DE19933762A1 - Gepulste magnetische Öffnung von Elektronen-Zyklotron-Resonanz-Jonenquellen zur Erzeugung kurzer, stromstarker Pulse hoch geladener Ionen oder von Elektronen - Google Patents
Gepulste magnetische Öffnung von Elektronen-Zyklotron-Resonanz-Jonenquellen zur Erzeugung kurzer, stromstarker Pulse hoch geladener Ionen oder von ElektronenInfo
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Abstract
Um aus Elektronen-Zyklotron-Resonanz-(EZR)-Ionenquellen mit allseitigen magnetischen Einschluß eines EZR-geheizten Plasmas große, kontinuierliche Ströme von Ionen zu extrahieren, müssen sie bekanntlich so asymmetrisch gebaut werden, der der axiale magnetische Einschluß auf der Extraktionsseite schlechter wird als auf der entgegengesetzten Seite, wodurch Ionenverluste in Richtung der Extraktion zu größeren extrahierten Ionenströmen führen. Durch plötzliches Herunterschalten des magnetischen Einschlußfeldes im Bereich der Extraktion einer mit symmetrischem, axialen Magneteinschluß betriebenen EZR-Ionenquelle, d. h. durch plötzliche und vollständige Öffnung des magnetischen Einschlusses im Bereich der Extraktion, bewegt sich das ganze Plasma plötzlich zur Extraktionsöffnung, so daß dort die extrahierten Ionenströme plötzlich vergrößert werden. der große Ionenstrompuls dauert entweder bis sich der Plasmavorrart erschöpft hat oder bis der magnetische Einschluß wieder eingeschaltet wird. Die Pulswiederholrate ist bestimmt durch die Aufbauzeit des Plasmas nach Wiedereinschalten des magnetischen Einschlusses. Statt Ionenstrompulsen können auch Elektronenstrompulse extrahiert werden.
Description
Die Erfindung betrifft eine Ionenquelle mit zeitlich variabler Extraktion hochgeladener Ionen
oder Elektronen-Strahlen aus einem Plasma mit magnetischem Einschluß, das mit elektro
magnetischen Mikrowellen unter Ausnutzung der Elektronen-Zykolotron-Resonanz (EZR) er
zeugt und geheizt wird, und das mit beliebigen zu ionisierenden Elementen aus einem Gasre
servoir oder einem integrierten Verdampferofen beschickt wird.
Es ist bekannt, daß Strahlen hochgeladener Ionen mit hoher Ausbeute aus solchen EZR-
Ionenquellen extrahiert werden. Die Konstruktionsmerkmale dieser EZR-Ionenquellen sind in
Patentschriften [EPAO 138642, EPAO 130907, FR 2475798, FR 2512623, EPAO 142414,
EPAO 145586, FR 2592518, EPAO 238397, EPAO 252845, und eingereicht in Frankreich
unter den Nummern: 88.16141, 91.05803, 91.08543, 91.11206] und wissenschaftlich-
technischen Veröffentlichungen publiziert [Ref 1: R. Geller, "Electron Cyclotron Resonance
Ion Sources and ECR-Plasmas", Institute of Physics Publishing, Bristol and Philadelphia, 1996,
ISBN 0 7503 0107 4]. Demnach wird ein axialer magnetischer Plasmaeinschluß durch zwei
oder mehrere kreisförmige, nicht notwendigerweise identische Magnetspulen in einem gewis
sen axialen Abstand voneinander derart erzeugt, daß auf der Symmetrieachse der Ionenquelle
jeweils am Ort der Spulen ein Maximum und zwischen den Spulen ein Minimum der Magnet
feldstärke entsteht, das durch Zusatzspulen speziell konfiguriert werden kann. Eine solche
axiale Magnetfeldstruktur wird Spiegelfeld genannt. Diese axiale Magnetfeldstruktur läßt sich
mit herkömmlichen oder mit supraleitenden Spulen mit gleichsinniger oder entgegengesetzter
Stromrichtung realisieren. In neueren Konzeptionen wird diese axiale Magnetfeldstruktur auch
mit Permanentmagneten ohne Verwendung von Spulen realisiert. Der radiale Plasmaeinschluß
wird durch magnetische Multipolfelder (meist Hexapolfelder) bewirkt, die meist mit Perma
nentmagneten aufgebaut sind, aber auch mit supraleitenden Spulen oder mit eisenbewehrten
Kupferspulen ausgeführt werden können. Im Inneren dieser Magnetfeldstruktur existiert also
ein Minimum des Betrages des Magnetfeldes, von dem aus in alle Richtungen nach außen hin
der Betrag des Magnetfeldes zunimmt, so daß man sie auch abgekürzt Minimum-B-
Magnetfeldstruktur (MBM) nennt.
