[0001] Die Erfindung betrifft eine Plasma- und Ionenquelle, bei der in einem begrenzten
Volumen mittels der Elektronzyklotronresonanz ein Plasma mittels eines Magnetfeldes,
der Einstrahlung von Mikrowellen und der Zuführung des zu ionisierenden Gases erzeugt
wird.
[0002] Die Elektronzyklotronresonanz (ECR) eignet sich ganz besonders dafür, einfach und
betriebssicher ein Plasma zu erzeugen, indem in einem gasgefüllten Volumen ein Magnetfeld
erzeugt und resonante elektrische Hochfrequenzleistung eingestrahlt wird. Die Frequenz
f und das Magnetfeld B ergeben sich aus folgender Beziehung:
Werden hohe Elektronendichten in der Entladung angestrebt, so ist neoen großer Hf-Leistung
auch eine hohe Frequenz erforderlich, beispielsweise 10 - 20 GHZ Mikro- wellen für
Elektronendichten von 10
12/cm
3. Die erforderlichen Magnetfelder liegen im Bereich von 4 - 8 KG.
[0003] Für Anwendungen in Ionenquellen oder Plasmainjektoren ist es aus Gründen der Strahlqualität
günstig, wenn mit einem möglichst kleinen Plasmavolumen mit hoher Elektronendichte
als Ionenlieferant ausgekommen werden kann, um die geforderte Strahlintensität zu
erreichen. Praktisch bedeutet das, daß das für die ECR erforderliche hohe Magnetfeld
nur in einem Raum von wenigen mm
3 benötigt wird. Trotzdem ist es in der Fachwelt bisher üblich in allen Anordnungen
( z.B. "An Electron Cyclotron Resonance (ECR) Multiply Charged Ion Scurce", JEEE Transaction
on Nuclear Science, Vol. NS.-26, No.2, April 1979, S. 2120-2126) ein großvolumiges
Magnetfeld mittels wassergekühlter, stromdurchflossener Kupferspulen zu erzeugen,
die koaxial um einem Vakuumgefäß angeordnet sind. Das Vakuumgefäß wird so dimensioniert,
daß einerseits eine noch ausreichende Sauggeschwindigkeit erreicht und andererseits
die elektrische Leistung zur Aufrechterhaltung des magnetischen Feldes möglich gering
wird. Dies führt zu Anordnungen mit einer Leistung von 50 bis 200 kW.
[0004] Eine solche Anordnung von Spulen liefert zwangsläufig im Vakuumgefäß eine ausgedehnte
Fläche, auf der das Magnetfeld der Resonanzbedingung genügt. Es entstehen dadurch
lästige (parasitäre) unerwünschte Entladungen, die besondere Maßnahmen zur Einschränkung
des Plasmas auf den gewünschten Ort erfordern.
[0005] Der Transport des Plasmas von der Erzeugung bis zur Nutzung erfolgt durch Diffusion
entlang dem aus der Resonanzzone schwach abfallenden Magnetfeld, was von einer Spulenanordnung
direkt geliefert wird.
[0006] Die der Erfindung zugrundeliegenden Aufgabe besteht nunmehr darin, eine Plasma- und
Ionenquelle zu bieten, bei der hohe Ionendichten in einem wohldefinierten Bereich
erzielt werden und neben der Beschränkung der Entladung die erforderliche elektrische
Leistung auf den geringen Verbrauch des Mikrowellengenerators beschränkt wird.
[0007] Die Lösung dieser Aufgabe ist im Merkmal des Anspruches 1 beschrieben. Die Merkmale
der übrigen Ansprüche geben vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung wieder.
[0008] Wird, wie erfindungsgemäß geschehen, ein steiler Abfall des Magnetfeldes nach der
Resonanz in Kauf genommen, so kann die gesamte Anordnung wesentlich vereinfacht werden,
da ein geeignet dimensionierter ringförmiger Permanentmagnet verwendbar ist. Dieser
hat eine axialzylindrische Bohrung, auf deren Achse die Resonanzfeldstärke erreicht
wird und deren Durchmesser groß genug gewählt ist, so daß die Mikrowellen bis zur
Resonanzstelle vordringen können.
[0009] Es läßt sich so eine sehr kompakte Anordnung erhalten, die entweder in die Wand oder
sogar vollständig in eine Pumpkammer eingesetzt werden kann. Experimente haben gezeigt,
daß in einem axialen Abstand von mehr als 10 cm von der Bohrung mit einer Sonde noch
ein Ionenstrom von mehreren mA pro cm
2 nachzuweisen ist.
[0010] Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispieles mittels der Figur
näher erläutert. Die Figur zeigt im Schnitt die Plasma- und Ionenquelle und darüber
aufgezeichnet den Verlauf des Magnetfeldes H über die Achse (in mm) der Bohrung 2.
Diese Bohrung 2 befindet sich in der Mitte des ringförmigen Permanentmagneten 1 aus
SmCo--Material. Dieser Magnet 1 mit einem Durchmesser von 70 mm und einer Dicke von
20 mm ist in der Lage, im Mittelbereich 5 der Achsialbohrung 2 ein magnetisches Feld
(Maximum)von 5,18 kG zu erzeugen.
[0011] Die Mikrowellen 3 und das Gas 4 (zu ionisierendes Medium) werden über den Einsatz
an den Magneten 1 bzw. in den Resonanzbereich 5 eingeführt. Die Mikrowellen mit 14,5
G
HZ werden an den Flansch 7 (UG 419/U) herangeführt und über den Einsatz 8 aus BN (mit
ε =5) dem Bereich 5 zugeleitet. Der Einsatz 8 weist eine Innenbohrung 9 auf, die mit
der Zuleitung 4 für das Gas in Verbindung steht und in den Bereich 5 hineinreicht.
[0012] Die Achsialbohrung 2 ist mit einer Hülse 10 aus nichtmagnetischem Material ausgekleidet,
die sowohl mit dem Flansch 7 für die Mikrowelle 3 als auch einem Verbindungsflansch
11 zu einem nicht näher dargestellten Vakuum- bzw. Beschleunigungssystem in Verbindung
steht.
1. Plasma- und Ionenquelle, bei der in einem begrenzten Volumen mittels der Elektronzyklotronresonanz
ein Plasma mittels eines Magnetfeldes, der Einstrahlung von Mikrowellen und der Zuführung
des zu ionisierenden Gases erzeugt wird, gekennzeichnet durch die Verwendung eines
Permanentmagneten (1) mit einer axialen Bohrung (2), in die sowohl die Mikrowellen
(3) als auch das Gas (4) einbringbar ist.
2. Plasma- und Ionenquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Permanentmagnet
(1) in einem Bereich der axialen Bohrung (2) ein Maximum des Magnetfeldes erzeugt
und daß die Mikrowellen (3) und das Gas (4) in diesen Bereich einbringbar sind.
3. Plasma- und Ionenquelle nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der
Permanentmagnet (1) aus SmCoS- Material besteht.
