DE7228091U

DE7228091U - Ionenquelle mit hochfrequenz-hohlraumresonator

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Publication number: DE7228091U
Application number: DE19727228091U
Authority: DE
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 1971-07-29
Filing date: 1972-07-28
Publication date: 1973-09-20
Also published as: GB1352654A; DE2237252A1; US3778656A; FR2147497A5

Description

Patentan-.vSVca
Dpi-in--. F. a.rr-z aerj

Dr.-lng. R. B £ £ Γ Z Jr.
eMBn.hen22, Steinedorfetr. 1·

410-19.1*»J5P(19.1'»4H) 28. 7. 1972

Commissariat A !'Energie Atomique. Paris (Frankreich)

Ionenquelle mit Hochfrequenz-Kohlraumrssonator

Die Erfindung bezieht sich auf eine Ionenquelle mit einem hochfrequenten Hohlraumresonator, insbesondere für Teilchenbeschleuniger.

Die in Beschleunigern verwendeten Ionenquellen müssen bestimmte Eigenschaften aufweisen, insbesondere;

Anpassungsfähigkeit der Energie- und Intensitätsregelung,

Reproduzierbarkeit der Ergebnisse,

lange Lebensdauer, und

Möglichkeit, eine große Ionendichte zu erhalten.

o-r (9)

Die bekannten Ionenquellen haben eine gewisse Anzahl dieser Eigenschaften, aber keine besitzt alle diese Eigenschaften· 5o haben die lonenqueiien des Typs "Duoplasmatron¹¹ wegen der in das Plasma eingetauchten Elektroden keine sehr große Lebensdauer, wobei diese Elektroden, insbesondere die Kathode, wegen des starken Beschüsses, der sie ausgesetzt sind, eine begrenzte Lebensdauer haben.

Die Hochfrequenzentladungequellen im unteren hochfrequenten Bereich, die zwischen 20 und 100 MHz arbeiten, vermeiden diesen Nachteil, aber die Elektronendichte des erzeugten Plasmas bleibt gering.

Es sind auch Plasmaquellen bekannt, die einen hochfrequenten Hohlraumresonator verwenden. In einigen dieser Vorrichtungen ist die Wechselwirkung zwischen der hochfrequenten Welle und dem Plasma beträchtlich durch ein statisches magnetisches Feld erhöht, wie auch immer die Bedingungen für die Elektronenzyklο tronre s onanz erfüllt sind.

Diese Plasmaquellen mit einem hochfrequenten Hohlraumresonator und einer Zyklotronresonanz führen zu dichten Plasmen, sind aber nicht mit Einrichtungen ausgestattet, um entsprechende Ionen zu gewinnen.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Ionenquelle anzugeben, die einerseits eine Plasmaquelle mit einer hochfrequenten Erregung bei der Zyklotronresonanz und andererseits Abzieh- oder Extraktionseinrichtungen umfaßt, die von der Art sind, wie sie in einem Duoplasmatron verwendet werden, die aber besonders der verwendeten Plasmaquelle angepaßt sind.

Die erfindungsgemäße Ionenquelle ist gekennzeichnet durch eine Plaamaquelle mit einem Hohlraum, der entsprechend einer seiner RestmanzweiIen uitrehochfroqueiit enegi, ist, und mit einem statischen Magnetfeld, das auf die Eiek» tronenzyklotronresonanz eingestellt ist, und eine Extraktions einrichtung für die Ionen des Plasmas mit einer Ausdehnungsschale, die mit einer Öffnung versehen ist, die mit dem Hohlraum in Verbindung steht, und mit Elektroden für den Abzug von Ionen, die auf geeigneten Potentialen liegen, wobei die Plasmadichte in der Nähe der Öffnung am größten und das statische Magnetfeld in der Nähe der Abziehelektroden im wesentlichen Null ist.

Die erfindungsgemäße Ionenquelle besitzt demgemäß alle die oben genannten Eigenschaften und stellt somit einen beträchtlichen "technischen Fortschritt gegenüber- bekannten Quellen dar.

