DE2228117A1

DE2228117A1 - Hohlkathoden-duoplasmatron-ionenquelle

Info

Publication number: DE2228117A1
Application number: DE19722228117
Authority: DE
Inventors: Frans Boeschoten
Original assignee: European Atomic Energy Community Euratom
Current assignee: European Atomic Energy Community Euratom
Priority date: 1971-06-29
Filing date: 1972-06-06
Publication date: 1973-01-11
Also published as: GB1383128A; LU63436A1; BE785307A; IT960285B; FR2143800A1; NL7209031A

Description

2129/71 d XIIl/1567

Dipl.-Ing. Richard Müller-Bornef Dip/.-ing. Hans-Heinrich Wiy · ι«.

Berlin, den 6. Juni 1972 25 031

EUROPAEISCHE ATOMGEMEINSCHAFT (EURATOM)

Patentanmeldung

Hohlkathoden-Duoplasmatron-Ionenquelle

Die Erfindung bezieht sich auf eine Ionenquelle nach dem Duoplasmatronprinzip mit einer rohrförmigen Hohlkathode, durch die Metall- oder Gasatome eingeleitet werden, mit einer gekühlten Hohlanode, durch die der Ionenstrom austritt, mit einer flaschenförmigen Zwischenelektrode, die die Kathode und einen Raum vor dieser in Richtung auf die Anode umschließt und sich gegen die Anode verengt, mit Mitteln zur Erzeugung eines Magnetfelds in Strahlrichtung innerhalb der Zwischenelektrode sowie mit einem Fokussiersystem, welches den Ionenstrahl im Bereich der Anode fokussiert.

209882/0641

Ionenquellen braucht man beispielsweise in der Kernphysik als Eingangsstufen von Teilchenbeschleunigern. Hierbei besteht vielfach der Wunsch, eine hohe Stromstärke mit einer großen Stromdichte, d.h. Konzentration des Ionenbündels, zu verbinden. Den Beinamen Duoplasmatron verwendet man für Ionenquellen besonders großer Stromdichte, welche durch Kombination zweier Mechanismen der Entladungsverdichtung erzielt wird (siehe hierzu beispiels- . weise M. von Ardenne: Tabellen zur Elektronenphysik, Ionenphysik und Uebermikroskopie 1958, Bd. I₁ S. 531 ff).

Eine andere besonders leistungsfähige Ionenquelle ist in dem Bericht der Aerojet-General Corporation AGN TP-I98 beschrieben. Diese Quelle wird mit einem Neutralgas gespeist, welches durch eine Hohlkathode in einen Entladungsraum eingeführt wird. Die Atome des zugeführten Gases werden an der glühenden Kathodenoberfläche ionisiert und anschließend mit Hilfe geeigneter elektrischer und magnetischer Felder in Richtung auf ein kleines Austrittsloch beschleunigt. Zwischen der Kathode und diesem Austrittsloch bildet sich eine Plasmasäule aus, die im Bereich des Austrittslochs mit Hilfe elektrostatischer Linsen gebündelt wird. Die Strahlstromdichte bei dieser Ionenquelle war im Mittel 130 mA/cm bei einem Strahldurchmesser von 2 cm.

Es ist Aufgabe der Erfindung, die Strahlstärke wesentlich^ zu erhöhen. Dies wird bei einer Duoplasmatron-Ionenquelle der eingangs erläuterten Art dadurch erreicht, daß das Fokussiersystem als magnetische Linse ausgebildet ist, welche zwei koaxial zum Ionenstrahl und hintereinanderliegende ringförmige Polschuhe aufweist.

In einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Ionenquelle ist der von der Kathode weiter entfernte Polschuh zugleich als Hohlanode geschaltet. Weiter befindet sich in dieser Ionenquelle eine Abschirmscheibe, die elektrisch und mecha-

2129/71 d xiii/1567 209882/0 641 _*

nisch mit der Zwischenelektrode verbunden ist und ein zentrales Loch aufweist, durch welches die Hohlkathode frei hindurchragt. Diese Scheibe dient einerseits dem Schutz der Isolation zwischen der Kathode und der Zwischenelektrode gegen den Niederschlag leitender' Schichten und andererseits kann sie als Hilfselektrode zum Starten der Entladung verwendet werden. In einer weiteren erfxndungsgemaßen Ausführungsform der Ionenquelle sind mehrere rohrförmige Hohlkathoden parallel zueinander so angeordnet, daß' der Strahlquerschnxtt nahezu ein Strich wird. In diesem Fall werden der Querschnitt der Zwischenelektrode und die Polschuhöff-' nungen entsprechend oval ausgebildet.

Diese und weitere Merkmal:¹ der erfxndungsgemaßen Hohlkathoden-Duoplasmatron-Ionenquelle werden nachfolgend mit Hilfe zweier Figuren näher erläutert.

Es zeigen:

Figur 1 einen Querschnitt durch eine bevorzugte ,Ausführungsform der erfxndungsgemaßen Ionenquelle und

Figur 2 in schematischer Darstellung eine Alternativlösung gemäß der Erfindung, bei der mehrere Kathoden vorgesehen sind.

Die in Figur 1 dargestellte Ionenquelle hat von außen eine im wesentlichen tonnenförmige Gestalt, die hauptsächlich durch große Magnetspulen bedingt ist. Mit Hilfe dieser Spulen werden Magnetfelder in Richtung der Tonnenachse 1 erzeugt. Eine säulenförmige Entladungsstrecke 2 bildet sich entlang der Achse 1 von einer Hohlkathode 3 und einer Zwischenelektrode 5 zu einer Hohlanode k aus, wenn eine Betriebspotuntial-Differenz von beispielsweise 100 Volt existiert. Die Plasmasäule besteht aus Ionen, die vorher in Form eines Neutralgases in die Hohlkathode 3 eingeleitet worden waren.

