DE1001429B

DE1001429B - Ionenquelle

Info

Publication number: DE1001429B
Application number: DES44504A
Authority: DE
Inventors: Dr Rer Nat Albert Ziegler
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 1955-06-27
Filing date: 1955-06-27
Publication date: 1957-01-24
Also published as: GB835118A; CH344141A

Description

DEUTSCHES

Es sind zahlreiche Ionenquellen bekanntgeworden, die sich im wesentlichen durch die Methode der Plasmaerzeugung unterscheiden. Die bekannten Verfahren verwenden zur Plasmaerzeugung Kanalstrahlenentladungen oder Niederdruckentladungen, ferner Pendelelektronen oder Hochfrequenz. Die Elektrodenanordnung zur Extraktion der Ionen unterscheidet sich nur unwesentlich. In allen Fällen werden aus einem Raumladungsgebiet mit Hilfe einer negativ vorgespannten sogenannten Ziehelektrode Ionen aus dem Plasma herausgezogen und. durch eine Bohrung in der Ziebeilektrode in das Hochvakuum geführt, in dem die Ionen benötigt werden.

Alle diese Anordnungen haben gemeinsam, daß die Plasmaerzeugung in einem Raum mit geringem Druck, etwa zwischen 10~~² und 10~⁴ Torr, stattfindet. In allen Fällen wird die Ionisierung durch Elektronenstoß bewirkt. Um eine möglichst hohe Ionisierungswahrscheinlichkeit zu erreichen, müssen starke Magnetfelder bzw. hohe Spannungen angewendet werden. Trotzdem beträgt der erreichbare Ionisierungsgrad nur etwa 10%, und der Atomionenanteil, insbesondere bei Wasserstoffplasmen, liegt weit unter 100%.

Weiterhin ist bei den bekannten Anordnungen und Verfahren von Nachteil, daß die Ionennachlieferung zur Ziehelektrode durch die Diffusionsgeschwindigkeit der Ionen beschränkt ist, so daß im Gebiet vor der Ziehelektrode eine Ionenverarmung eintreten und in der Folge zu einem ungünstigen Verhältnis zwischen der Ionendichte und der Dichte des neutralen Teiles des Plasmas führen kann.

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Ionenquelle, bei der ein neues Prinzip der Plasmaerzeugung durch Lichtbogenentladung angewendet wird und die gegenüber den bekannten Ionenquellen wesentliche Verbesserungen insbesondere hinsichtlich des Wirkungsgrades und des erreichbaren Ionenstromes aufweist. Sie besteht darin, daß zur Erzeugung des Ionenplasmas eine Lichtbogenanordnung und zwischen Kathode und Anode mindestens eine enge Düse vorgesehen ist, wobei der Gasdruck in einem der durch die Düse abgeteilten Räume wesentlich höher, vorzugsweise um drei bis vier Größenordnungen höher als im anderen Raum gehalten ist.

Ausführungsbeispiele der Ionenquelle gemäß der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt. Es zeigt

Fig. 1 eine Ionenquelle gemäß der Erfindung mit einer Ziehelektrode zur Extraktion der Ionen in Richtung des Plasmastrahles,

Fig. 2 eine Ionenquelle nach der Erfindung mit einer radialsymmetrischen Ziehelektrode zur Extraktion der Ionen senkrecht zur Richtung des Plasmastrahles,

Ionenquelle

Anmelder:

Siemens-Schuckertwerke

Aktiengesellschaft, Berlin und Erlangen,

Erlangen, Werner-von-Siemens-Str. 50

Dr. rer. nat. Albert Ziegler, Erlangen,
ist als Erfinder genannt worden

Fig. 3 eine Ausbildung einer Düse mit Kühlsystem, Fig. 4 eine Hintereinanderschaltung zweier Düsen.

In Fig. 1 ist die Kathode 1 der Lichtbogenanordnung in einem Gehäuse angebracht, das durch die Deckplatte 2 und den Zylinder 3 aus isolierendem Material begrenzt ist. Mit 4 ist ein Anschlußstutzen für die Gaszuführung angegeben. Die Platte 5 enthält den Düseneinsatz 6; mit 7 ist die ringförmig ausgebildete Anode angegeben und mit B die Ziehelektrode, die eine düsenförmige Bohrung 9 aufweist und dadurch den Anodenraum 10 mit dem Hochvakuumraum 11 verbindet, in den die Ionen zur weiteren Verwendung eingeführt werden. Mit 12 und 13 sind isolierende Zwischenstücke angegeben. -Der Anodenraum 10 ist durch den Anschlußstutzen 14 an eine Vorvakuumpumpe angeschlossen. Die elektrischen Anschlüsse für Kathode, Düsenplatte, Anode und Ziehelektrode sind mit 15, 16, 17 und 18 bezeichnet.