Eine Weiterbildung der Erfindung besteht darin, daß das statische Magnetfeld den der Zyklotronresonanz entsprechenden Wert nur in der Nähe der Öffnung der Ausdehnungsschale annimmt.

In einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß in der Nähe der Öffnung ein starker Gradient des statischen Magnetfeldes besteht.

Schließlich äußert sich eine andere Weiterbildung der Erfindung dadurch, daß die Ausdehnungsschale aus einem Metall mit einer schwachen Reluktanz besteht und eine magnetische Abschirmung für das statische Magnetfeld bildet.

7228#912&9.73

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine ultrahochfrequente Bank zur Erregung der Ionenquelle;

Pig. 2 eine Ionenquelle mit einem drehzylindrischen Hohlraumresonator, in dem das Plasma in einem dielektrischen Zylinder begrenzt ist;

Fig. 3 ein Kurvendiagramm, das die Beziehungen zwischen der Höhe und dem Radius des zylinderförmigen Hohlraumresonators für verschiedene Erregungswellentypen angibt;

Fig. k die elektrischen Feldlinien und die Verteilung der Amplituden dieses Feldes für die Wellentypen TE_1n und TE₁₂₂;

Fig. 5 die ^T.7ellentypen TE_Q11 und TE_Q22;

Fig. 6 eine andere Ausführungsform der Erfindung mit

einem stumpfen koaxialen Hohlraumresonator, der durch einen TEM-Wellentyp erregt wird.

Unter "hochfrequent" wird im folgenden insbesondere der höchstfrequente Bereich der Hochfrequenzen verstanden.

In der Fig. 1 erregt ein Hochfrequenzgenerator 1 eine erfinduagsgemäße Ionenquelle 2 über eine dazwischengeschaltete hochfrequente Bank aus einem einstellbaren Dämpfungsglied 3» einem Richtungskoppler 4, einem Anpassungsglied 5»

einem Stempel 6, einer Koaxialleitung 7 und einer Erregerantenne 9.

Durch eine nicht dargestellte Pumpeinrichtung ist es möglich, im Hohlraum über eine Leitung 21 ein Vakuum herzustellen.

Diese Vorrichtung für eine hochfrequente Erregung arbeitet wie folgt:

Der Generator 1 enthält eine Hochfrequenzquelle, beispielsweise eine Magnetfeldröhre, die das elektromagnetische Feld für die Erregung liefert. Über das Dämpfungsglied 3 ist es möglich, die Leistung der in die Vorrichtung eingespeisten Welle zu verändern. Man verändert die Stellung des Stempels 6 und des Anpassungsgliedes 5» um die beste Anpassung für den Hohlraum der Quelle 2 zu haben. Eine Fehlanpassung wird über den Richtungskoppler h gemessen, der einen Teil der durch den Hohlraum reflektierten Welle zum Generator abgreift.

Die Ionenquelle 2 wird näher anhand der Fig. 2 in einem Ausführungsbeispiel beschrieben. In der Fig. 2 bildet ein Zylinder 11 die Seitenwand des Hochfrequenz-Hohlraumresonators, der durch eine Koaxialleitung 7 erregt wird, die mit einer Antenne 9 endet. Über eine Abstimmschraube 12 ist es möglich, leicht die Resonanzfrequenz des Hohlraumes zu verändern. Über ein Anschlußstück 13 ist es möglich, das zu ionisierende Gas in einen dielektrischen und dichten Zylinder 14 einzuführen, der mit dem Zylinder 11 koaxial ist. Ringförmige Dichtungen 15 und 16 gewährleisten die Dichtheit des abgeschlossenen Innenraumes des Zylinders in

bezug auf den Rest des Zylinders 11· Ein Deckel 42 schließt den Hohlraum nach oben ab. Eine Ausdehnungsschale 17, die auf den Mantel des Zylinders 11 geschraubt ist, vervollständigt den Resonanzhohlraum 50. Sie begrenzt eine Ausdehnungskammer 40, die mit dem Zylinder 14 über eine Öffnung 41 in Verbindung steht. Es ist nur eine der Abziehoder Extraktioneelektroden dargestellt. Diese Elektrode ist in bezug auf die Ausdehnungsechale 17 über eine Spannungsquelle S negativ gepolt, wobei die Ausdehnungsschale

