WO2001006533A2 - Gepulste magnetische öffnung von elektronen-zyklotron-resonanz-ionen-quellen zur erzeugung kurzer, stromstarker pulse hoch geladener ionen oder elektronen - Google Patents

Gepulste magnetische öffnung von elektronen-zyklotron-resonanz-ionen-quellen zur erzeugung kurzer, stromstarker pulse hoch geladener ionen oder elektronen Download PDF

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    • H01J27/18—Ion sources; Ion guns using high-frequency excitation, e.g. microwave excitation with an applied axial magnetic field
    • H—ELECTRICITY
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    • H05H1/00—Generating plasma; Handling plasma
    • H05H1/02—Arrangements for confining plasma by electric or magnetic fields; Arrangements for heating plasma
    • H05H1/16—Arrangements for confining plasma by electric or magnetic fields; Arrangements for heating plasma using externally-applied electric and magnetic fields
    • H05H1/18—Arrangements for confining plasma by electric or magnetic fields; Arrangements for heating plasma using externally-applied electric and magnetic fields wherein the fields oscillate at very high frequency, e.g. in the microwave range, e.g. using cyclotron resonance

Definitions

  • the invention relates to an ion source with time-variable extraction of highly charged ion or electron beams from a plasma with magnetic minimum B inclusion, which is generated with electro-magnetic microwaves using the electron-cyclotron resonance (EZR) and is heated, and which is loaded with any elements to be ionized from a gas reservoir or an integrated evaporator furnace
  • an axial magnetic plasma confinement by two or several circular, not necessarily identical magnetic coils at a certain axial distance from each other are generated in such a way that a maximum of magnetic field strength is generated at the location of the coils on the axis of symmetry of the ion source and a minimum of the magnetic field strength between the coils, which can be specially configured by additional coils.
  • Such an axial magnetic field structure is called a mirror field and can be realized with conventional or with superconducting coils with the same or opposite current direction.
  • this axial magnetic field structure is also realized with permanent magnets without using coils
  • Plasma confinement is caused by magnetic multipole fields (usually hexapole fields), which are usually constructed with permanent magnets, but can also be carried out with superconducting coils or with iron-reinforced copper coils.
  • MFM abbreviated minimum B magnetic field structure
  • a mostly cylindrical plasma chamber made of metal is used on the axis of symmetry, which essentially serves as a vacuum chamber in order, in cooperation with radially or axially arranged vacuum pumps, to produce a pressure of the gas to be ionized or
  • the microwave energy is coupled into the plasma chamber radially or axially with high-frequency waveguides or with coaxial lines, possibly in combination with antennas, whereby a microwave-permeable but vacuum-tight window ensures the vacuum closure of the plasma chamber in the area
  • the plasma chamber is closed by a pierced electrode, the so-called plasma electrode, through which the ions or electrons are extracted axially from a polarity adapted to an electrical pulling field
  • the magnetic inclusion in the direction of the extraction side is therefore deteriorated by the fact that the axial magnet Field maximum of the mirror field on the extraction side is smaller than that made on the opposite side. This increases the loss of ions from the MBM in the direction of the extraction side, which corresponds to the larger extracted ion currents.
  • this flying apart of the ions is mainly converted into an axial flying apart of the ions in both directions, so there ß a short pulse of ions occurs at the extraction opening.
  • the "afterglow” process actually generates pulses of highly charged ions of approximately 1 ms long, which can result in a maximum of one to two orders of magnitude larger currents of a highly charged ion than the corresponding continuous currents.
  • the disadvantage This method consists in that only a part of the ion confinement is switched off in the potential of the electrons, while the magnetic confinement remains constant
  • the pulsed field maximum is set in such a way that the ions and electrons decay everywhere Magnetic field are exposed to the extraction, so that they mainly fly apart in the direction of the extraction opening Because of the strong axial magnetic field, this flying apart of the ions is mainly converted into an axial flying apart of the ions, so that a short pulse of ions occurs at the extraction opening Magnetic switching of the MBM actually produces pulses of highly charged ions with a length of ⁇ 1 ms, which in the maximum result in about one to two orders of magnitude larger currents of a highly charged ion than the corresponding continuous currents.
  • JP-A2 6-76751 (A)] nevertheless proposes a pulsed mirror coil. However, it should be used to achieve the resonance field strength in order to produce ions during the pulse, which should then be extracted when the mirror coil is switched off a pulse control of ion production
  • extracted currents of highly charged ions from EZR ion sources can be increased in a pulsed manner by the fact that the ion inclusion is deteriorated or completely destroyed in a pulsed manner.
  • the methods used hitherto have fundamental or economic disadvantages. the ion Inclusion in EZR ion sources in a technically favorable and economical manner to be modified in pulsed fashion for the optimal extraction of highly charged ions and also of electrons
  • the pulsed magnetic opening of the MBM which is limited to the spatial area of the extraction opening, allows the charged particles stored in the previously existing MBM to escape from the interior of the MBM to the extraction opening and are extracted there very efficiently can, with the spatial limitation of the magnetic field to be switched, coils with small dimensions defined by this spatial area are sufficient, the pulsation of which is possible with little technical and economic means
  • This magnetic opening in the spatial area of the extraction opening in the plasma electrode must have the existing magnetic field strength B es o of the axially symmetrical magnetic mirror field at values B e ⁇ Significantly lower than the original value to values less than or equal to B min , so that the plasma particles only experience little or no axial forces in the direction of the center of the plasma chamber.
  • This switching down of the magnetic field at the extraction opening to values down to a value B ex ⁇ B m ⁇ n can be achieved immediately without mechanical modifications by suddenly reducing the electrical currents in the coils generating the original field B e 0 , ie technically as quickly as possible. Since it is large coil currents in coils of high inductance, this is sudden Switching about half of the coil currents is technically possible, but technically complex
  • the lowering of the extraction-side magnetic field B e 0 is accomplished in a technically simpler and much more economical manner in that the magnetic field structure of the original magnetic inclusion is retained and one or more auxiliary coils are mechanically arranged in the spatial area of the plasma electrode, which are then charged with a sudden current surge
  • a sudden magnetic field minimum can be superimposed on the magnetic field at the extraction electrode B e 0 , so that the total magnetic field strength B e there is significantly smaller than B e o up to ⁇ B m ⁇ n is a particularly simple solution is achieved in that one of the auxiliary coils is integrated into the plasma electrode
  • the wall material of the plasma chamber must be made of poorly electrically conductive material so that the penetration-preventing, diamagnetic eddy currents can only form weakly.
  • Stainless steel or insulators are well-suited materials for this purpose. Plasma chambers from these materials should then be coated on the inner wall with thin conductive metal layers for good microwave reflection
  • the presence of the magnetic multipole poses a problem for the ion-optical quality of the generated current pulses.
  • the magnetic multipole is suddenly completely or partially switched off completely or at least in the area of the extraction in order to allow the plasma to flow as homogeneously as possible and close to the axis to the extraction opening in the plasma electrode in order to be able to extract ion or electron current pulses with the best possible homogeneity and emittance
  • an EZR ion source can be shown in Fig. 1 It consists of a plasma chamber (1), in which the vacuum required for plasma generation is generated and the residual pressure of the desired gas is maintained through a gas inlet (2), and in which the Microwaves (3) are coupled in.
  • the plasma chamber On the ion or electron extraction side, the plasma chamber is closed off with a plasma electrode (4), which is followed by an extraction electrode (6) in the extraction direction (5).
  • the openings in the plasma and extraction electrodes 7) generated ions or electrons are extracted from the plasma, a so-called pulling field of selectable polarity being built up by a voltage difference between the plasma and the extraction electrode.
  • the magnetic field structure is formed by a radially magnetized permanent magnet ring (8), four current-carrying coils (9) and an octopole (10) composed of permanent magnets testifies, whose individual magnets are magnetized with the indicated arrow directions.
  • the ring (8) and the coils (9) can be adjusted mechanically and electrically so that they produce (1: 1) on the z-axis (12) with a very shallow minimum (13), the lowest value on the axis B m ⁇ n in the center of the plasma chamber is a result of this axial field B, for example, an axial field B z z (1 1, 13) the plasma (7) is well enclosed axially.
  • a first auxiliary coil (16) can be installed in the plasma electrode and a second auxiliary coil (17) can be installed in the area of the plasma electrode, which are charged with a suddenly rising current pulse, which has a local, axial, magnetic Field of the kind generated that the superimposed total axial magnetic field on the axis in the extraction area takes the forms (15) in order to determine the best shape (15) of the total axial magnetic field on the axis in the area de r extraction for the extraction of the largest ion or electron current pulses or plasma pulses, the electrical currents of all coils generating these fields can be switched simultaneously by adjustable positive or negative values