Die Erzeugung des Plasmas erfolgt durch den Lichtbogen, der zwischen der Kathode 1 und der Anode 7 brennt. Kathodenseitig wird ein Druck von z. B. 40 Torr aufrechterhalten, während der Anodenraum einen Druck von etwa 10~³ Torr aufweist. Auf Grund dieses Druckgefälles entsteht eine Plasmaströmung mit extrem hoher Strömungsgeschwindigkeit in Richtung auf die Anode hin. Der Lichtbogen brennt ganz oder teilweise durch die Düse 6. Auf der Kathodenseite hat die Entladung den Charakter einer Hochtemperaturbogenentladung, während anodenseitig eine Entladung stattfindet, die bisher noch nicht beschrieben worden ist; sie könnte etwa als stromstarke Glimmentladung bezeichnet werden.

Durch hinreichende Bemessung der Stromstärke des Lichtbogens ist zu erreichen, daß das Gas im Raum zwischen Kathode und Düse praktisch vollständig ionisiert ist; es befindet sich je nach Stromstärke auf einer Temperatur zwischen 10 000 und

609 767/357

20 000° C. Auf Grund des bereits genannten Druckgefälles entsteht eine Plasmaströmung, die Überschallgeschwindigkeit erreichen kann und im übrigen je nach Ausbildung der Düse gebündelt oder diffus in den Anodenraum eintreten kann. Es -ist daher, insbesondere um eine Bündelung des Plasmastrahles zu erzielen, im allgemeinen zweckmäßig, die Düse als Lavaldüse auszubilden. Die Anode hat die alleinige Aufgabe, den Elektronenstrom, der einige Ampere erreichen kann, aufzunehmen. Bei diesen Stromstärken kann die Stromdichte im engsten Querschnitt der Düse Werte von etwa 5 · 10⁴ A/cm² annehmen, was · den bisher erreichten maximalen Stromdichten in Hochdruckplasmen entspricht. Selbst bei dem geringen Gasdruck von 10~³ Torr im Anodenraum ist die Leitfähigkeit des Plasmas infolge des hohen Ionisierungsgrades ausreichend, um bei etwa 50 V Spannungsabfall in Wasserstoff einen Entladungsstrom von mehreren Ampere zu erreichen.

Form und Lage der Anode können in vielfältiger Weise gewählt sein. Die Anode kann z. B., wie in Fig. 1 angedeutet ist, als Ring ausgebildet sein, so daß der heiße, quasi neutrale, stromlose Plasmastrahl ungehindert hindurchtreten kann.

In einer Anordnung nach Fig. 1 kann die Potentialverteilung, z. B. wenn als Gas Wasserstoff verwendet wird, etwa wie folgt gewählt werden:

Die Anode liegt auf 0, die Düsenplatte auf minus 50 V, die Kathode auf minus 100 V, die Ziehelektrode auf minus 10 kV.