■ / ClVl₁L UAUyVVQUVARJ. .1..1.VQV** AtM***. W£?W^W** I^ \ΛΛ*\Λ *» V , UXQ V WAA

einem elektrischen Gleichstrom durchflossen werden, erzeugen ein statisches Magnetfeld, das parallel ist zur Drehachse des Hohlraumzylinders 11. Die gesamte Vorrichtung ist auf einem Zylinder 21 befestigt. Die Dichtheit gegenüber dem Außenraum wird durch eine ringförmige Dichtung gewährleistet.

Diese Vorrichtung arbeitet wie folgts

Das hochfrequente Erregungsfeld pflanzt sich in der Koaxialleitung 7 fort und erregt den Resonanzhohlraum 50 über die Antenne 9· Die Form und der Ort dieser Antenne begünstigen die Erregung des Hohlraumes mit einem transversalen elektrischen Wellentyp, der allgemein mit TE bezeichnet wird und der dadurch charakterisiert ist, daß das elektrische Feld in einer Querschnittsebene des Hohlraumes liegt, Die Auswahl und die Art der Resonanzwellen werden weiter unten näher erläutert.

Das zu ionisierende Gas wird über die Öffnung 13 eingeführt. Es dringt bei diesem Ausführungsbeispiel der Erfindung in das Innere des dielektrischen Zylinder? 14 ein

und wird teilweise unter der Wirkung des elektrischen Feldes der hochfrequenten Welle und unter der Wirkung des statischen Magnetfeldes ionisiert„ dessen Amplitude so eingestellt wird, daß die Zyklotronfrequenz in der Nähe der Frequenz des hochfrequenten Feldes liegt. Die Spulen 19 und 20 werden nicht notwendigerweise durch gleiche Ströme durchflossen. In einer vorteilhaften Ausführungsfurm werden sie durch sehr unterschiedliche Ströme durchflossen, so daß das statische Magnetfeld nur in der unteren Zone des Zylinders 14 in der Nähe der Öffnung 4i der Ausdehnungsschale 17 der Zyklotronresonanz entspricht. Damit liegt diese Öffnung in unmittelbarer Nähe des Bereiches, in dem die Dichte des Plasmas am- größten ist, wodurch die Diffusion in die Ausdehnungskammer begünstigt wird.

In einer anderen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Ionenquelle ist das durch die Spulen 19 und 20 erzeugte statische Magnetfeld sehr schwach, insbesondere null, in dem Bereich, der in der Nähe der Abziehelektrode 18 liegt, um zu vermeiden, daß dieses Feld den Abzug oder die Extraktion der Ionen stört. Dies ist möglich, wenn die Schale 17 aus einem Metall mit einer schwachen Reluktanz besteht, beispielsweise aus Weicheisen, um eine magnetische Blende zu bilden. Der schnelle Abfall der Amplitude des statischen Magnetfeldes beim Durchgang durch die Öffnung 41 ruft demgemäß an dieser Stelle einen starken Gradienten des Magnetfeldes hervor, der des Plasma beschleunigt und seine Expansion in die Kammer kO erleichtert.

Diese Expansion wird von einer Verringerung der Plasmadichte, also einer Verringerung der Raumladung begleitet, die gewöhnlich die Ionenströme begrenzt, die herausgezogen

werden können. Die Elektrode 18, die an einem starken negativen Potential liegt, erlaubt mit einem klassischen Verfahren die Trennung zwischen den Elektroden und den Ionen. Die Form und das Potential dieser Elektrode sind so, daß die Ionen gegen einen Raum geführt werden, der durch das Rohr 21 begrenzt list, in dessen Innerem nicht dargestellte Pumpen ein Vakuum aufrechterhalten.

