DE3328423A1

DE3328423A1 - Negative ionenquelle

Info

Publication number: DE3328423A1
Application number: DE19833328423
Authority: DE
Inventors: Kenneth Warren 94507 Alamo Calif. Ehlers; Ka-Ngo 94547 Hercules Calif. Leung
Original assignee: US Department of Energy
Current assignee: US Department of Energy
Priority date: 1982-08-06
Filing date: 1983-08-05
Publication date: 1984-02-09
Also published as: US4486665A; JPS5949139A; JPH0360139B2; GB2124824B; GB2124824A; FR2531570A1; GB8318743D0; FR2531570B1

Description

R-6038

Negative Ionenquelle

Eine wichtige Anwendung von Ionenquellen tritt bei Neutral-Strahlinjektionssystemen für Fusionsenergieexperimente und Reaktoren auf. Ionen aus diesen Quellen werden elektrostatisch auf hohe Energie beschleunigt und darauffolgend neutralisiert, um einen Strahl hoher Energie mit neutralen Atomen vorzusehen. Die Neutralstrahlinjektionssysteme liefern Energie im Megawattbereich zur Erhitzung von Plasmen in magnetischen Umschließungs-Fusionsenergievorrichtungen, wie beispielsweise Tokamaks und Spiegelfusionsvorrichtungen. Die anfangs kalten oder eine niedrige Energie aufweisenden Plasmaionen innerhalb dieser Fusionsenergievorrichtungen werden auf hohe Energien erhitzt, und zwar durdi die Bombardierung mit Hochenergieteilchen aus den Neutralstrahlquellen. Die außerordentlich hohen Magnetfelder der Fusionsenergievorrichtungen der magnetischen Umschließungsbauarten umschließen das Plasma nicht nur in effektiver Weise, sondern sie verhindern auch,daß geladene Teilchen in das Plasma eindringen. Da die neutralen Teilchen durch die starken Magnetfelder nicht beeinflußt

werden, sind eine hohe Energie aufweisende neutrale Teilchen eine gute Wahl für die Erhitzung dieser Fusionsplasmen. Wenn die energetisch neutralen Teilchen oder Atome in das Fusionsplasma eintreten, so werden sie durch die Plasmaelektronen reionisiert. Diese energetischen oder heißen Ionen werden sodann durch die Reaktormagnetfelder umschlossen.

Positive Ionen werden in großem Ausmaß in den heute üblichen Neutralstrahlsystemen verwendet, da positive Ionen relativ leicht unter Verwendung einer Elektronenentladung von beispielsweise 80 eV Elektronen erzeugt werden können. Eine typische Quelle zur Erzeugung positiv geladener Wasserstoffionen ist in US-PS 4 140 943 beschrieben. Wasserstoff wird in ein Plasmageneratorgefäß injiziert, wo es durch eine Hochstromelektronenentladung ionisiert wird, und zwar vorgesehen durch eine Vielzahl von Wolframfäden. Die Extraktorgitter für diese positiven Ionenquellen liegen bezüglich des ionisierten Plasmas auf einem negativen Potential. Das Auftreten von Elektronen im Ausgangsfluß wird unterdrückt, weil die negativ geladenen Elektronen durch das negative Potential der Extraktorgitter abgestoßen werden. Zur Umwandlung in Hochenergieneutralteilchen werden die positiven Ionen aus der Ionenquelle elektrostatisch auf hohe Energien beschleunigt und darauffolgend dadurch neutralisiert, daß man sie durch eine Niederdruckgaszelle leitet, wo die Ladungsaustauschneutralisierung erfolgt.

Ein Problem bei der Verwendung positiver Ionen in Neutralstrahlsystemen besteht darin, daß bei Erhöhung des-Beschleunigungspotentials für die positiven Ionen es zunehmend schwieriger wird, die positiven Ionen zu neutralisieren. Wenn die Ionenbeschleunigungspotentiale er-

höht werden, so können größer und größer werdende Prozentsätze der ionisierten Teilchen nicht mehr in Neutralteilchen umgewandelt werden. Die nicht neutralisierten positiv geladenen Teilchen werden entweder abgestoßen oder vom Eintritt in das Plasma abgelenkt, und infolgedessen liefern sie keinen Beitrag zur Erhöhung der Plasmaenergie. Wenn die Ionenenergien abnehmen, so haben die positiven lonenquellen infolgedessen abnehmend niedrigere Wirkungsgrade hinsichtlich der Erhitzung des Plasmas. Ein typisches Erfordernis für die Neutralstrahlleistung zur Erhitzung eines Plasmas in einer magnetisch umschlossenen Fusionsvorrichtung liegt in der Größenordnung Megawatt; es sollte ferner darauf hingewiesen werden, daß eine Abnahme des Wirkungsgrades ein beträchtlicher Nachteil dann ist, wenn positive-Ionenneutralstrahlquellen für eine höhere Energie aufweisende Neutralstrahlquellen ins Auge gefaßt werden.