In diese MBM wird auf der Symmetrieachse eine meist zylindrische Plasmakammer aus
Metall, Keramik oder Quarz eingesetzt, die im wesentlichen als Vakuumkammer dient, um im
Zusammenwirken mit radial oder axial angeordneten Vakuumpumpen einen Druck des zu ioni
sierenden Gases oder Gasgemisches im Plasmabereich von 10-2 bis 10-5 Pa zu gewährleisten.
Die Mikrowellenenergie wird mit Hochfrequenz-Hohlleitern oder mit Koaxialleitungen, even
tuell in Kombination mit Antennen radial oder axial in die Plasmakammer eingekoppelt, wobei
ein mikrowellendurchlässiges, aber vakuumdichtes Fenster den Vakuumabschluß der Plasma
kammer gewährleistet. Im Bereich eines der beiden axialen Magnetfeldmaxima, der im folgen
den als Extraktionsseite bezeichnet wird, ist die Plasmakammer durch eine durchbohrte Elek
trode, die sog. Plasmaelektrode abgeschlossen, durch welche die Ionen oder Elektronen von
einem elektrischen Ziehfeld angepaßter Polarität axial extrahiert werden.
In dieser Plasmakammer werden Elektronen durch EZR-Heizung auf hohe Energie ge
bracht, räumlich konzentriert und ausreichende Zeiten gespeichert [Ref. 2, A. Heinen, Ch. Vitt,
and H. J. Andrä, "Density and Energy Density Distributions of Electrons in Compact ECRIS",
in Conference on the Physics with Highly Charged Ions, Bensheim, Germany Sept. 1998, to be
published in Physica Scripta, (1999) und Ref. 3, A. Heinen, M. Rüther, H. W. Ortjohann, Ch.
Vitt, S. Rhode, and H. J. Andrä, "Heating and Trapping of Electrons in ECRIS, from Scratch
to Afterglow", Proceedings of the "14th International Workshop on ECR Sources", 3-6 Mai
1999, CERN, Genf, Schweiz, Seiten 224-232.], so daß sie die eingelassenen Elemente bis zu
hohen Ladungszuständen ionisieren können. Es wird angenommen, daß diese Ionisation vor
wiegend in den räumlichen Bereichen großer Elektronen-Energiedichte stattfindet, in denen die
entstandenen Ionen auch in dem dort durch die Raumladung der Elektronen erzeugten Potenti
al festgehalten werden. Da die Ionen in diesen EZR-Ionenquellen nur sehr wenig Energie ge
winnen, können sie also unter der doppelten einschließenden Wirkung des Potentials der Elek
tronen und des magnetischen Einschlusses der MBM lange, mittlere Zeiten τ in der EZR-
Ionenquelle festgehalten werden und nur mit geringer Wahrscheinlichkeit bis zur Extrakti
onsöffnung gelangen und extrahiert werden. Dies ist vor allem dann der Fall, wenn das magne
tische Spiegelfeld symmetrisch aufgebaut ist, d. h. wenn die beiden Magnetfeldmaxima auf der
Achse gleiche Magnetfeldstärke besitzen, und damit ein besonders guter axialer magnetischer
Einschluß der geladenen Partikel in der MBM gegeben ist. Um den kontinuierlichen Strom
hoch geladener Ionen aus den EZR-Ionenquellen möglichst groß zu machen, wird deshalb der
magnetische Einschluß in Richtung der Extraktionsseite dadurch verschlechtert, daß das axiale
Magnetfeldmaximum des Spiegelfeldes auf der Extraktionsseite kleiner als das auf der entge
gengesetzten Seite gemacht wird. Dadurch wird der Verlust von Ionen aus der MBM in Rich
tung der Extraktionsseite erhöht, der größeren extrahierten Ionenströmen entspricht. Da diese
Verluste die mittlere Verweilzeit τ der Ionen in der MBM verkürzen, und umgekehrt aber ein
langes τ für die Erzeugung der hohen Ladungszustände benötigt wird [Ref. 1], kann nur ein
Kompromiß zwischen langem τ für die Produktion und kurzem τ für die Extraktion zum Opti
mum des extrahierten, kontinuierlichen Stroms eines bestimmten Ladungszustandes führen.