ä xi 11/1567 20988 2/0641

Der Entladungsraum ist von einer flaschenfö'rmigen Zwischenelektrode 5 umgeben. Diese Elektrode liegt im Betrieb auf einem positiven Potential gegenüber der Kathode; der Potentialunterschi-ad mit der Anode kann zur optimalen Ausbeute eingestellt werden. Mit Hilfe einer Spule 6 wird ein axiales Magnetfeld im Entladungsraum erzeugt. Am Flaschenhals wird das Plasma weiter mit einer Magnetspule 7 komprimiert. Im Bereich jenseits des Gasaustritts aus der Hohlkathode wird der Entladungsraum begrenzt von einer Abschirmscheibe 8. Diese Scheibe dient einerseits als Schirm, der die Isolation 9 zwischen der Kathode und der Zwischenelektrode gegen Streupartikel schützt, und andererseits kann diese Scheibe als Startelektrode für die Entladung verwendet werden.

Die dem Duoplasmatron-Prinzip entsprechende doppelte Einschnürung wird von der bereits geschilderten flaschenförmigen Zwischenelektrode und von einer magnetischen Linse bewirkt, die in dem schmalen Bereich zwischen dem Ende der Zwischenelektrode 5 und der Lochanode k wirksam wird. Die Linse besteht aus zwei in Achsrichtung hintereinanderliegenden Weicheisen-Polschuhen 10 und 11, von denen der äußere mit der Anode integriert ist. Die magnetische Energie für diese Linse wird in einer toroidfö'rmigen Spul-'i 12 erzeugt, die diesen Bereich umschließt.

Im Betrieb wird der Entladungsraum mit Hilfe einer nicht darge-

_2 stellten Vakuumpumpe auf einen Unterdruck von etwa 10 Torr gebracht. Durch Kühlkanäle 13, l*f und 15, welche die Kathode, die Zwischenelektrodenzuführung sowiu die Anode durchziehen, wird ein Kühlmittel, z.B. Wasser oder ein Flüssigmetall, geleitet. Die mit den größten vorkommenden Temperaturen betriebenen Teile der Kathode, der Zwischenelektrode und der Anode bestehen aus Wolfram oder Tantal.

2129/71 d xiii/1567 209887/0641

Die dargestellte Ionenquelle läßt wesentlich höhere Gasdurchsätze zu als etwa Ionenquellen mit Glühkathoden und sie ergibt auch wegen der leistungsfähigen magnetischen Fokussierung wesentlich höhere Ionenströme als Ionenquellen mit elektrostatischer Zweitfokussierung. Beispielsweise lassen sich Entladeströme von 5 bis 50 Amp. ohne weiteres beherrschen und Ionenströme von 10 Amp. aus der Quelle ziehen.

In einer alternativen Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Ionenquelle, die in Figur 2 dargestellt ist, sind mehrere Hohlkathoden 3¹ parallel nebeneinander so angeordnet, daß sie einen Plasmakanal von ovalem oder nahezu strichförmigem Querschnitt erzeugen. Dieser Form der Plasmasäule sind die Zwischenelektrode 5' und die Anode V angepaßt.

Die Erfindung ist nicht in allen Details auf die dargestellte Ausführungsform beschränkt. Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Ionenquelle würde beispielsweise darin bestehen, in bekannter Weise die Kathode mit einem mechanischen Nachführmechanismus
zu versehen, durch den unvermeidliche Verluste an Kathodenmaterial ausgeglichen werden können. Bei Umpolung der elektrischen Spannungen kann das Gerät auch als Elektronenquelle benutzt werden.

2129/71 d xiii/1567 20988 2/0641

Claims

PATENTANSPRÜCHE

[ 1. JHohlkathoden-Duoplasmatron-Ionenquelle mit einer rohrförraige'n Hohlkathode, durch die Atome eingeleitet werden, mit einer ge- _ kühlten Hohlanode, durch die der Ionenstrom austritt, mit einer flaschenförmigen Zwischenelektrode, die die Kathode und einen Raum vor dieser in Richtung auf die Anode umschließt und sich gegen die Anode verengt, mit Mitteln zur Erzeugung eines Magnetfeldes in Strahlrichtung innerhalb der Zwischenelektrode sowie mit einem Fokussiersystem, welches den Ionenstrahl im Bereich der Anode fokussiert, dadurch gekennzeichnet, daß das Fokussiersystem als magnetische Linse ausgebildet ist, welche zwei koaxial zum Ionenstrahl und hintereinanderliegende ringförmige Polschuhe (10, 11) aufweist.
2. Hohlkathoden-Duoplasmatron-Ionenquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der von der Kathode weiter entfernte Polschuh zugleich als Hohlanode (4) geschaltet ist.
3. Hohlkathoden-Duoplasmatron-Ionenquelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlkathode (3) frei durch ein zentrales Loch ±n^x einer Abschirmscheibe (8) ragt, welche elektrisch und mechanisch mit der Zwischenelektrode (5) verbunden ist.
4. Hohlkathoden-Duoplasmatron-Ionenquülle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere rohrförmige Hohlkathoden (3 0 parallel zueinander so angeordnet sind, daß der Strahlquerschnitt nahezu ein Strich wird, und daß die Querschnitte der Zwischenelektrode (5¹) und der Polschuhöffnungen (dementsprechend oval sind.
5· Hohlkathoden-Duoplasmatron-Ionenquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens die Anodenelektrode flüssigkeitsgekühlt ist.
6. Hohlkathoden-Duoplasmatron-Ionenquelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathode axial verschiebbar angeordnet ist,

2129/71 d xiii/1567 20 98 32/0641