Die Abmessungen des drehzylindrischen Hohlraumes können wie folgt beschrieben bestimmt verd»/?.!

Im Ausführungsbeispiel der Fig. 2 ist das Magnetfeld parallel zur Achse des Hohlraumes. Um die auf diesem Feld beruhende Zyklotronresonanz auszunutzen, ist es erforderlich, daß das elektrische Feld der in dem Hohlraum enthaltenen hochfrequenten Welle eine zum Magnetfeld senkrechte Komponente aufweist. Man bevorzugt daher transversale elektrische Resonanzwellen, die so ausgebildet sind, daß das elektrische Feld in der Ebene eines Querschnittes ließt. Genauer ausgedrückt macht eine Komponente des elektrischen Feldes, die parallel zur Achse des Hohlraumes ist, wie sie für eine transversale magnetische Welle gefunden wird, die Vorrichtung nicht unwirksam, sondern begrenzt nur deren Wirkungsgrad. Man ist daher bestrebt, den Hohlraum mit einem TE-Wellentyp zu erregen, der allgemein mit TE be-

mnp

zeichnet wird, wobei die Indizes m, η, ρ die Feldverteilung nach den üblichen Zylinderkoordinaten Θ, r, ζ beschreiben und ζ die Achse des Hohlraumes ist.

Um keine zu großen Dimensionen zu haben, begrenzt man die Wahl der Indizes m, η und j auf die kleinen Werte 0,1 oder 2. Für eine gegebene Generatorfrequenz ist die Höhe h

7228O912O.».73

des Hohlraumes mit seinem Radius a über klassische Beziehungen der Hochfrequenz-Hohlraumresonatortheorie verknüpft. In der Fig. 3 sind Aus f'ührungs formen für vier Wellen und

IUr öinö i^: jf oCj/iiöiü ν Oil lü vi-riZ udrgeätexxto ο öüö üiöaox' äui-

ven besitzt eine senkrechte Asymptote,die einen minimalen

Radius a bestimmt. Wenn für den Radius des Hohlraumes min

ein Wert in der Nähe von a . gewählt wird, dann werden keimin

ne darüberliegenden Wellen erregt. Wenn insbesondere für a ein Wert etwas unter a (für einen TE...-Wellentyp, der bei 10 GHz 8,8 beträgt) gewählt wird, dann kann nur ein TE -Wellentyp unter Ausschluß von übrigen Wellentypen erregt werden.

Die Wahl der Erregungsvorrichtung des Hohlraumes ist mit dem gesuchten Wellentyp verknüpft. Eine Antenne (Fig. 2), die durch die Verlängerung des mittleren Leiters 9 der

Tf na Yi öl T *a -ί +ηησ 7 cpäT\4 1 /1 a +· t.t-4 y^ri ja ^-tv* α rr4- /Ί-ϊα VaI 1 av^ 4-·« *·»■***-^

deren elektrisches Feld eine Komponente senkrecht zur Antenne besitzt (beispielsweise einen TE -Typ). Wenn der mittlere Leiter mit einer Schleift in der Ebene des Querschnittes endet, dann haben die erregten Wellentypen ein magnetisches Feld, das eine Komponente besitzt, das senkrecht zur Ebene der Schleife ist (beispielsweise TE_n- und TE -Typen) . Bei dem anhand der Fig·. 2 beschriebenen Ausführungsbeispiel ist eine Antenne vorgesehen, aber es ist offensichtlich, daß eine Vorrichtung mit einer Schleife für die Kopplung nur eine andere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt. Es kann auch eine Kopplung über ein Loch vorgenommen werden, wobei der Hohlraum dann direkt am Leiter befestigt ist.

