DE102008057342A1

DE102008057342A1 - Gasentladungskammer mit Glühkathode und Polschuhlinse

Info

Publication number: DE102008057342A1
Application number: DE102008057342A
Authority: DE
Inventors: Ulrich Gerhardt
Original assignee: Gerhardt Ulrich Prof Dr
Current assignee: Gerhardt Ulrich Prof Dr
Priority date: 2008-11-14
Filing date: 2008-11-14
Publication date: 2010-06-17
Anticipated expiration: 2028-11-15
Also published as: DE102008057342B4

Abstract

Beim konventionellen Duoplasmatron besteht die ferromagnetische Zwischenelektrode meist aus Eisen. An der Engstelle des Entladungsraums zwischen der Glühkathode und der Anode wird eine große Wärmeleistung an die Zwischenelektrode abgegeben. Weger der im Vergleich zu Kupfer sehr geringen thermischen Leitfähigkeit des Eisens und der räumlichen Enge stößt die Anfertigung eines effizienten Kühlsystems auf erhebliche Probleme. Bei der neuen Version des Duoplasmatrons bestehen nicht nur die Anodenkappe 2 und Kathodenkappe 3, sondern insbesondere auch die Zwischenelektrode 1 aus Kupfer, dessen hohe thermische Leitfähigkeit eine effiziente Kühlung der Zwischenelektrode erlaubt. Die Polschuhlinse 6 ist außerhalb des Entladungsbereichs in der Einschnürung der Zwischenelektrode angebracht. In dem in Figur 1 gezeigten Beispiel besteht die Polschuhlinse aus dem axial permanent magnetisierten Ring 7 und den beiden ferromagnetischen Polschuhen 8. Die neue Version des Duoplasmatrons eignet sich besonders zum Erzeugen hoher Photonenstromdichten im Bereich des Vakuum-Ultravioletts und für alle Anwendungen, die hohe Ionenstromdichten erfordern.