Für die Erzeugung zeitlich kurzer Pulse hoch geladener Ionen wurde deshalb ein Verfahren
entwickelt, das den Ionen-Einschluß im Potential der Elektronen kurzzeitig dadurch ver
schlechtert, daß die EZR-Heizung durch plötzliches Abschalten der Mikrowelle ausgeschaltet
wird [Ref. 1 und Ref. 3]. Dieses sog. "Afterglow"-Verfahren (der aus dem Englischen entlehnter
Begriff für das Nachleuchten eines Plasmas nach Abschalten des Erzeugungmechanismus) führt
dazu, daß mit dem Abschalten der EZR-Heizung vor allem die Elektronen niedriger Energie
durch Stöße mit anderen geladenen Partikeln aus der MBM herausgestreut werden, so daß ein
Teil a . N des Potentials der Elektronen für den Einschluß der ursprünglich vorhandenen N Io
nen verloren geht und deshalb letztere wegen der Coulomb-Abstoßung untereinander ausein
anderfliegen. Wegen des starken axialen Magnetfeldes wird dieses Auseinanderfliegen der Io
nen vorwiegend in ein axiales Auseinanderfliegen der Ionen in beide Richtungen umgewandelt,
so daß an der Extraktionsöffnung ein kurzer Puls von ≦ a . N/2 Ionen auftritt. Das
"Aflerglow"-Verfahren erzeugt tatsächlich Pulse hoch geladener Ionen von etwa 1 ms Länge,
die im Maximum ein bis zwei Größenordnungen größere Ströme eines hoch geladenen Ions
ergeben können als die entsprechenden kontinuierlichen Ströme. Der Nachteil dieses Verfah
rens liegt darin, daß nur ein Teil a des Ionen-Einschlusses im Potential der Elektronen abge
schaltet wird, während der magnetische Einschluß konstant erhalten bleibt.
Es wurden deshalb erfolgreiche Versuche unternommen, gleichzeitig den Ionen-Einschluß
im Potential der Elektronen und in der MBM auszuschalten [C. Mühle, "Untersuchung einer
ECRIS mit gepulster magnetischer Extraktion", Dissertation, 1995, Univ. Frankfurt, durchge
führt in der GSI-Darmstadt, GSI-95-07 Report (1995)]. In diesem Experiment wurde gezeigt,
daß eine die Plasmakammer umschließende, axialsymmetrische, zylindrische Spule dazu ver
wendet werden kann, das Minimum des magnetischen Spiegelfeldes in wenigen µs in ein Ma
ximum umzuschalten, das größer ist als die Maxima des ursprünglichen Spiegelfeldes. Dadurch
wird der magnetische Einschluß aller geladenen Partikel zerstört, so daß für die Ionen sowohl
der magnetische wie auch der Potential-Einschluß verlorengeht, und sie in alle Richtungen aus
einanderfliegen. Wegen des starken axialen Magnetfeldes wird dieses Auseinanderfliegen der
Ionen vorwiegend in ein axiales Auseinanderfliegen der Ionen in beide Richtungen umgewan
delt, so daß an der Extraktionsöffnung ein kurzer Puls von ≦ N/2 Ionen auftritt. Das magneti
sche Schalten der MBM erzeugt experimentell tatsächlich Pulse hoch geladener Ionen der
Länge < 1 ms, die im Maximum etwa eine Größenordnung größere Ströme eines Wich gelade
nen Ions ergeben als die entsprechenden kontinuierlichen Ströme. Das Experiment wurde aber
mit einer EZR-Ionenquelle mit schwachem magnetischen Einschluß durchgeführt, so daß der
erzielbare Stromgewinn deutlich kleiner ausfiel als bei Hochleistungs-EZR-Ionenquellen, ob
wohl er prinzipiell größer ausfallen sollte. Der große Nachteil des magnetischen Schaltens einer
ganzen MBM liegt aber vor allem darin, daß ein großes Magnetfeld der Größenordnung Tesla
innerhalb von wenigen µs zu Schalten ist, was einen großen elektrischen Leistungsbedarf er
fordert und deshalb aus wirtschaftlichen Gründen nicht mit großen Puls-Wiederholraten durch
geführt werden kann.