Obwohl die Abmessungen oder Dimensionen des Hohlraumes

mit Hilfe der Kurven der Fig. 3 bestimmt sind, kann es zweckmäßig sein, eine Einrichtung zu besitzen, um eine feine Übereinstimmung der Resonanzfrequenz dieses Hohlraumes ϊλλ erzielen. In asr Fig. 2 wird diese Sln-iciitung durch die Abstimmschraube 12 aus Metall gebildet. Ihr Eindringen in den Hohlraum erhöht dessen Resonanzfrequenz und stört die Feldlinien einer Resonanzwelle. Andere Abstimmeinrichtungen können benutzt werden, wie beispielsweise ein beweglicher Deckel. Es ist offensichtlich, daß Vorrichtungen, die andere Abstimmeinrichtungen als eine Schraube benutzen, nicht über den Rahmen der vorliegenden Erfindung hinausgehen.

In den Fig. k und 5 sind einige Beispiele für die elektrische Feldverteilung von den am häufigsten benutzten Resonanzwellen dargestellt. Es ist bekannt, daß die Amplituden der radialen und tangentialsn Komponenten de« elektrischen Feldes des Wellentyps TE Produkte sind von

m,n,p

sinusförmigen Funktionen des Polarwinkels, von sinusförmigen Funktionen der Koordinate ζ und von Besselfunktionen Radiusvektors.

In der Fig. k sind zwei Wellen mit dem Index m = 1 dargestellt. Die Fig. ka. zeigt die Richtungen der elektrischen Feldlinien des TE -Wellentyps und die Fig. ^b die Richtungen der elektrischen Feldlinien des Wellentyps an. In der Fig. ^c sind die Veränderungen der Amplitude in beztig auf elektrische Felder dieser Wellentypen für einen Polarwinkel ψ = 0 und in der Fig. 4d für einen Polarwinkel ψ= Ι dargestellt.

TH

- 11 -

In der lig. 5 sind zwei Wellentypen mit dem Index m = dargestellt. Da der erste Index zu Null gesetzt ist, verschwinden die Veränderungen entsprechend dem Polarwinkel, so daß die elektrischem Feldlinien konzentrische Kreise bilden· Die Veränderungen der tangentialen Komponente dieser Felder sind in der Fig. 5c dargestellt.

Die sinusförmigen Veränderungen der elektrischen Felder dieser vier Wellentypen entlang der Koordinate z, parallel zur Achse, sind in dor Fig. 5d dargestellt.

Diese möglichen unterschiedlichen Verteilungen führen zu verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung:

Wenn ein TE,, _Λ -Wellentyp gewählt wird, dann schneidet

111

der dielektrische Zylinder 14 der Fig. 2 notwendigerweise die elektrischen Feldlinien, Dieser Zylinder führt also zu mehr oder weniger großen Verlusten, die eine Erwärmung des Materials bewirken. Dennoch ist es vorteilhaft, diesen Weltentyp auszuwählen, denn aus den Kurven der Pig. 3 ist ersichtlich, daß für diesen Wellentyp die Abmessungen des Hohlraumes und damit die Abmessungen der Vorrichtung sehr klein sind.

Die im Dielektrikum des Zylinders, der das Plasma begrenzt, abgeführte Energie kann beträchtlich verringert werden, wenn der Radius dieses Zylinders so gewählt wird, daß seine Wände einen Bereich des Hohlraumes belegen, in dem die Amplitude des elektrischen Feldes sehr gering, insbesondere Null, ist. Damit die Amplitude einer Komponente des elektrischen Feldes an einem anderen Punkt als einem Punkt auf den Wänden Null ist, ist es erforderlich, daß die

Besselfunktion, die dio Veränderungen dieser Amplitude in Abhängigkeit vom Radiusvektor r beschreibt, für andere Werte als die trivialen Werte r = 0 oder r = a Null wird, wenn a den Radius des Hohlraumes bezeichnet·. Gemäß einer bekannten Eigenschaft der Besselfunktionen ist es also erforderlich, daß der Index η mindestens gleich zwei beträgt.