Es wird davon ausgegangen, daß zukünftige Fusionsenergievorrichtungen noch mehr Energiezuführung benötigen, um den fortlaufenden Betrieb aufrecht zu erhalten. Neutralstrahlen werden für diesen Zweck ins Auge gefaßt. Wenn sich die Notwendigkeit für höhere und höhere Energieneutralstrahlsysteme weiter entwickelt, so ist die Verwendung negativer Ionen anstelle positiver Ionen in Neutralstrahlsystemen eine attraktive Alternative, weil die Neutralisierung negativer Ionen beträchtlich effizienter für Hochenergienegativionen ist als für positive Ionen. Im Falle negativer Wasserstoff- oder Deuteriumionen ist ein Elektron an das neutrale Atom angefügt, und zwar durch eine schwache Op7 eV Bindung, so daß die Neutralisierung beispielsweise durch Laserstrahlen relativ leicht zu erreichen ist. Neutralisationswirkungsgrade von mehr als 60% sind für negative Wasserstoff- und Deuteriumionen mit Energien größer als 150 keV möglich.

Trotz der Attraktivität der Verwendung negativer Ionen besteht jedoch bei den derzeitigen Hochstromquellen negativer Ionen das Problem, daß die negativen Ionen,extrahiert aus solchen Quellen, von beträchtlichen Zahlen unerwünschter Elektronen begleitet sind, so daß eine beträchtliche Menge an Leistung für die Beschleunigung dieser großen Zahl von Elektronen verschwendet wird. Diese Hochenergieelektronen wurden auch beträchtliche Mengen an unerwünschten Röntgenstrahlen erzeugen. Diese große Anzahl von Elektronen wird normalerweise von einem negativen Wasserstoffionenstrahl dadurch getrennt, daß man einen ExB Elektronenextraktor verwendet, der dise zu Kollektorelektroden ableitet. Die Schaffung und Auffangung großer Zahlen von Elektronen aus dem Ausgang einer negativen Ionenquelle macht eine beträchtliche Leistungsmenge erforderlich und bedeutet einen beträchtlichen Leistungsabfluß für das System. Es ist daher zweckmäßig, soviele Elektronen wie möglich aus dem Ausgangsfluß einer Hochstromnegativenionenquelle zu unterdrücken.

Eine Möglichkeit zur Erzeugung negativer Wasserstoffionen ist in der folgenden Schrift erläutert: "A Self-extraction Negative Ion Source", Review of Scientific Instrumentation 53, Juni 1982, Seite 30, von Leung und Ehlers. Die dort beschriebene Möglichkeit sieht vor, daß die positiv ionisierten Wasserstoff- und Cäsiumteilchen durch ein positives Potential von annähernd 200 V beschleunigt werden, um auf eine Kupferumwandleroberfläche aufzutreffen. Negative Ionen werden an der Umwandleroberfläche ausgebildet und durch das gleiche positive Potential wegbeschleunigt. Cäsium ist eine sehr aktive Substanz, die gefährlich und schwer zu handhaben ist. Ein weiteres Problem dieses Verfahrens besteht im Wegsprühen oder Zerstäuben von der Konverter- oder Umwandleroberfläche.

Zusammenfassung der ERfindung. Die Erfindung bezweckt eine volumenmäßige Quelle für negative Ionen anzugeben, bei der Elektronen im Ausgang unterdrückt sind. Weiterhin bewzeckt die Erfindung eine negative Ionenquelle anzugeben, die in effektiver Weise einen großen Fluß negativ ionisierter Teilchen erzeugt. Um die genannten sowie weitere Ziele zu erreichen, wird eine negative Ionenquelle vorgesehen, wobei die Erfindung insbesondere brauchbar ist, um große Volumina negativer Ionen zu erzeugen, die elektrostatisch auf hohe Energien beschleunigt und darauffolgend neutralisiert werden, um so einen Hochenergieneutralstrahl zu erzeugen, der sodann zur Erhitzung eines magnetisch umschlossenen Plasmas verwendet wird.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist eine Quelle für negative Ionen, erzeugt aus neutralen Molekülen und Atomen. Die Quelle umfaßt ein Gefäß mit einer darinnen ausgebildeten Kammer zum Enthalten von ionisierten Teilchen durch Hochenergieionisationselektronen. Das Gefäß besitzt einen Anodenteil mit einem Entladungsmittel, welches die neutralen Moleküle und Atome ionisiert. In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung bilden die Gefäßwände die Entladungsanode. Magnetische Filtermittel zum Reflektieren von Hochenergieelektronen erstrecken sich durch die'Kammer und unterteilen diese in zwei Zonen, wobei die eine Zone eine Ionisationszone und die andere eine Extraktionszone ist. Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung werden die Filtermittel durch ein Magnetfeld gebildet, welches in einem speziellen Ausführungsbeispiel der Erfindung durch Permanentmagnete geliefert wird. Eine positiv vorgespannte Extraktoranordnung sieht Mittel, d.h. ein elektrisches Feld, vor, um einen Fluß negativer Ionen aus der Extrak- tionszone herauszuziehen. Ein Plasmagitter ist benachbart zur Extraktionszone des Ionisationsgefäßes angeordnet und ist leicht positiv bezüglich der Anode vorgespannt, um das

jf/10.

