilung des Magnetfelds in Längsabschnitte erster und zweiter Art abweichen.
Die vorstehend und die in den Ansprüchen angegebenen sowie die den Abbildungen entnehmbaren Merkmale sind sowohl einzeln als auch in verschiedener Kombination vorteilhaft realisierbar. Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern im Rahmen fachmännischen Könnens in mancherlei Weise abwandelbar. Insbesondere können die Wandflächen in den Abschnitten zweiter Art auf verschiedene andere Weisen geformt und dabei isolierend, elektrisch leitend oder auch in sich nur teilflächen- weise elektrisch leitend sein. Die Abmessungen der einzelnen Längsabschnitte und/oder der Zwischenelektroden können von Stufe zu Stufe variieren. Merk- male bekannter lonenbeschleuniger-Anordnungen können mit den erfindungswesentlichen Merkmalen kombiniert werden. Der Querschnitt der Ionisationskammer kann auch von der drehsymmetrischen Form abweichen und eine langgestreckte Form annehmen.

Claims

Ansprüche:
1. lonenbeschleuniger-Anordnung mit einer Ionisationskammer, einer Elektrodenanordnung und einer Magnetanordnung, wobei
- die Ionisationskammer in einer Längsrichtung eine lonen-Austrittsöffnung aufweist und quer zur Längsrichtung durch wenigstens eine Seitenwand begrenzt ist und dass über eine von der Austrittsöffnung beabstandete Zuleitungsöffnung Arbeitsgas in die Ionisationskammer einleitbar ist,
- die Elektrodenanordnung wenigstens eine Kathode und eine Anode enthält und in der Ionisationskammer ein elektrisches Feld zur Beschleunigung von positiv geladenen Arbeitsgas-Ionen in Richtung der Austrittsöffnung erzeugt,
- die Magnetanordnung in der Ionisationskammer ein Magnetfeld erzeugt, welches in Längsrichtung wenigstens einen Längsabschnitt zweiter Art mit im wesentlichen zur Längsrichtung paralleler Magnetfeldrichtung und einen diesem benachbarten Längsabschnitt erster Art mit demgegenüber höherem Anteil der Feldkomponente senkrecht zur Längsrichtung aufweist,
- der Wandabstand zwischen einander gegenüberstehenden Wandflächen in dem Längsabschnitt zweiter Art geringer ist als in dem Längsabschnitt erster Art,
dadurch gekennzeichnet, dass im Längsabschnitt zweiter Art der Wandverlauf in Längsrichtung eine monoton gekrümmte Wölbung zur Ionisationskammer hin aufweist.
2. Anordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der minimale Wandabstand im Längsabschnitt zweiter Art um wenigstens 15 %, insbesondere um wenigstens 25 % geringer ist als der maximale Wandabstand im Längsabschnitt erster Art.
3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass Längsabschnitte erster und zweiter Art alternierend aufeinanderfolgen.
4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Längsabschnitt erster Art eine Richtungsumkehr der Längskomponente des Magnetfelds eintritt.
5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kammerwand in einem Längsabschnitt zweiter Art zumindest teil- weise durch eine Zwischenelektrode gebildet ist.
6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Anode an dem in Längsrichtung der Austrittsöffnung entgegengesetzten Ende der Ionisationskammer angeordnet ist.
7. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Kathode als Primärelektronenquelle ausgebildet und außerhalb der Ionisationskammer seitlich gegen die Austrittsöffnung versetzt angeordnet ist.
8. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Kathode als Primärelektronenquelle ausgebildet und außerhalb der Ionisationskammer seitlich gegen die Austrittsöffnung versetzt angeordnet ist. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass keine externe Elektronenquelle als Neutralisator oder Primärelektronenquelle vorgesehen ist.
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