Die TE₁₂₂- und TE_₂₂-Wellentypen, deren Verteilungen in den Pig. 4c, kd und 5c dargestellt sind, besitzen diese Eigenschaft. Für den TE₁₂₂-Wellentyp ist das Feld Null für Y= 0 und - = 0,35. Für f = ^ ist das Feld Null für f = 0,72. Ein dielektrischer Zylinder mit einem Radius zwischen 0,35a und 0,72a ist also nur einem sehr schwachen Hochfrequenzfeld unterworfen. Was den TE_QO2-Wellentyp anbelangt, so ist das elektrische Feld Null für — = 0,55 für jeden Polarwin-

SL

keif« Ein dünner dielektrischer Zylinder mit einem Radius r = 0,55a, der koaxial in einem Resonanzhohlraum für den TE_Q22-Wellentyp liegt, bedeutet also überhaupt keinen Hochfrequenzverlust. Mit diesen Vorrichtungen ist es also möglich, das maximale elektrische Feld auszunutzen, um das Plasma zu erzeugen, denn dieses Maximum liegt innerhalb des Zylinders.

Die Verwendung von Resonanzwellen mit Bereichen, in denen das Feld im Hohlraum schwach oder Null ist, um d^e Verluste und die Aufwärmung des Zylinders auf ein Minimum zurückzuführen, beschränkt sich natürlich nicht nur auf die beschriebenen TE ₁₂2"" ^unc* TE_Q22-Wellentypen. ^{Die Verwend}ung von anderen Wellen mit einem Index η ^ 2 bildet daher lediglich eine andere Ausführungsform der Erfindung, ohne deren Rahmen cu verlassen.

Die vom Betrieb der Vorrichtung anhand der Fig. 1 und 2 gegebene Beschreibung nimmt nicht zu den durch die Anwesenheit eines Plasmas im Inneren des Hohlraumes erzeugten Störungen Stellung. Die beiden Hauptstörungen betreffen einerseits die Verwerfung der Resonanzfrequenz des Hohlraumes und andererseits den Abfall seiner Überspannung. Es soll f die Vakuumfrequenz des Hohlraumes sein. Die Entstehung des Plasmas erzeugt eine Veränderung der Resonanzfrequenz, die zu f wird. Wenn ebenso die anfängliche Überspannung des Hohlrauues Q beträgt, dann bewirken die Verluste im Plasma eine Veränderung dieser Überspannung auf einen Wert Q . Wenn für die feste Frequenz des Hochfrequenzgenerators ein Wert gleich zu f gewählt wurde, dann muß die Verwerfung der Resonanzfrequenz des Hohlraumes kleiner sein als die Bandbreite der Resonanz mit einem Plasma, damit die Wechselwirkung zwischen der vom Generator erzeugten Welle und dem Plasma des Hohlraumes noch bemerkbar ist« Diese Bedingung ^v.ann daher wie folgt beschrieben werden:

- ^fpl < ^f/²Qp

Wenn beispielsweise die Leistungsabsorption durch das Plasma so ist, daß Q = 1000 gilt, dann kann die Resonanzfrequenz des Hohlraumes von derjenigen der Magnetfeldröhre nicht mit einer Größe abweichen, die höher liegt als 1,23 MHz für f = 2459 MHz oder die höher ist als 5 MHz für f = 10 GHz.

Die Werte für die Verwerfung der Frequenz und für den Abfall der Überspannung hängen von der betrachteten Resonanzwelle, vom Durchmesser R des dielektrischen Zylinders '\k, vom verwendeten statischen Magnetfeld und von der Elektronendichte η des Plasmas ab:

Bei geringen Plasmadichten (η < 10 m~³ bei 2459 MHz und bei einem Druck von 1 θ" Torr) und für ein Plasma mit geringen Dimensionen oder Abmessungen (— ^ 0,i) ist die Verwerfung der Frequenz nicht sehr bedeutend: Es kann angenommen werden, daß der Hohlraum bei derselben Frequenz in Resonanz ist wie wenn in ihm ein Vakuum ist, d. h. bei der Generatorfrequenz. Die Verwerfung ist darüber hinaus um so

R R

kleiner, je kleiner — ist. Für denselben Wert von — ist sie

a a

kleiner für TE -Wellentypsn als für TE₁ -Vellentypen. onp lnp

Diese Verwerfung verschwindet, wenn für den Vert des statischen Magnetfeldes der Wert der Zyklotronresonanz (875 Gauß für 2459 MHz) verwendet wird, wobei dann die Leistungsabsorption durch das Plasma am größten ist.