Plasmapotential in der Extraktions2one zu erhöhen, und zwar zur Unterdrückung der Elektronen vom negativen Ionenausgangsfluß. Dies steht im Gegensatz dazu, was man erwarten könnte, aber die positive Vorspannung des Plasmagitters vermindert in der Tat die Anzahl der eine niedrige Energie aufweisenden Elektronen im Ausgangsfluß der negativen Ionen, obwohl normalerweise zu erwarten wäre, daß eine positive Vorspannung am Plasmagitter Elektronen in den Ionenquellenausgang anziehen würde, der durch das positive Potential des Extraktorflußes herausgezogen wird. Elektronen mit niedriger Energie gelangen in die Extraktionszone dadurch, daß sie mit den positiven Ionen mitgezogen werden, die ihren Ursprung in der Ionisationszone haben, und sie laufen durch das magnetische Filter,welches sich über die Kammer hinweg erstreckt. In diesem Falle jedoch, d.h. mit einer geringen positiven Vorspannung am Plasmagitter, werden die positiven Ionen gegenüber einem Eintritt in die Extraktionszone zurückgestoßen, weil das Plasmapotential der Extraktionszone durch die positive Vorspannung am Plasmagitter positiver gemacht ist. Da niedrige Energie aufweisende Elektronen in der Extraktionszone nicht vorhanden sind, ergibt sich, daß sie daraus nicht durch das elektrische Feld des Extraktors herausgezogen werden können. Weitere Aspekte der Erfindung sehen zusätzliche Mittel vor, um Elektronen aus dem Ausgang zu unterdrücken, und zwar ist beispielsweise ein Mittel vorgesehen, um ein Magnetfeld zu erzeugen, welches bezüglich des elektrischen Feldes des Extraktors ausgerichtet ist, um für die Elektronen eine ExB-Drift vorzusehen.

Weitere Vorteile, Ziele und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der Zeichnung und der fol-. genden Beschreibung von Ausfführungsbeispielen anhand der Zeichnung; in der Zeichnung zeigt:

/1 11.

Fig. 1 einen partiellen Längsschnitt einer

erfindungsgemäßen Ionenquelle;

Fig. 2 einen Schnitt eines Ionisationsge

fäßes längs Linien 2-2 der Fig. 1;

Fig. 3 einen Querschnitt längs Schnittli

nie 3-3 der Fig. 2, wobei ein Teil eines Permanentmagneten und ein Rohr zur Positionierung und Kühlung des Magneten dargestellt sind;

Fig. 4 eine graphische Darstellung der Ab

hängigkeit der magnetischen Feldstärke vom Abstand gegenüber dem filternden Magnetfeld bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 5 einen Querschnitt längs der Linie

5-5 in Fig. 1, wobei Einzelheiten der Plasma- und Extraktor-Gitter dargestellt sind;

Fig. 6 einen Schnitt längs der Schnittlinie

6-6 der Fig. 1, wobei eine Mskierplatte und das Plasmagitter dargestellt sind;

Fig. 7a eine Schnittansicht eines Plasmagit

ters längs Schnittlinie 7a-7a der Fig. 6, wobei ein Extraktorgitterelement und ein Plasmagitterelement mit einem darin positionierten permanenten Magneten dargestellt sind;

Fig. 7b eine Ansicht wie in Fig. 4a, wobei

ein alternatives Plasmagitterelement dargestellt ist, und zwar ausgebildet aus einem leitenden Permanentmagnetmaterial ;

Fig. 8a und 8b graphische Darstellungen von Lang-

muir-Proben oder Sondeneigenschaften, erhalten in den Ionisations- bzw. Extraktionszonen für ein starkes Samariumkobaltmagnetfilter ;

Fig. 9a,9b,9c graphische Darstellungen des extrahierten negativen Wasserstoffionenstroms bzw. des extrahierten Elektronenstroms bzw. des positiven Ionenstroms, und zwar für ein starkes magnetisches Filter als Funktion der Plasmagitterspannung;

Fig. 10 eine graphische Darstellung eines

extrahierten negativen Ionen-und extrahierten Elektronenstroms als Funktion der Plasmagitterspannung für ein starkes magnetisches Filter und eine Elektronensuppressions- oder Unterdrückungsvorrichtung.

Im folgenden sei das bevorzugte Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben.

Die im folgenden beschriebene Ionenquelle für negative Ionen ist im wesentlichen so aufgebaut, wie die Ionenquelle gemäß US-Patentanmeldung Serial No.374 847 vom 4.Mai 1982, die im Namen der gleichen Erfinder und des gleichen

Anmelders eingereicht wurde»

Pig« 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer negativen Ionenquelle 10. Das hohle Innere eines zylindrischen, aus rostfreiem Stahl bestehenden Gefäßes 12 besitzt einen Durchmesser von 20 cm und eine Länge längs einer Achse 13 von 24 cm, wobei darinnen eine Kammer 14 zum Enthalt ionisierten Wasserstoffs gebildet ist. Ein Ende des Gefäßes 12 ist durch ein Endflanschglied 15 verschlossen, und zwar mit einer daran befestigten Kupferendplatte 16. Wasserstoffgasmoleküle werden in die Kammer 14 durch einen Durchlaß 18, ausgebildet in der Endplatte, injiziert oder eingegeben. Ein gepulstes Gasventil 20 wird betätigt, um Wasserstoffgas aus einer nicht gezeigten Quelle in die Kammer freizugeben, und zwar unmittelbar vor der Ionisation des Gases. In diesem Ausführungsbeispiel werden die Wasserstoffmoleküle und Atome durch eine Entladung von Hochenergieelektronen ionisiert, d.h. Elektronen mit Energien von annähernd 80 eV. Eine Vielzahl von wassergekühlten Wolframfadenanordnungen 30 dienen als Mittel zur Entladung oder Emission dieser Hochenergie 80 eV Elektronen zur Ionisierung der Wasserstoffmoleküle und Atome. Die Heizvorrichtungen für die Wolframfäden 32 werden von einer 8 V, 1000 A Fadenheizversorgung 34 beliefert. Eine 80 V, 700 A Elektronenentladungsleistungsversorgung 36 ist mit ihrer negativen Klemme mit jeder der Fadenanordnungen 30 verbunden, und die positive Klemme liegt an dem leitenden Kupfergefäß 12. Die Fäden 32 sind die Kathoden, und das Gefäß 12 ist die Anode für dieElektronenentladung.

