PLASMA AND ION SOURCE

Abstract: 1. Plasma and ion source generating in a limited volume on the basis of the electron cyclotron resonance a plasma by means of a magnetic field, the irradiation of microwaves and the supply of the gas to be ionized, with the use of a permanent magnet (1) provided with an axial bore (2) into which both the microwaves (3) and the gas (4) can be introduced.

Description: Plasma- und Ionenquelle 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. 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: f( HZ) = 2,8 . 106 B(Gauss) Werden hohe Elektronendichten in der Entladung angestrebt, so ist neoen grosser Hf-Leistung auch eine hohe Frequenz erforderlich, beispielsweise 10 - 20 GHZ Mikrowellen für Elektronendichten von 1012/cm . Die erforderlichen Magnetfelder liegen im Bereich von 4 - 8 KG. 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 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, Nu.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. Eine solche Anordnung von Spulen liefert zwangsläufig im Vakuumgefäss eine ausgedehnte Fläche, auf der das Plasnetfeld der Resonanzbedingung genügt. Es entstehen dadurch lästige (parasitäre) unerwünschte Entladungen, die besondere Massnahmen zur Einschränkung des Plasmas auf den gewünschten Ort erfordern. Der Transport des Plasmas von der Erzeugung bis zur Nutzung erfolgt durch Diffusion entlang dem aus der Resonanz zone schwach abfallenden Magnetfeld, was von einer Spulenanordnung direkt geliefert wird. 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. Die Lösung dieser Aufgabe ist im Merkmal des Anspruches 1 beschrieben. Die Merkmale der übrigen Ansprüche geben vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung wieder. 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. Es lässt sich so eine sehr kompakte Anordnung ersten, 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 Ionen 2 strom von mehreren mA pro cm nachzuweisen ist. Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Aus führungsbeispieles 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 inder rlitte des ringförmigen Perma nenünagneten 1 aus SmCog-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. 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 GHZ werden an den Flansch 7 (UG 419/U) herangeführt und über den Einsatz 8 aus BN (mit g =5) dem Bereich 5 zugeleitet. Der Einsatz 8 weist eineInnen- bohrung 9 auf, die mit der Zuleitung 4 für das Gas in Verbindung steht und in den Bereich 5 hineinreicht. 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.

Claims: Patentansprüche: 1. Plasma- und Ionenquelle, bei der in einem be grenzten Volumen mittels der Elektronzyklotronre sonanz 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 ge kennzeichnet, dass der Permanentmagnet (1) in einem Bereich der axialen Bohrung (2) ein Maximum des Nagnetfeldes erzeugt und dass die Mikrowellen (3) und das Gas (4) in diesen Bereich einbringbar sind. 3. Plasma- und Ionenquelle nach Anspruch 1 und 2, da durch gekennzeichnet, dass der Permanentmagnet (1) aus SmCo5 - Material besteht.

Inventors: BECHTHOLD, VOLKER, DR. DIPL.-PHYS., FRIEDRICH, LUDWIG, DR. DIPL.-PHYS., MOLLENBECK, JOSEF, PHYS.- ING., ZIEGLER, PETER, Möllenbeck, Josef, Phys.- Ing.
Applicants: KERNFORSCHUNGSZENTRUM KARLSRUHE GMBH
Application year: 1980
Main classification: H01J27
IPC codes: H01J27