Bei größeren Dichten (nG£iOⁱ⁷m"³ bei 2459 MHz) und ohne Magnetfeld ist es erforderlich, wenn man eine annehmbare Verwerfung erhalten will, für TE -We11entypen eben-

R
falls geringe Werte von — zu nehmen, während für einen TE-Wellentyp größere Werte genommen werden können. Mit einem Magnetfeld, das in der Nähe des Resonanzwertes liegt, kann man den Wert von —· erhöhen, indem eine annehmbare Verwerfung

für die TE - und TE_ -Wellentypen erhalten wird.

Bei erhöhten Dichtewerten (ηκ 1O¹⁹In""³ bei 2459 MHz) führt nur der TE_Q -We11entyp zu schwachen Verwerfungen in der Nähe der Zyklotronresonanz.

Die drehzylindrischen Hohlräume sind nicht die einzigen Formen, die bei der Erfindung verwendet werden können. In einer anderen Ausführungsform der Erfindung, die in der Fig. 6 dargestellt ist, hat der hochfrequente Hohlraum eine zusammengesetzte Form. Er ist auf dem größten Teil seiner

Länge koaxial und drehzylindrisch auf dem übrigen Teil.

In dieser Fig. 6 wird ein drehzylindrischer Hohlraum 50 auf seiner Achse durch einen magnetischen Metallzylinder 23 durchquert, der von einem Deckel 2k ausgeht. Der Zylinder 23 wird von einem Kanal 25 durchstoßen, der mit einem Rohr 26 in Verbindung steht, das auf dem Zylinder 23 aufgelötet ist* Der zentrale Leiter der Ko .xialleitung 7 endet mit einer Koppelschleife 27. Eine Ausdehnungsschale 1? bestimmt eine Ausdehnungskammer kO, die mit dem Hohlraum 50 über eine Öffnung 41 in Verbindung steht. Eine Abziehelektrode 18 ist durch eine Stromquelle- S negativ gepolt. Eine Platte 28 aus Weicheisen, zwei Träger oder Pfosten 29 und 30 und ein Flansch 31 bilden mit dem magnetischen Metallzylinder 23 einen Magnetkreis für das durch die beiden Spulen 32 und 33, die parallel geschaltet sind, erzeugte statische Magnetfeld. Ringförmige Dichtungen 34 und 35 gewährleisten die Dichtheit des Hohlraumes 50 und des Fiihrungsglieds 21.

Diese Vorrichtung arbeitet wie folgt:

Das hochfrequente Erregungsfeld dringt in den Hohlraum durch die Koaxialleitung 7 ein. Die Schleife 27 wird durch einen Strom durchflossen und das so entstehende Magnetfeld erregt die Resonanzwellen des Hohlraumes, die eine magnetische Komponente aufweisen, die senkrecht zur Ebene der Schleife ist. Diese Kopplungswelle erregt also einen transversalen elektromagnetischen TEM-Ve11entyp. Diese Erregungswelle ist nur in dem Teil des Hohlraumes genau vom TEM-Typ, in dem dieser einem koaxialen Hohlraum gleichgesetzt werden kann. Das zu ionisierende Gas wird über das Rohr 26 durch den Kanal 25 eingeführt. Dieses Gas ist nur am Ausgang des