Eine Vielzahl von mit Abstand angeordneten Samariumkobalt-Permanentmagneten 40 mit einer Feldstärke von 3.6 kG sind in Nuten an der Außenseite des aus rostfreiem Stahl bestehenden Gefäßes 12 und der Kupferendplatte 16 befestigt. Die Magnete sind in Anordnungen vorgesehen, in denen die Pole

abwechselnd und innerhalb der Ionisationskammer 14 ein mehrere Kuppen aufweisendes Magnetfeld erzeugen.

Die Fig. 2 und 3 zeigen Einzelheiten für eine Vielzahl von magnetischen Filteranordnungen 50, die ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel von magnetischen Filtermitteln zeigen, welche sich über die Kammer 14 hinweg erstrecken, um Hochenergieelektronen zu reflektieren. Eine Vielzahl von hohlen, 6 mm Durchmesser aufweisenden Kupferrohren 52 mit einem Abstand von 4 -cm angeordnet, erstrecken sich über das Innere des Gefäßes 12. Wie in Fig. 2 gezeigt, erstrecken sich die Rohre 52 durch in der Wand des Gefäßes 12 ausgebildete öffnungen und sind damit hart verlötet, um eine Vakuumdichtung zu bilden. Wie in Fig. 3 gezeigt, sind die Innenwände der hohlen Kupferrohre 52 geräumt, um eine Reihe von gleichen Abstand aufweisenden, sich längs er.-streckenden Ausrichtungsnuten 54 zu bilden, die zur Aufnahme und Befestigung einer Reine von Samariumkobalt-Permanentmagneten 56 an ihrem Platz dienen. Die Permanentmagnete sind jeweils mehrere cm lang und haben quadratischen Querschnitt mit einer Seitenlänge von 3»5 nun. Die Ecken jedes der Permanentmagnete stehen mit den Ausrichtungsnuten 54 in Eingriff und lassen sich längs erstreckende Kühlkanäle 58, benachbart zu jeder Seite eines Permanentmagneten 56, übrig. Ein Kühlströmungsmittel, wie beispielsweise Wasser, wird durch die Kanäle 58 gepumpt, um die Magnete zu kühlen, die dann erhitzt werden, wenn die Plasmateilchen innerhalb des Gefäßes 12 mit den Kupferrohren 52 kollidieren, welche die Permanentmagnete 56 in ihrer Position innerhalb der Ionisationskammer 14 halten.

Die Permanentmagnete 56 in jeder der Anordnungen 50 liefern ein Magnetfeld von 75 Gaus und sind innerhalb der hohlen Kupferrohre 52 derart orientiert, daß benachbarte

Anordnungen entgegengesetzte magnetische Pole aufeinandersuweisend besitzen, wie dies in Fig. 1 dargestellt ist. Figo 4 zeigt eine Darstellung des magnetischen Feldes B als Funktion des Abstands gegenüber der Ebene, in der die magnetischen FiIteranordnungen liegen.

Das durch die magnetischen Filteranordnungen 50 erzeugte Magnetfeld wird derart gewählt, daß es ein starkes magnetisches Feld liefert, und zwar stärker als für eine positive Ionenquelle erforderlich, weil die Elektronen in einer positiven Ionenquelle von Natur aus durch das negative Extraktorpotential abgestoßen werden. Das magnetische Feld unterteilt die Kammer 14 innerhalb des Ionisationsgefäßes 12 in zwei Zonen. Die erste Zone ist eine zwischen Endplatte 16 und den Magnetfilteranordnungen 50 gebildete lonisationszone 60. Die zweite Zone ist eine Extraktionszone 70, und zwar gebildet innerhalb des Gefäßes 12 auf der anderen Seite der magnetischen FiIteranordnungen, und diese Zone enthält Ionen und relativ wenige Hochenergieelektronen.

Die 80 eV Hochenergieelektronen mit relativ hohen Geschwindigkeiten werden innerhalb der Ionisationszone eingeschlossen, weil sie durch das relativ starke Magnetfeld, erzeugt durch die Magnetfeldanordnungen 50, abgelenkt werden. Die eine niedrigere Geschwindigkeit aufweisenden Teilchen jedoch_s wie beispielsweise Ionen und Niederenergielektronen, können durch das Magnetfilter laufen. Es ist nicht vollständig geklärt, warum die eine niedrigere Energie aufweisenden Elektronen hindurchlaufen, es wird aber angenommen, daß die positiven Ionen sie durchziehen, wenn die positiven Ionen durch das Magnetfeld driften. Man erkennt somit, daß die Hinderung der positiven Ionen am Hindurchgang durch das Magnetfeld auch verhindert, daß die eine niedrige Energie aufweisenden Elektroden dasselbe tun.