Description

Das bei elektrischen Entladungen in verdünnten Gasen entstehende Plasma eignet sich sowohl als Ionen- als auch als Photonenquelle, wobei sich die erreichbaren Stromdichten der Ionen beziehungsweise der Photonen mit wachsender Dichte der Plasmen erhöht. M. von Ardenne hat eine aus einer Glühkathode, einer Zwischenelektrode und einer Anode bestehenden Anordnung vorgeschlagen, bei welcher die Plasmen der verschiedenen Gase sowohl durch eine Engstelle in der Zwischenelektrode als auch durch das inhomogene Magnetfeld einer Polschuhlinse komprimiert werden und die Plasmen dadurch eine hohe Dichte erreichen. In dieser von ihm treffend als Duoplasmatron bezeichneten Anordnung sind die Zwischenelektrode und die Anode die beiden ferromagnetischen Polschuhe der Polschuhlinse und gleichzeitig die Wände der Entladungskammer. Das Duoplasmatron wird häufig als Ionenquelle benutzt, erfolgreich auch in der Variante, daß die Anode aus Kupfer besteht und das inhomogene Magnetfeld allein von der ferromagnetischen Zwischenelektrode sowie der sie koaxial umgebenden Spule erzeugt wird. Als Photonenquelle wird das Duoplasmatron überwiegend für den Spektralbereich des Vakuum-Ultravioletts verwendet, , für welchen mit Ausnahme der aufwendigen Synchrotronstrahlung kaum Alternativen zur Verfügung stehen.
Beim Duoplasmatron wird in dem kleinen Bereich der Engstelle eine große Wärmeleistung an die Zwischenelektrode abgegeben, welche vom Kühlsystem des Duoplasmatrons abgeführt werden muß, um Schäden durch Überhitzung zu vermeiden. Bei den oben beschriebenen konventionellen Versionen des Duoplasmatrons besteht die ferromagnetische Zwischenelektrode meist aus Eisen, welches im Vergleich zum Kupfer ein sehr schlechter Wärmeleiter ist. Die Anfertigung eines effizienten Kühlsystems für das konventionelle Duoplasmatron stößt deshalb auf erhebliche Probleme, welche durch die räumliche Enge noch verschärft werden. Beim konventionellen Duoplasmatron sind deshalb der Erhöhung der Plasmadichte durch Erhöhen des Entladungsstroms enge Grenzen gesetzt.
Bei der in Anspruch 1 vorgeschlagenen neuen Version des Duoplasmatrons sind die oben beschriebenen Kühlprobleme der konventionellen Version ganz wesentlich entschärft, weil die Zwischenelektrode 1 ebenso wie die Endkappen 2 und 3 aus Kupfer bestehen, welches bei 18°C im Vergleich zum reinen Eisen die 5.7 fache und im Vergleich zum Kohlenstoffstahl mit 1% Kohlenstoff die 8.5 fache thermische Leitfähigkeit aufweist (American Institute of Physics Handbook, McGraw-Hill 1957, p. 4–76). Die neue Version läßt sich deshalb bei vergleichsweise höheren Entladungsströmen betreiben, ohne daß Schäden durch Überhitzung zu befürchten sind. Die Polschuhlinse ist außerhalb des Entladungsbereichs angeordnet, wobei zumindest ihre beiden ferromagnetischen Polschuhe 8 so tief wie möglich in die Einschnürung der Zwischenelektrode eintauchen und somit den kleinsten Außendurchmesser der Zwischenelektrode umfassen. Damit fällt auch das Maximum des Magnetfelds entlang der Rotationsachse in die Engstelle des Entladungsbereichs, ganz im Sinne des Namens Duoplasmatron, was im Vergleich zur konventionellen Version bei gleichem Entladungsstrom eine höhere Plasmadichte erwarten läßt. Ein weiterer Vorteil der neuen Version ist der deutlich einfachere und kompaktere Aufbau, der eine schnellere und kostengünstigere Fertigung zuläßt. Beispielsweise befinden sich im Gegensatz zur konventionellen Version im Entladungsbereich keine Lötnähte zwischen Eisen und Kupfer. Solche Lötnähte können unerwünschte Lunker enthalten, welche im Betrieb ausgasen und dadurch das Plasma verunreinigen können. Wegen der vergleichsweise erheblich effizienteren Kühlung können die Flansche an den Enden der Zwischenelektrode bedenkenlos mit vakuumtauglichen Elastomerringen ausgerüstet werden, ohne die Verunreinigung des Plasmas durch das Ausgasen diese Ringe bei höheren Temperaturen befürchten zu müssen.
In Anspruch 2 wird das neue Duoplasmatron für den in 1 schematisch dargestellten Fall konkretisiert, daß die Polschuhlinse 6 neben den Polschuhen 8 einen axial permanent magnetisierten Ring 7 enthält. Der Übersichtlichkeit halber sind in 1 die Öffnungen für das Zuführen und das Absaugen des Gases sowie für das Auskoppeln der Ionen- beziehungsweise Photonenströme nicht eingezeichnet. In Anspruch 3 wird diese Konkretisierung für den Fall durchgeführt, daß die Polschuhlinse eine ferromagnetisch gekapselte Spule enthält. Im Anspruch 4 wird der Fall behandelt, daß sich nur die beiden inneren Polschuhe im Bereich der Einschnürung der Zwischenelektrode befinden. Im Anspruch 5 wird gezeigt, wie die mechanische Stabilität und die Kühlung der Zwischenelektrode im Bereich der Einschnürung beispielsweise durch Einlöten der (inneren) Polschuhhälften verbessert werden kann.
Wegen der geschilderten Vorzüge ist zu erwarten, daß die hier vorgestellte neue Version des Duoplasmatrons das konventionelle Duoplasmatron zunehmend in allen Anwendungen verdrängen wird, welche möglichst hohe Stromdichten der Ionen beziehungsweise der Photonen erfordern.
Im Anspruch 6 wird das Feld der Polschuhlinse durch sternförmig angeordnete, axial permanent magnetisierte Rundstäbe angenähert und dadurch eine hohe mechanische Stabilität der Zwischenelektrode erreicht.