Zusammenfassend kann also gesagt werden, daß extrahierte Ströme hoch geladener Ionen
aus EZR-Ionenquellen pulsartig dadurch gesteigert werden können, daß der Ionen-Einschluß
pulsartig verschlechtert oder ganz zerstört wird. Die dafür bisher eingesetzten Methoden besit
zen aber prinzipielle oder wirtschaftliche Nachteile. Es besteht damit die Aufgabe, den Ionen-
Einschluß in EZR-Ionenquellen auf technisch günstige und wirtschaftliche Art und Weise puls
artig für die optimale Extraktion hoch geladener Ionen und auch von Elektronen zu modifizie
ren.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß durch eine pulsartige magneti
sche Öffnung der MBM, die auf den räumlichen Bereich der Extraktionsöffnung beschränkt ist,
alle in der vorher existierenden MBM gespeicherten geladenen Partikel aus dem Innern der
MBM zur Extraktionsöffnung hin entweichen und dort sehr effizient extrahiert werden können,
wobei durch die räumliche Begrenzung des zu schaltenden Magnetfelds Spulen mit kleinen,
durch diesen räumlichen Bereich definierte Dimensionen ausreichen, deren Pulsung mit gerin
gen technischen und wirtschaftlichen Mitteln möglich ist.
Diese magnetische Öffnung im räumlichen Bereich der Extraktionsöffnung in der Plasmae
lektrode muß das dort befindliche Maximum des axialsymmetrischen magnetischen Spiegelfel
des auf einen Wert kleiner oder gleich Bmin absenken, damit die Plasmapartikel keine Axial
kräfte in Richtung der Mitte der Plasmakammer mehr erfahren. Dieses Herunterschalten des
Magnetfeldes vom Spiegelfeldmaximum auf einen Wert ≦ Bmin kann ohne mechanische Um
bauten sofort dadurch erzielt werden, daß die elektrischen Ströme in den das Maximum erzeu
genden Spulen plötzlich, d. h. technisch so schnell wie möglich abgesenkt werden. Da es sich
um große Spulenströme in Spulen großer Induktivität handelt ist dieses plötzliche Schalten et
wa der Hälfte der Spulenströme zwar technisch möglich, aber technisch aufwendig.
Technisch einfacher und wesentlich wirtschaftlicher wir die Absenkung des Maximums des
Spiegelfeldes dadurch bewerkstelligt, daß die Magnetfeldstruktur des magnetischen Einschlus
ses erhalten bleibt und mechanisch im räumlichen Bereich der Plasmaelektrode eine Hilfsspule
angeordnet wird, die mit einem plötzlichen Stromstoß so beschickt wird, daß dem Maximum
des axialsymmetrischen magnetischen Spiegelfeldes im Bereich der Plasmaelektrode eine
plötzliches Magnetfeldminimum überlagert wird, so daß dort die Gesamtmagnetfeldstärke klei
ner oder gleich Bmin wird. Ein besonders einfache Lösung wird dadurch erreicht, daß diese
Hilfsspule in die Plasmaelektrode integriert wird.
Es ist natürlich auch möglich die magnetische Öffnung im räumlichen Bereich der Extrakti
on zeitabhängig so zu steuern, daß die Pulsformen der extrahierten Ionen- oder Elektronen-
Strompulse beeinflußt werden können. Dies schließt auch die Möglichkeit ein, die Gesamtma
gnetfeldstärke im Bereich der Extraktion nur auf Werte abzusenken, die größer als Bmin bleiben
können.