Wie in Fig. 1 gezeigt, erstreckt sich die Extraktionszone zwischen dem Magnetfeld, vorgesehen durch die Magnetfilteranordnungen 50, und einem Ionenextraktionssystem 72. Eine Plasmagitteranordnung 74 ist an dem Ende des Gefäßes 12 befestigt und elektrisch demgegenüber mit dem Isolator 75 isoliert. Die Plasmagitteranordnung weist eine Vielzahl von mit Abstand angeordneten leitenden Gittergliedern 76 auf, und zwar positioniert benachbart zur Ionenextraktionszone 70. Die Extraktorgitteranordnung 80 des Ionenextraktiongssystems 72 weist eine Vielzahl von mit Abstand angeordneten leitenden Extraktorgittergliedern 82 auf, und zwar positioniert entgegengesetzt zur Ionenextraktionszone des Gefäßes 12, wie in Fig. 1 gezeigt.

Eine Öffnungs- oder Aperturmaskierplatte 90 ist, wie in Fig. 5 gezeigt, am Ende des Gefäßes 12 benachbart zur Extraktionszone 70 angeordnet. Die Maskierplatte 90 besitzt eine hindurch ausgebildete Öffnung 92, welche die Querschnittsfläche des Ionenausgangsstrahls von der Ionenquelle 10 steuert.

Fig. 6 zeigt die Öffnungsmaskierplatte 90 und die Plasmagitterelemente 76 elektrisch miteinander verbunden. Die Plasmagitterelemente 76 sind wassergekühlt, und zwar über die Sammelleitungen 77, verbunden mit dem Einlaßrohr 78 in der gezeigten Weise. In ähnlicher Weise ist das Extraktorgitterglied 82 wassergekühlt, und zwar unter Verwendung der mit Einlaßrohr 84 verbundenen Sammelleitungen 83. Die Plasmagitteranordnung 74 und die Extraktorgitteranordnung 80 sind elektrisch voneinander durch Isolator 96 isoliert.

Die Plasmagitteranordnung 74 ist etwas positiver als das Gefäß 12 vorgespannt, d.h. auf annähernd 4 V, und zwar durch eine Plasmagittervorspannungsversorgung 102, wie sie in Fig. 1 gezeigt ist. Diese geringe positive Spannung am

Ay-

Plasmagitter spannt das Plasma in der Extraktionszone 70 positiver vor,als die Plasmapotentiale zwischen der Ionisationszone 60 und der Extraktionszone 70 abnehmen. Infolge dieser Verminderung des Plasmapotentialdifferentials werden positive Ionen daran gehindert, die Ionisationszone 60 zu verlassen und das Magnetfeld zu kreuzen, welches durch die Magnetfilteranordnungen 50 vorgesehen ist, um so in die Extraktionsζone 70 zu gelangen. Das Magnetfilter verhindert den Durchgang der Hochenergieelektronen von der Ionisationszone zur Extraktionszone. Das Magnetfilter verhindert jedoch nicht den Durchgang der eine niedrige Energie aufweisenden Elektronen von der Ionisationszone 60 in die Extraktionszone 70. Da die Elektronen eine negative Ladung besitzen, und da das Extraktionspotential, vorgesehen durch die Extraktorgitteranordnung 80 in der Größenordnung von tausenden von Volt positiv bezüglich der Extraktionszone 70 ist, werden jedwede Elektronen in der Extraktionsζone 70 in den Ausgangsfluß gezogen, was, wie zuvor erwähnt, einen schwerwiegenden Leistungsabfluß schafft und große Mengen an Röntgenstrahlen erzeugt, und zwar für große Zahlen an Elektronen, die in das Ionenbeschleunigungssystem gezogen werden. Obwohl es noch nicht vollständig erklärt ist, wie die eine niedrige Energie aufweisenden Elektronen das Magnetfilter durchdringen, wurde festgestellt, daß die Dichte der Elektronen in der Extraktionszone 70,und infolgedessen die Anzahl der extrahierten Ionen eng in Beziehung steht mit der Anzahl der positiven Ionen₉ die durch das Magnetfilter laufen.

Fig. 8a zeigt eine graphische Darstellung der Langmuir-Sondenmessungen für Wasserstoff bei einer 80V, 1 A - Entladung und einem tatsächlichen Druck von 1,5 x 10 ^Torr; die Messungen wurden mit der Langmuir-Sonde, angeordnet in der Mitte der Ionisationszone 60, vorgenommen. Die

graphische Darstellung zeigt Sondenstrom und Spannungen für feste Vorspannungen V^ zwischen Plasmagitter 74 und Gefäß 12. Der obere Bruchpunkt jeder Kurve gibt das Plasmapotential an, welches ersichtlich zwischen annähernd 4 bis 5 V für V^ zwischen 0 und 10 V liegt. Fig. 8b zeigt die Langmuir-Sondenmessungen für die gleiche Anordnung wie in Fig. 8a, wobei die Messungen for dem Plasmagitter 74 innerhalb der Extraktionszone 80 für den gleichen Bereich von V, vorgenommen wurden. Wenn keine Vorspannung am Plasmagitter liegt, d.h. dann, wenn V^ gleich Null ist, so ist das Potential der Ionisationszone 60 annähernd 1,5V positiver als das Potential der Extraktionszone 70. Dieser Potentialgradient hat die Tendenz, positive Ionen von der Ionisationszone 60 weg in die Extraktionsζone 70 zu treiben, wobei Elektronen von diesen mitgenommen werden. Der Potentialgradient hindert auch negative Ionen am Hineinlaufen in die Extraktionszone 70 und beschleunigt sogar negative Ionen, die in der Extraktionszone durch Prozesse erzeugt werden, wie beispielsweise die dissoziative Anlagerung schwingungsmäßig angeregter Wasserstoffmoleküle zurück in die Ionisationszone 60.