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Kanals 25 einem ultrahochfrequenten Feld unterworfen. In
diesem Bereich verstärkt auch das durch die Spulen 32 und
33 erzeugte statische Magnetfeld die Wechselwirkung zwischen der hochfrequenten Welle und dem Plasma durch die Erscheinung der Zyklotronresonanz, so daß sich die Öffnung
41 sehr in dem Bereich befindet, in dem das Plasma am dichtesten ist. Die Form des Magnetkreises und insbesondere die Verwendung der Platte 28 aus Weicheisen rufen einen bedeutenden Gradienten des Magnetfeldes an der Durchführung der
Öffnung kl hervor, wodurch, wie bei den vorhergehenden Ausfuhrungsbeispielen, der Abzug oder die Extraktion des Plasmas begünstigt wird· Diesea diffundiert sodann in die Ausdehnungskammer 40,und die Elektrode 18 zieht die Ionen ab,
insbesondere im Schutz des Magnetfeldes.

Bei diesem Ausführungsbeispiel sind die elektrischen
Feldlinien in der Nähe des Bereiches, in dem das Plasma gebildet wird, weniger genau festgelegt als bei dem Ausführungsbeispiel, bei dem ein zylindrischer Hohlraum verwendet wird. Obwohl das hochfrequente elektrische Feld nicht senkrecht zum statischen Magnetfeld ist, so ist doch eine Zyklotronresonanz der Elektronen, die oben beschrieben wurde, möglich, denn das hochfrequente elektrische Feld besitzt
eine transversale Komponente, die nicht Null ist, ausgenommen vielleicht auf der Achse des Hohlraumes. Die Elektronen beschreiben dann eine Schraubenlinie und nicht mehr eine
ebene Kurve.

Die erfindungsgemäße Ionenquelle kann mit vielen Oasen arbeiten. Insbesondere wurden mit Wasserstoff gute Ergebnisse erhalten.

Claims

Patentanwälte Dlpl.-Ing. R. B £ T Z sen. Dlpl-In.?· K. LAfjiP..ICHT Dr.-Ing. R. CS E E T Z Jr. ^ S München 22, Steinadorfitr. 10 · < 44 (5) 6.7.1973 Neue Schutzansprüche

1. Ionenquelle mit einem auf die Elektronenzyklotronresonanz eingestellten statischen Magnetfeld, c tdurch gekennzeichnet, daß im Einflußbereich des Magnetfeldes eine Plasmaquelle mit einem resonant erregten Hohlraum (50) und eine Ionenextraktionseinrichtung mit einer Ausdehnungsschale (17) angeordnet sind, die im Betrieb der größten Plasmadichte über eine öffnung (4l) mit dem Hohlraum (50) verbunden ist und in einem Magnetfeldbereich mit einer Feldstärke nahe Null Abziehelektroden (l8) für das Abziehen von Ionen enthält.

2. Ionenquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß nur die Umgebung der die Ausdehnungsschale (17) mit dem Hohlraum (50) verbindende öffnung (41) in einem Magnetfeldbereich mit der Zyklotronresonanz entsprechender Feldstärke liegt,,

3. Ionenquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die den Hohlraum (50) mit der Ausdehnungsschale (17) verbindende öffnung (4l) in einem Magnetfeldbereich mit einem starken Feldstärlregradienten liegt.

4. Ionenquelle nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß die Ausdehnungsschale (17) aus einem Metall mit schwacher Reluktanz besteht.

5. Ionenquelle nach Anspruch 4, dadurch gekennzei jhnet, daß die Ausdehnungsschale (17) aus Weicheisen besteht.

6. Ionenquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlraum (50) als Rotationszylinder ausgebildet und axial zum statischen Magnetfeld ausgerichtet ist und einen koaxial und mit radialem Abstand darin angeordneten und dagegen dicht abgeschlossenen dielektrischen Zylinder (14) für die Aufnahme des Plasmas enthält, relativ zu dem die Ausdehnurgsschale (17) in axialer Verlängerung liegt.

7. Ionenquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlraum (50) als Hohlzylinder mit einem axial eingefügten Metallzylinder (23) mit schwacher Reluktanz ausgebildet ist, der einen Deckel (24) für den Hohlraum (50) berührt und nahe der zur Ausdehnungsschale (17) führenden öffnung (41) im Hohlraum (50) mündet.