Für die ionenoptische Qualität der erzeugten Stromimpulse stellt das Vorhandensein des
magnetischen Multipols ein Problem dar. Für die Verbesserung kann erwogen werden, daß
gleichzeitig mit dem plötzlichen Öffnen des axialen magnetischen Einschlusses auch der ma
gnetische Multipol überall oder zumindest im Bereich der Extraktion ganz oder teilweise
plötzlich abgeschaltet wird, um das Plasma möglichst homogen und in Achsennähe auf die Ex
traktionsöffnung in der Plasmaelektrode zuströmen zu lassen, um Ionen- oder Elektronen-
Stromimpulse möglichst guter Homogenität und Emittanz extrahieren zu können.
Für viele technologische Anwendungen ist es nicht notwendig, Ionen und Elektronen ge
trennt zu extrahieren. Die Verwendung des gesamten, neutralen Plasmas ist verfahrenstech
nisch oft sogar wirkungsvoller als die Verwendung Ionen oder Elektronenstrahlen. Dies gilt
insbesondere für Plasmen großer Energiedichte wie sie hier in EZR-Ionenquellen vorliegen.
Durch Verzicht auf das elektrische Ziehfeld und durch Vergrößern der Extraktionsöffnung in
der Plasmaelektrode kann dieses ganze Plasma durch magnetische Öffnung in die vorher defi
nierte Extraktionsrichtung ausströmen und außerhalb der EZR-Ionenquelle nutzbar gemacht
werden. Die Ausströmgeschwindigkeit läßt sich dabei sogar über den Gradienten des abfallen
den Magnetfeldes zur Extraktion hin steuern. Außerhalb der EZR-Ionenquelle kann also ein im
magnetischen Streufeld der EZR-Ionenquelle expandierender Plasmapuls mit großem Anteil
hoch geladener Ionen und regelbarer Geschwindigkeit erzeugt werden. Die Expansion dieses
Plasmapulses kann durch äußere magnetische Führungsfelder an die jeweiligen Verfahren an
gepaßt werden.
Eine weitere Erläuterung der Erfindung erfolgt mit dem Ausführungsbeispiel 1 (vergl. Fig. 1).
Als Ausführungsbeispiel 1 kann eine EZR-Ionenquelle in Fig. 1 gezeigt werden. Sie besteht aus
einer Plasmakammer (1), in der das für die Plasmaerzeugung erforderliche Vakuum erzeugt
und der Restdruck des gewünschten Gases durch einen Gaseinlaß (2) aufrechterhalten wird,
und in die die Mikrowellen (3) eingekoppelt werden. Auf der Ionen- oder elektronen-
Extraktionsseite ist die Plasmakmmer mit einer Plasmaelektrode (4) abgeschlossen, der in Ex
traktionsrichtung (5) eine Extraktionselektrode (6) folgt. Durch die Öffnungen der Plasma- und
Extraktionselektroden werden die im Plasma (7) erzeugten Ionen oder Elektronen aus dem
Plasma extrahiert, wobei durch eine Spannungsdifferenz zwischen der Plasma- und der Extrak
tionselektrode ein sogenanntes Ziehfeld wählbarer Polarität aufgebaut wird. Die Magnetfeld
struktur wird in diesem Beispiel durch einen radial magnetisierten Permanentmagnetring (8),
vier stromdurchflossene Spulen (9) und einen aus Permanentmagneten zusammengesetzten
Oktopol (10) erzeugt, dessen Einzelmagnete mit den angegebenen Pfeilrichtungen magnetisiert
sind. Der Ring (8) und die Spulen (9) können mechanisch und elektrisch so eingestellt werden,
daß sie zum Beispiel ein Axialfeld Bz (11) auf der z-Achse (12) mit einem sehr flachen Mini
mum (13) erzeugen, dessen kleinster Wert auf der Achse Bzmin in der Mitte der Plasmakammer
liegt. Durch dieses axiale Feld Bz (11, 13) wird das Plasma (7) axial gut eingeschlossen. Durch
plötzliches Absenken des elektrischen Stroms in der Spule (14) wird das gestrichelte axiale
Feld Bz (15) im Bereich der Extraktion erhalten, das den Ansprüchen 1, 2 und 5 gerecht wird.