Aus den Fig. 8a und 8b erkennt man, daß dann, wenn V^ erhöht wird, daß Differentialplasmapotential (Differenzplasmapotential) zwischen den Ionisations- und Extraktionszonen abnimmt. Infolgedessen wird es schwieriger für die positiven Ionen,und infolgedessen für die eine niedrige Energie aufweisenden Elektronen,in die Extraktionsζone 70 einzutreten. Demzufolge werden der extrahierte positive Ionenstrom I⁺ und der extrahierte Elektronenstrom I vermindert.

Die Ergebnisse der Experimente sind in den Fig. 9a, 9b und 9c gezeigt. In diesem Falle war die Öffnung 92 in der Maskierplatte 90 auf einen kleinen 0,15 cm χ 1,3 cm Recht-

eck-Extraktionsschlitz für genaue Messungen herabmaskiert. Fig. 9a ist eine Darstellung des extrahierten Wasserstoff-negativen Ionenstroms I~ als Funktion von V- der Vorspannung am Plasmagitter 74. Fig. 9b stellt den extrahierten Elektronenstrom I dar. Fig. 9c zeigt den ex-

^e .
tränierten positiven Ionenstrom I , wenn die Polarität

der Extraktorleistungsversorgung 102 umgekehrt ist.

Ein negatives 1000 V Potential wurde an das Gefäß 12 bezüglich Erde angelegt. Der dadurch extrahierte Strahl wurde durch zwei diagnostische Verfahren analysiert. Das erste verwendete daignostische Verfahren benutzte ein kompaktes magnetisches Deflektionsmassenspektrometer, welches unmittelbar außerhalb des Extraktors angeordnet war. Diese Diagnose wurde zur relativen Messung des extrahierten H"Ions und auch für die Analyse der extrahierten Ionenspecies oder Ionenarten. Dieses diagnostische Verfahren liefert jedoch relative Messungen und kann nicht die exakten Werte von H~ oder dem Elektronenstrom im extrahierten Strahl liefern. Das zweite verwendete diagnostische Verfahren ist ein Permanentmagnetmassenseparator,der unmittelbar hinter Extraktor und Anordnung 80 angeordnet war. Dieses Verfahren verwendet eine Faraday¹sehe Schale, um den extrahierten negativen Ionenstrom I" und den Elektronenstrom I zu messen. Elektronen wurden auf einen Graphitkollektor durch das schwache Magnetfeld, erzeugt durch ein Paar dünner Keramikmagnete abgelenkt. Die negativen Ionen, die nur leicht durch das schwache Magnetfeld beeinflußt wurden, liefern in die Faraday'sehe Schale. Ein kleines positives Vorspannungspotential an der Schale wurde dazu verwendet, um die Sekundärelektronen zu unterdrücken. Mit dieser Anordnung war es möglich, daß Verhältnis des extrahierten H~ Ionenstroms zum Elektronenstrom und auch die extrahierte Ef Ionenstromdichte für verschiedene Betriebsbedingungen zu messen. Für einen ionisieren-

Elektronenentaldestrom von 1 A wird die Dichte des extrahierten negativen Ionenstroms für die negative Quelle 10 auf 0,12 mA/cm geschätzt, wobei weitere Anstiege durch die Optimierung der Magnetfeldergeometrie und des ExtraktionsSpannungspegels erhältlich sind.

Fig. 9a zeigt, daß bei Verwendung des Magnetfilters 50 mit Samariumkobaltmagneten 56 für V, = 0 ein extrahierter negativer negativer Ionenstrom von 12 y-k erhalten wurde. Fig. 9a zeigt, daß dann, wenn V^ erhöht wird, negativere Ionen I" extrahiert werden können, weil in der Ionisationszone 60 gebildete negative Ionen das Magnetfilter kreuzen können,und weil diese in der Extraktionszone 70 erzeugten negativen Ionen nicht nach hinten in die Ionisationszone 60 beschleunigt werden. Anstiege hinsichtlich V^ über ungefähr 4 V zeigen eine Abnahme des negativen Ionenstroms.

Die Fig. 9b und 9c zeigen, daß dann, wenn V^ über 4 V erhöht wird, keine weiteren Verminderungen bei den Elektronenströmen oder positiven Ionen beobachtet werden. Für V, = 0 ist der extrahierte Elektronenstrom I_ß ungefähr 11,5 mA und für ansteigendes V^ fällt I_e auf ungefähr 2,8 mA bei V, = 2,5 V ab. Demgemäß wird durch Verwendung relativ starker Samariumkobaltmagnete 52 und Einstellung von V_b = 0 V das Verhältnis I"/I_e auf 1/120 verbessert.