1: Zwischenelektrode
2: Anodenkappe
3: Kathodenkappe
4: Glühkathode
5: elektrische Durchführungen
6: Polschuhlinse
7: axial permanent magnetisierter Ring
8: ferromagnetische Polschuhe
9: Edelstahldraht

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 19627004 C2 [0001]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

- M. von Ardenne et al., Tabellen der Elektronenphysik, Ionenphysik und Übermikroskopie, M. von Ardenne (VEB Deutscher Verlag der Wissenschaften, Berlin, 1956) [0001]
- O. B. Morgan, G. G. Kelley, and R. C. Davis, Rev. Sci. Instr. 38, 467 (1967) [0001]
- James A. R. Samson and Helmut Liebl, Rev. Sci. Instr. 33, 1340 (1962) [0001]
- American Institute of Physics Handbook, McGraw-Hill 1957, p. 4–76 [0003]

Claims

Gasentladungskammer mit Glühkathode und Polschuhlinse zur Erzeugung von Plasmen hoher Dichte, wobei die Plasmen des jeweils benutzten Gases als Quellen für elektromagnetische Strahlung insbesondere im Bereich des Vakuum-Ultravioletts oder auch als Ionenquellen dienen. Der mittlere Teil der zweckmäßigerweise rotationssymmetrischen Kammer ist die Zwischenelektrode, an deren einer Seite die Anodenkappe elektrisch isolierend und an deren anderer Seite die Kathodenkappe im elektrischen Kontakt angeflanscht sind. Die Glühkathode 4 wird von zwei elektrischen Durchführungen 5 in der Kathodenkappe gehaltert und mit Strom versorgt. Die zweckmäßigerweise ebenfalls rotationssymmetrische Polschuhlinse ist koaxial zur Rotationsachse der Gasentladungskammer angeordnet. Die durch die Einschnürung der Zwischenelektrode bedingte Engstelle im Entladungsbereich zwischen der Glühkathode und der Anode und das inhomogen Magnetfeld der Polschuhlinse erzeugen gemeinsam die hohen Dichten der Plasmen (Duoplasmatron). Diese Gasentladungskammer ist dadurch gekennzeichnet, daß nicht nur wie schon früher berichtet die Anodenkappe 2 und zweckmäßigerweise die Kathodenkappe 3, sondern insbesondere auch die Zwischenelektrode 1 aus einem nicht ferromagnetischen Material mit hoher thermischer Leitfähigkeit bestehen, vorzugsweise aus Kupfer, daß diese drei Teile der Kammer beim Betreiben der Gasentladung von außen vorzugsweise mit Wasser gekühlt werden, daß die Polschuhlinse außerhalb des Entladungsbereichs ganz oder so tief wie möglich in der Einschnürung der Zwischenelektrode angeordnet und dort fixiert ist und daß dadurch das Magnetfeld auf der Rotationsachse sein Maximum innerhalb der Engstelle des Entladungsbereichs erreicht.
Gasentladungskammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Polschuhlinse 6 aus einem axial permanent magnetisierten Ring 7 aus beispielsweise SmCo besteht, welcher entlang einer die Rotationsachse enthaltenden Ebene in zwei Hälften geteilt ist, sowie aus zwei auf den beiden Seiten des Rings aufsitzenden ferromagnetischen Polschuhen 8, welche jeweils ebenso in zwei Hälften geteilt sind, wodurch sich die beiden Hälften der Polschuhlinse gegen die starken magnetischen Abstoßungskräfte von außen in die Einschnürung der Zwischenelektrode einschieben lassen und dort, zur Polschuhlinse vereinigt, beispielsweise durch einen außen auf den Umfang des Magnetrings gewickelten Edelstahldraht 9 positionsrichtig fixiert werden; die Drahtenden werden dabei miteinander verdrillt.
Gasentladungskammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Polschuhlinse entsteht, indem die beiden ferromagnetischen Polschuhe entlang einer Ebene, welche die Rotationsachse enthält, in je zwei Hälften geteilt und diese Hälften dann in die Einschnürung der Zwischenelektrode eingeschoben, dort zu den beiden Polschuhen wieder zusammengefügt und in der Einschnürung positionsrichtig fixiert werden, danach in die mit den Polschuhen belegte Einschnürung der Zwischenelektrode eine Spule aus elektrisch isoliertem Kupferdraht gewickelt wird, deren Achse die Rotationsachse ist und diese Spule dann von außen ferromagnetisch gekapselt wird.
Gasentladungskammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Polschuhlinse aus einem permanent axial magnetisierten Ring aus beispielsweise SmCo oder aus einer ferromagnetisch gekapselten Spule sowie aus zwei ferromagnetischen Polschuhen zusammengesetzt ist, wobei jeder der Polschuhe entlang eines zur Rotationsachse koaxialen Zylinders in einen inneren und einen äußeren Polschuh geteilt ist und die beiden inneren Polschuhe jeweils nochmals entlang einer Ebene, welche die Rotationsachse enthält, in zwei Hälften geteilt sind. Zur Montage der Polschuhlinse werden die insgesamt vier Segmente der beiden inneren Polschuhe in der Einschnürung der Zwischenelektrode zu den beiden inneren Polschuhen zusammengefügt und dort positionsrichtig fixiert, danach wird der permanent axial magnetisierte Ring mit den seitlich aufsitzenden äußeren Polschuhen beziehungsweise die ferromagnetisch gekapselte Spule samt deren äußeren Polschuhen in axialer Richtung so weit über die inneren Polschuhe geschoben, daß die äußeren und inneren Polschuhe fluchten.
Gasentladungskammer nach Anspruch 1 sowie jeweils einem der Ansprüche 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die (inneren) Polschuhhälften vorzugsweise durch Einlöten in der Einschnürung der Zwischenelektrode 1 so fixiert werden, daß die korrekt positionierten beiden Polschuhe entstehen und dadurch in diesem Bereich die mechanische Stabilität der Zwischenelektrode erhöht sowie deren Kühlung noch weiter verbessert wird.
Gasentladungskammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das rotationssymmetrische Magnetfeld der Polschuhlinse durch ein Magnetfeld mit n-zähliger Drehsymmetrie bezüglich der Achse der Gasentladungskammer angenähert wird, daß dieses Magnetfeld durch zwei Gruppen mit jeweils n axial permanent magnetisierten Rundstäben erzeugt wird, welche kathoden- und anodenseitig von der Mittelebene sternförmig angeordnet sind, daß diese Mittelebene den Mittelpunkt der Engstelle in der Zwischenelektrode enthält und die im Mittelpunkt auf der Mittelebene errichtete Normale mit der Achse der Gasentladungskammer zusammenfällt, daß die von außen in die entsprechenden Sacklöcher der Zwischenelektrode vollständig eingeschoben Rundstäbe dort fixiert sind, daß die Achsen dieser Sacklöcher sich kathoden- und anodenseitig jeweils in einem Punkt auf der Achse der Gasladungskammer treffen sowie n-zählige Drehsymmetrie bezüglich dieser Achse und Spiegelsymmetrie bezüglich der Mittelebene besitzen, und daß in einer der beiden Gruppen die Magnetisierung der Rundstäbe in das Innere der Zwischenelektrode zeigt, während in der anderen Gruppe die Magnetisierung der Rundstäbe nach außen gerichtet ist.