Das Anordnungsbeispiel der erfindungsgemäßen Ionenquelle nach Fig. 2 unterscheidet sich von der Anordnung nach Fig. 1 im wesentlichen nur durch die Anordnung der Ziehelektrode und der Anode. Die Kathode ist mit 31 angegeben, der Kathodenraum ist durch die Deckplatte 32 und den Isoliermantel 33 begrenzt. 34 bedeutet einen Stutzen für die Gaszuführung. Die Düsenplatte ist mit 35, der Düseneinsatz mit 36 und die Ziehelektrode mit 37 bezeichnet; diese ist radialsymmetrisch angeordnet, und zwar so, daß ihre Ziehrichtung senkrecht zur Richtung des Plasmastrahles liegt. Der Hochvakuumraum, in den die Ionen extrahiert werden, ist mit 38 bezeichnet. 39 ist die Anode, die im vorliegenden Beispiel als Rohr ausgebildet ist und gleichzeitig als Anschluß für die Vorvakuumpumpe zum Absaugen des überschüssigen Plasmas dient. Mit 40 sind Isolierstücke und mit 41, 42, 43 und 44 die elektrischen Anschlüsse bezeichnet. In Fig. 3 ist die Düse mit Kühlsystem dargestellt. Die Düsenwandung ist mit 51 bezeichnet. Die Düsenöffnung beträgt an der engsten Stelle einige Zehntelmillimeter. In die Wandung sind Backen 52 eingesetzt, derart, daß zwischen Düsenwandung und Backen ein enger Strömungskanal, der mit 53 bezeichnet ist, gebildet wird. Die Zuführungskanäle sind mit 54 und 55 bezeichnet. 56 und 57 sind Dichtungen. Durch die Platte 58 wird der Düseneinsatz mit Kühlsystem in der Düsenplatte 59 festgehalten. Zu- und Abfluß der Kühlflüssigkeit ist durch Pfeile bezeichnet.

Um zu niedrigen Drücken vor der Ziehelektrode zu kommen, können zwei Düsen hintereinander angeordnet und der Raum zwischen den beiden Düsen an eine Vorvakuumpumpe angeschlossen werden. Da sich bei dieser Anordnung die zweite Düse in einem verhältnismäßig hohen Vakuum befindet und daher thermisch wesentlich weniger beansprucht wird als die erste Düse, kann sie aus isolierendem Material, z. B. aus Quarz, hergestellt werden. Dadurch wird die Rekombination der Atomionen zu Molekülionen, die an Metallflächen besonders groß ist, herabgesetzt, während die Ionisation durch die große Elektronenstromdichte in der Düse mindestens aufrechterhalten oder sogar noch vergrößert wird. Hierdurch erreicht man vor der Ziehelektrode eine geringe Gasdichte bei verhältnismäßig großer Ionendichte. Dies ist eine notwendige Voraussetzung dafür, daß große Ionenströme extrahiert werden können.

Ein Beispiel für eine derartige Hintereinanderschaltung zweier Düsen ist in Fig. 4 dargestellt. Mit 61 ist die erste Düse mit Düsenplatte und Düseneinsatz, etwa wie sie in Fig. 3 beschrieben sind, bezeichnet. Die zweite Düse wird durch den Quarzhohlkörper 62 gebildet. Der Kühlraum ist mit 63 und der Zufluß der Kühlflüssigkeit ist durch Pfeile angedeutet. Die Anode 64 dient gleichzeitig als Fassung der Düse 62.

Die Isolierplatte 65 verhindert eine Entladung unter Umgehung des Düsenkanals. Die Ziehelektrode ist mit 66 und der Anschluß stutzen für die Vakuumpumpe zur Evakuierung des Raumes zwischen den beiden Düsen mit 67 bezeichnet. Im übrigen kann die Anordnung z. B. wie bei Fig. 1 ausgeführt sein.

Die Kühlung der Kathode, der Anode und der Ziehelektrode bsi den Anordnungen der Fig. 1, 2 und· 4 kann in bekannter Weise ausgeführt werden. Sie ist daher der Übersicht halber in der schematischen Darstellung dieser Figuren nicht angegeben. Die Ionenquelle gemäß der Erfindung kann auch so ausgeführt sein, daß der Raum zwischen Anode und Düse, also der Anodenraum, auf höherem Druck gehalten ist als der Raum zwischen Düse und Kathode (Kathodenraum). Eine solche Anordnung unterscheidet sich von den Anordnungen der Fig. 1 bis 4 im wesentlichen lediglich durch die Vertauschung der Elektroden.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann eine der beiden Elektroden als Düse ausgebildet sein. In diesem Falle wird der gesamte Raum zwischen den beiden Elektroden auf wesentlich höherem Druck gehalten als der Raum jenseits der Düse.