Die Fig. 9a und 9b zeigen, daß ohne die Magnetfelder 50 und bei V, = 0 ein negativer Ionenstrom von annähernd 2 uA aus der Quelle mit einem Entladestrom von 1 A, wie in Fig. 9a gezeigt, extrahiert wurde. Diese negative Ionenextraktion war jedoch von einem ungefähr 17 mA betragenden Elektronenstrom, wie in Fig. 9b gezeigt, be- * gleitet. Somit ist das Verhältnis aus dem extrahierten negativen Ionenstrom zum Elektronenstrom 1/9000. Wenn die Polarität der Extraktionsleistungsversorgung umgekehrt

wurde, so wurden 245 Uk an positivem Wasserstoffionenstrom für den gleichen Entladungsstrom und die gleiche Extraktionsspannung ohne Magnetfilter 50 gemessen, wie dies in Fig. 9c dargestellt ist. Daher beträgt das Verhältnis von 1"/I⁺ annähernd 1/120.

Um negative Ionen aus der Quelle 10 zu extrahieren, ist das Extraktorgitter 80 positiv "bezüglich des Gefäßes 12 vorgespannt. Im Ausführungsbeispiel der Erfindung gemäß Fig. 1 wird diese positive Vorspannung durch Erdung des Extraktionsgitters 80 erreicht und durch Anlegen einer großen negativen Extraktorspannung zwischen dem Gefäß und Erde unter Verwendung der Extraktorvorspannungsversorgung 106, wie dies in Fig. 1 gezeigt ist. Für die obigen Messungen betrug die Extraktorspannung annähernd 1000 V, aber die Extraktorspannung kann im Bereich von 1 bis 10 000 V liegen. Zusätzliche (nicht gezeigte) Beschleunigungsstufen beschleunigen dann die aus der Ionenquelle extrahierten negativen Ionen auf Spannungen bis hinauf zu 1 MV. Wenn Laserstrahlen zur Neutralisierung der negativen Wasserstoffionen verwendet werden, so kann das Extraktorgitter 80 mit einer hohen positiven Spannung verbunden werden,und das Gefäß 12 wird geerdet.

Fig. 7a zeigt einen Querschnitt durch ein Plasmagitterglied 76, welches ein hohles dreieckiges Rohr mit einem darinnen angeordneten Permanentmagneten 110 ist. Der Permanentmagnet ist ein Teil von zusätzlichen Mitteln zur Unterdrückung der Elektronen aus dem Fluß negativer Ionen, erzeugt durch den Extraktor. Die Permanentmagnete 110 sind keramischer Natur und besitzen Seitenabmessungen von 0,2 und 0,25 cm und Längen von 3»0 cm. Eine Reihe von Permanentmagneten 110 ist innerhalb der leitenden rohrförmigen Plasmagitterglieder 76 positioniert, wobei die Abstände zwischen den Stirnflächen der Magnete und den.

Innenoberflächen der dreieckigen Gitterglieder 76 Durchlässe 112 für Kühlwasser bilden. Fig. 7b zeigt eine alternative Konfiguration für das Gitterglied 76. Ein Plasmagitterglied 116 wird aus leitendem Alnico-5-Material hergestellt und permanent magnetisiert. Die Plasmagitterglieder 76 und die Extraktorgitterglieder 82 sind hohl, um Durchlässe für Wasser vorzusehen, um so diese Glieder zu kühlen, wenn sie mit geladenen Teilchen bombardiert werden, die aus der Quelle extrahiert werden.

Das maximale B-Feld,erzeugt durch die Keramikmagnete 110, beträgt ungefähr 350 G, und zwar schnell abfallend innerhalb von 0,5 cm. Für eine Extraktionsspannung von 1000 V nimmt ein das Plasmagitter erreichendes Elektron eine Energie von 500 eV an. Das elektrische Feld des Extraktors und das B-Feld der Keramikmagnete 110 bewirkt eine ExB-Drift dieser 500 eV Elektronen von dem Extraktor weg, und zwar in einer zykloidalen Bewegung. Die wesentlich schwereren negativen Wasserstoffionen laufen mit geringem Effekt hindurch.

Fig, <i.eigt die extrahierten negativen Ionen und Elektronensträme als eine Funktion von V-, unter Verwendung der ExB-Elektronenunterdrückungsmittel. Fig. 10 zeigt, daß es keine signifikante Änderung beim negativen Ionenstrom dann gibt, wenn das Plasmagitter 74 mit 2,5 V vorgespannt ist. Vervendet man jedoch die ExB-Unterdrückungsmittel, so iäilt der "" ,.troneustrom durch einen Faktor von nahezu fO ab. "Vr? zusätzliche Elektronenunterdrückung wird da- »urci =.. xalxen, daß man einen kleinen Draht bezüglich des Plasmagi.tters anordnet, und zwar am einen Ende der Extraktionsöffnung „ um die driftenden Elektronen zu sammeln. Ein Verhältnis aus negativen Ionen zu Elektronen von nahezu eins wird dadurch erhalten.