Anstatt den Strom der Spule 14 zu schalten, kann in die Plasmaelektrode eine Hilsspule (16)
eingebaut werden, die mit einem plötzlich ansteigenden Stromimpuls beschickt wird, der ein
lokales, axiales, magnetisches Feld der Art erzeugt, daß das überlagerte axiale Gesamtmagnet
feld auf der Achse im Bereich der Extraktion die Form (15) annimmt. Um die experimentell zu
bestimmende beste Form (15) des axialen Gesamtmagnetfeldes auf der Achse im Bereich der
Extraktion für die Extraktion der größten Ionen- oder Elektronen-Stromimpulse oder Plas
maimpulse zu erreichen, können auch die elektrischen Stöme aller diese Felder erzeugenden
Spulen gleichzeitig um einstellbare positive oder negative Werte geschaltet werden.
Claims (12)
1. Ionenquelle zur Erzeugung von Strahlen beliebiger einfach, mehrfach oder hoch geladener
Ionen durch die Erzeugung und Extraktion der Ionen aus einem in einer Ionenquellenvor
richtung enthaltenen, in einer Plasmakammer magnetisch eingeschlossenem Plasma, wobei
der magnetische Einschluß des Plasmas in einer durch Permanentmagneten, stromdurchflos
sene Kupferspulensysteme, supraleitende Spulensysteme oder durch eine Kombination die
ser drei Methoden erzeugten Magnetfeldstruktur erfolgt, die im Innern durch ein Minimum
des Betrages des Magnetfeldes Bmin ausgezeichnet ist, von dem aus der Betrag des Magnet
feldes in alle Richtungen nach außen hin auf mindestens 1.7 . Bmin zunimmt, die durch eine
Kombination aus magnetischem Spiegelfeld (axialer Einschluß), bestehend aus zwei Maxima
des axialsymmetrischen magnetischen Feldes, zwischen denen die axialsymmetrische Plas
makammer angeordnet ist, und einem magnetischem Multipolfeld (sich abwechselnde Nord-
und Südpole auf dem meist zylindrischen Umfang der äußeren Plasmakammerwand für ra
dialen Einschluß) mit Symmetrieachse gleich der Symmetrieachse der Plasmakammer reali
siert wird, so daß das Plasma mit Hilfe von Mikrowellen unter Ausnutzung der Elektronen-
Zyklotron-Resonanz erzeugt und geheizt werden kann (EZR-Ionenquelle), wobei in der
Plasmakammer das für die Plasmaerzeugung erforderliche Vakuum erzeugt und der Rest
druck des gewünschten Gases aufrechterhalten wird und in die die Mikrowellen eingekop
pelt werden, wobei die Plasmakammer auf der sogenannten Extraktionsseite mit einer axial
symmetrischen Plasmaelektrode abgeschlossen ist, durch deren Öffnungen hindurch die er
zeugten Ionen mit einem elektrischen Ziehfeld aus dem Plasma extrahiert werden, was aller
dings durch den magnetischen Einschluß stark behindert wird,
dadurch gekennzeichnet,
daß der axiale magnetische Einschluß des Plasmas im Bereich der Plasmaelektrode durch
plötzliches, d. h. technisch so schnell wie mögliches Absenken des im Bereich der Plasmae
lektrode befindlichen Maximums des axialsymmetrischen magnetischen Spiegelfeldes auf
einen Wert, der kleiner oder gleich Bmin sei, plötzlich aufgehoben wird, und damit sich das
vorher eingeschlossene Plasma sehr schnell in Richtung dieser magnetischen Öffnung be
wegen kann, so daß es bis zur mechanischen Öffnung in der Plasmaelektrode gelangt, durch
welche je nach Polarität des elektrischen Ziehfeldes die Ionen oder die Elektronen des
Plasmas extrahiert werden, so daß ein plötzlicher, starker Anstieg der extrahierten Ionen
oder Elektronen-Ströme registriert wird, deren Stromstärken entweder bis zur Entleerung
des Plasmas oder bis zum Wiedereinschalten des magnetischen Einschlusses sehr viel grö
ßer sind als bei Vorhandensein des magnetischen Einschlusses.