In gewissen Fällen kann es wünschenswert erscheinen, daß der Plasmastrahl hinter der bzw. den Düsen zusammengedrängt wird. Dies kann in an sich bekannter Weise durch magnetische Vorrichtungen erreicht werden. Bei Anordnungen gemäß den vorher beschriebenen Figuren ist dies in besonders einfacher Weise dadurch zu bewerkstelligen, daß die Elektroden gleichzeitig als Magnetpole verwendet werden. Wie oben bereits ausgeführt worden ist, wird bei der Ionenquelle nach der Erfindung eine Plasmaströmung mit extrem hoher Strömungsgeschwindigkeit mit hoher Ionendichte erreicht. Hieraus ergeben sich folgende Vorteile:

Die Ionen können hinter der Plasmadüse in Richtung des Plasmastrahles herausgezogen und als Bündel in Strahlgeometrie weiter beschleunigt werden. Die schnelle Strömung des Plasmas bewirkt, daß die Ionennachlieferung zur Ziehelektrode nicht mehr wie bei den bekannten Anordnungen durch die Diffusionsgeschwindigkeit der Ionen begrenzt wird. Die nach Fig. 2 mögliche Extraktion der Ionen senkrecht und radialsymmetrisch zum Plasmastrahl ist für gewisse Anwendungsfälle vorteilhaft. Dabei hat eine Anordnung gemäß Fig. 2, bei der der Plasmastrahl unmittelbar in das Vorvakuumrohr strömt, den weiteren Vorteil, daß die überschüssige Gasmenge fast restlos unmittelbar abgeführt wird, ohne das Hochvakuum zu belasten. Dadurch werden große Durchmesser des Ziehkanals der Ziehelektrode möglich. Schließlich hat

die hohe Temperatur des Plasmastrahles zur Folge, daß der Molekülionenanteil gegenüber dem Atomioaenanteil verschwindend klein ist, da die Moleküle bei den auftretenden hohen Temperaturen fast vollkommen dissoziieren.

Claims

PATENTANSPRÜCHE:

1. Ionenquelle, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung des Ionenplasmas eine Lichtbogenanordnung und zwischen Kathode und Anode mindestens eine enge Düse vorgesehen, ist und daß der Gasdruck in einem der durch die Düse abgeteilten Räume wesentlich höher, vorzugsweise um drei bis vier Größenordnungen höher als im anderen Raum gehalten ist.

2. Ionenquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine der beiden Elektroden als Düse ausgebildet ist und daß der gesamte Raum zwischen den beiden Elektroden auf wesentlich höherem Druck als der Raum jenseits der Düse gehalten ist.

3. Ionenquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Raum zwischen Kathode und Düse (Kathodenraum) auf höherem Druck gehalten ist (Fig. 1).

4. Ionenquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Raum zwischen Anode und Düse (Anodenraum) auf höherem Druck gehalten ist.

5. Ionenquelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ziehelektrode so angeordnet ist, daß die Ionen in Richtung des Plasmastrahles extrahiert werden und durch die vorzugsweise als Düse ausgebildete Ziehelektrode unmittelbar in das Hochvakuum gelangen (Fig. 1).

6. Ionenquelle nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ziehelektrode vorzugsweise radialsymmetrisch zum Plasmastrahl und im übrigen so angeordnet ist, daß die Ionen senkrecht zur Richtung des Plasmastrahles extrahiert werden (Fig. 2).

7. Ionenquelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Einstellung eines Vorvakuums der Raum zwischen Düse und Ziehelektrode an eine Vakuumpumpe angeschlossen ist.

8. Ionenquelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Düsen in Plasmastrahlrichtung hintereinander angeordnet sind und daß der Raum zwischen den beiden Düsen an eine Vor vakuumpumpe angeschlossen ist und daß ferner die zweite Düse vorzugsweise aus isolierendem Material, z. B. aus Quarz, hergestellt ist (Fig. 4).

9. Ionenquelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Düse(n) allseitig intensiv gekühlt ist (sind) (Fig. 3).

10. Ionenquelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Düse(n) als Lavaldüse(n) ausgebildet ist (sind).

11. Ionenquelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß magnetische Vorrichtungen zur Zusammendrängung des Plasmastrahles vorgesehen sind und daß vorzugsweise die Elektroden als Magnetpole verwendet sind.

12. Verfahren zur Erzeugung von Ionen mit einer Ionenquelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtbogen mit einer solch hohen Stromstärke betrieben wird, daß eine annähernd vollständige Ionisation des Plasmas eintritt.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Zeitschrift für Naturforschung, Bd. 7 a, 1952,

S. 341; Review of Scientific Instruments, Bd). 24, 1953,

S. 417 und 606.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

® 609 767/357 1.57