Die vorstehende Beschreibung von Ausführungsbeispielen ist nicht einschränkend zu verstehen. Zusammenfassend sieht die Erfindung folgendes vor:

Ein Ionisationsgefäß ist in eine Ionisationszone und eine Extraktionszone durch ein magnetisches Filter unterteilt. Das magnetische Filter verhindert, daß Hochenergieelektronen aus der Ionisationszone in die Extraktionszone überwechseln. Eine kleine positive Spannung, aufgeprägt einem Plasmagitter, angeordnet benachbart zu einem Extraktionsgitter, spannt das Plasma in der Extraktionszone positiv vor, um dadurch zu verhindern, daß positive Ionen von der Ionisationszone in die Extraktionszone wandern. Eine niedrige Energie aufweisende Elektronen, die üblicherweise durch die positiven Ionen in die Extraktionszone gezogen würden, werden dadurch daran gehindert, in der Extraktionszone vorhanden zu sein,und sie werden zusammen mit den negativen Ionen durch das Extraktionsgitter extrahiert. Zusätzliche Elektronen werden aus dem Ausgangsfluß heraus unterdrückt, und zwar durch Verwendung einer ExB-Drift, vorgesehen durch Permanentmagnete und das elektrische Extraktorgitterfeld.

Leerseite

Claims

Ansprüche

Eine negative Ionenquelle zur Ionisierung neutraler Moleküle und Atome,gekennzeichnet durch

ein Gefäß mit einer darinnen ausgebildeten Kammer, wobei ein Teil des Gefäßes eine Anode für eine Elektronenentladung bildet,

Entladungsmittel zur Emission von eine hohe Energie besitzenden Ionisationselektronen, die die neutralen Moleküle und Atome ionisieren,

Magnetfiltermittel, die sich über die Kammer erstrecken, um eine hohe Energie aufweisende Elektronen zu reflektieren, während sie gestatten, daß Ionen hindurchlaufen, wobei die Magnetfiltermittel die Kammer in eine Ionisationszone und eine Extraktionszone unterteilen, wobei die Ionisationszone ionisierte Teilchen, gebildet durch die Ionisationsmittel, und Elektronen enthält, während die Extraktionsζone Ionen und relativ wenige Hochenergieelektronen enthält,

Extraktormittel, gekoppelt mit der Extraktionszone und positiv vorgespannt, um ein elektrisches Feld zu erzeugen zum Herausziehen negativer Ionen aus der Kammer, und ein benachbart zur Extraktionszone angeordnetes Plasmagitter, welches etwas positiv bezüglich der Anode vorgespannt ist, um das Plasmapotential in der Extraktionszone zu erhöhen und die positiven Ionen von der Extraktionszone zurückzustoßen, um auf diese Weise die Anzahl der eine niedrige Energie aufweisende Elektronen, vorhanden in der Extrakt ions ζ one, zu vermindern mit dem -Er-

gebnis, daß Elektronen aus dem Ausgangsfluß der negativen Ionen von der Ionenquelle unterdrückt werden.
2. Ionenquelle nach Anspruch 1, mit Mitteln, angeordnet benachbart zur Extraktionszone zur Ablenkung der Elektronen aus dem Fluß negativer Ionen erzeugt durch die Extraktormittel.
3. Ionenquelle nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Mittel zur Ablenkung der Elektronen Mittel aufweisen, um ein Magnetfeld vorzusehen, welches bezüglich des elektrischen, durch die Extraktormittel vorgesehenen Feldes ausgerichtet ist, um für die Elektronen eine ExB-Drift vorzusehen.
4. Ionenquelle nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere Anspruch 3, wobei die Mittel zur Erzeugung eines Magnetfeldes Permanentmagnete aufweisen, die benachbart zu den Extraktormitteln angeordnet sind.
5. Ionenquelle nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetfiltermittel Mittel aufweisen, um ein Magnetfeld quer zur Richtung der von der Ionisationszone zur Extraktionszone laufenden Ionen zu erzeugen.
6. Ionenquelle nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Erzeugung eines transversalen Magnetfeldes Permanentmagnete, angeordnet innerhalb der Kammer, aufweisen.
7. Ionenquelle nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vielzahl von Permanentmagneten um das Äußere des Gefäßes herum mit einer darinnen ausgebildeten Kammer angeordnet sind, um so mehrere Kuppen aufweisende Magnetfelder innerhalb der Kammer zu erzeugen, um so die Ionen von der Kontaktierung des Gefäßes abzustoßen.
8. Ionenquelle nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Moleküle und Atome Wasserstoff sind»
9. Negative Ionenquelle nach einem' oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gefäßwand die Anode für die Elektronenentladung bildet.
10. Verfahren zur Verminderung unerwünschter Elektronen in einem negativen Ionenquellenausgangsfluß, gekennzeichnet durch folgende Schritte: Ionisierung neutraler Teilchen durch Entladung von Hochenergieelektronen in einer Ionisationszone einer Ionisationskammer, gebildet in einem Gefäß, Reflektion der Hochenergieelektronen mit einem Magnetfilter zur Verhinderung,daß diese Elektronen in eine Extraktionszone der Kammer eintreten, Extraktion der negativen Ionen aus der Extraktionszone mit einer Extraktorspannung zur Erzeugung eines negativen Ionenausgangsflußes, und Vorsehen einer geringen positiven Vorspannung an einer Plasmaelektrode, angeordnet nahe der Extraktionszone, so daß die Extraktionszone ein erhöhtes Plasmapotential besitzt, welches verhindert, daß die

positiven Ionen und die begleitenden, eine niedrige Energie aufweisenden Elektronen in der Extraktionszone vorhanden sind, und wobei dadurch verhindert wird, daß diese eine niedrige Energie aufweisenden Elektronen in dem Ionenquellenausgangsfluß vorhanden sind.