2. Gepulste magnetische Öffnung von Elektronen-Zyklotron-Resonanz-Ionenquellen zur Er
zeugung kurzer, stromstarker Pulse hoch geladener Ionen oder von Elektronen nach Anspruch
1,
dadurch gekennzeichnet,
daß das plötzliche, d. h. technisch so schnell wie mögliche Absenken des im Bereich der Plas
maelektrode befindlichen Maximums des axialsymmetrischen magnetischen Spiegelfeldes auf
einen Wert, der kleiner oder gleich Bmin sei, dadurch bewerkstelligt wird, daß die elektrischen
Ströme in den dieses Maximum erzeugenden Spulen plötzlich, d. h. technisch so schnell wie
möglich abgesenkt werden.
3. Gepulste magnetische Öffnung von Elektronen-Zyklotron-Resonanz-Ionenquellen zur Er
zeugung kurzer, stromstarker Pulse hoch geladener Ionen oder von Elektronen nach Anspruch
1,
dadurch gekennzeichnet,
daß das plötzliche, d. h. technisch so schnell wie mögliche Absenken des im Bereich der Plas
maelektrode befindlichen Maximums des axialsymmetrischen magnetischen Spiegelfeldes auf
einen Wert, der kleiner oder gleich Bmin sei, dadurch bewerkstelligt wird, daß die Magnetfeld
struktur des magnetischen Einschlusses erhalten bleibt und mechanisch im räumlichen Bereich
der Plasmaelektrode eine Hilfsspule angeordnet wird, die mit einem plötzlichen Stromstoß so
beschickt wird, daß dem Maximum des axialsymmetrischen magnetischen Spiegelfeldes im Be
reich der Plasmaelektrode eine plötzliches Magnetfeldminimum überlagert wird, so daß dort
die Gesamtmagnetfeldstärke kleiner oder gleich Bmin wird.
4. Gepulste magnetische Öffnung von Elektronen-Zyklotron-Resonanz-Ionenquellen zur Er
zeugung kurzer, stromstarker Pulse hoch geladener Ionen oder von Elektronen nach Ansprü
chen 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß die in Anspruch 3 definierte Hilfsspule in die Plasmaelektrode integriert wird.
5. Gepulste magnetische Öffnung von Elektronen-Zyklotron-Resonanz-Ionenquellen zur Er
zeugung kurzer, stromstarker Pulse hoch geladener Ionen oder von Elektronen nach Ansprü
chen 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß die magnetische Öffnung so gestaltet wird, daß im geöffneten Zustand das axiale Magnet
feld auf der Symmetrieachse stetig von der Plasmakammermitte in Richtung der Extraktion und
darüber hinaus abfällt.
6. Gepulste magnetische Öffnung von Elektronen-Zyklotron-Resonanz-Ionenquellen zur Er
zeugung kurzer, stromstarker Pulse hoch geladener Ionen oder von Elektronen nach Ansprü
chen 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß gleichzeitig mit der plötzlichen Öffnung des axialen magnetischen Einschlusses auch die
Mikrowellenleistung plötzlich abgeschaltet wird.
7. Gepulste magnetische Öffnung von Elektronen-Zyklotron-Resonanz-Ionenquellen zur Er
zeugung kurzer, stromstarker Pulse hoch geladener Ionen oder von Elektronen nach Ansprü
chen 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Extraktionsöffnung in der Plasmaelektrode durch ein beliebig geformtes Extraktions
gitter ersetzt wird, damit die Partikel der nicht extrahierten Polarität darauf aufgefangen wer
den.
8. Gepulste magnetische Öffnung von Elektronen-Zyklotron-Resonanz-Ionenquellen zur Er
zeugung kurzer, stromstarker Pulse hoch geladener Ionen oder von Elektronen nach Ansprü
chen 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet,
daß gleichzeitig die elektrischen Ströme in mehreren das im Bereich der Extraktion liegende
Maximum des axialsymmetrischen magnetischen Spiegelfeldes erzeugenden Spulen und auch in
der in Anspruch 3 definierten Hilfsspule so plötzlich, d. h. technisch so schnell wie möglich ge
schaltet werden, daß der experimentell zu bestimmende Verlauf des axialen Magnetfeldes im
Bereich der Extraktion entsteht, der die größten extrahierten Ströme von Ionen oder Elektro
nen liefert.
9. Gepulste magnetische Öffnung von Elektronen-Zyklotron-Resonanz-Ionenquellen zur Er
zeugung kurzer, stromstarker Pulse hoch geladener Ionen oder von Elektronen nach Ansprü
chen 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet,
daß die magnetische Öffnung zeitabhängig so gesteuert wird, daß die Pulsform der Ionen
strompulse festgelegt werden kann, wobei auch nicht vollständige magnetische Öffnungen in
Betracht gezogen werden können.
10. Gepulste magnetische Öffnung von Elektronen-Zyklotron-Resonanz-Ionenquellen zur Er
zeugung kurzer, stromstarker Pulse hoch geladener Ionen oder von Elektronen nach Ansprü
chen 1 bis 9,
dadurch gekennzeichnet,
daß gleichzeitig mit dem plötzlichen Öffnen des axialen magnetischen Einschlusses auch der
magnetische Multipol überall oder zumindest im Bereich der Extraktion ganz oder teilweise
plötzlich abgeschaltet wird, um das Plasma möglichst homogen und in Achsennähe auf die Ex
traktionsöffnung in der Plasmaelektrode zuströmen zu lassen, um Ionen- oder Elektronen-
Stromimpulse möglichst guter Homogenität und Emittanz extrahieren zu können.
11. Gepulste magnetische Öffnung von Elektronen-Zyklotron-Resonanz-Ionenquellen zur Er
zeugung kurzer, stromstarker Pulse hoch geladener Ionen oder von Elektronen nach Ansprü
chen 1 bis 10,
dadurch gekennzeichnet,
daß durch Verzicht auf das elektrische Ziehfeld und durch Vergrößern der Extraktionsöffnung
in der Plasmaelektrode das ganze Plasma in die vorher definierte Extraktionsrichtung ausströ
men kann, das dann außerhalb der Ionenquelle als expandierender oder in äußernen Magnetfel
dern geführter Plasmapuls mit großem Anteil hoch geladener Ionen vorliegt, der vielfältig ge
nutzt werden kann.
12. Gepulste magnetische Öffnung von Elektronen-Zyklotron-Resonanz-Ionenquellen zur Er
zeugung kurzer, stromstarker Pulse hoch geladener Ionen oder von Elektronen nach Ansprü
chen 1 bis 11,
dadurch gekennzeichnet,
daß kurz vor dem magnetischen Öffnen der Ladungszustand der gewünschten hoch geladenen
Ionen mit Ionen-Zyklotron-Resonanz-Heizung spezifisch mit Rotationsenergie um die Feldlini
en im Resonanzvolumen versehen werden, damit sie nach magnetischer Öffnung durch ihr dann
vorhandenes magnetisches Moment im Gradienten des zur Extraktion hin stetig abnehmenden,
axialen Magnetfeldes zur Extraktion hin selektiv beschleunigt werden.
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---|---|---|---|
DE1999133762 DE19933762C2 (de) | 1999-07-19 | 1999-07-19 | Gepulste magnetische Öffnung von Elektronen-Zyklotron-Resonanz-Jonenquellen zur Erzeugung kurzer, stromstarker Pulse hoch geladener Ionen oder von Elektronen |
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---|---|---|---|
DE1999133762 DE19933762C2 (de) | 1999-07-19 | 1999-07-19 | Gepulste magnetische Öffnung von Elektronen-Zyklotron-Resonanz-Jonenquellen zur Erzeugung kurzer, stromstarker Pulse hoch geladener Ionen oder von Elektronen |
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DE19933762C2 DE19933762C2 (de) | 2002-10-17 |
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Also Published As
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