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Abstract

Um aus Elektronen-Zyklotron-Resonanz-(EZR)-Ionenquellen mit allseitigem magnetischen Einschluss eines EZR-geheizten Plasmas große, kontinuierliche Ströme von Ionen zu extrahieren, müssen sie bekanntlich so asymmetrisch gebaut werden, dass 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 Plasmavorrat 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 Elektronen-strompulse extrahiert werden.

Description

Gepulste magnetische Öffnung von Elektronen-Zyklotron-Resonanz- Ionen-Quellen zur Erzeugung kurzer, stromstarker Pulse hoch geladener Ionen oder Elektronen
Beschreibung
Die Erfindung betrifft eine Ionenquelle mit zeitlich variabler Extraktion hoch geladener Io- nen-oder Elektronen-Strahlen aus einem Plasma mit magnetischem Minimum-B-Einschluß, das mit elektro-magnetischen Mikrowellen unter Ausnutzung der Elektronen-Zykolotron-Reso- nanz (EZR) erzeugt und geheizt wird, und das mit beliebigen zu ionisierenden Elementen aus einem Gasreservoir oder einem integrierten Verdampferofen beschickt wird
Es ist bekannt, daß Strahlen hochgeladener Ionen mit großer Ausbeute aus solchen EZR- Ionen-Quellen (EZRIQ), im Englischen unter dem Begriff „Electron-Cyclotron-Resonance- Ion-Sources" (ECRIS) bekannt, extrahiert werden können Die Konstruktionsmerkmale dieser EZR-Ionenquellen sind in Patentschriften [DE 3104461 AI, US 4,631,438, US 4,638,216, EPAO 138642, EPAO 130907, FR 2475798, FR 2512623, EPAO 142414, EPAO 145586, FR 2592518, EPAO 238397, EPAO 252845, DE 4419970 AI, JP-A2 5-109365 (A), JP-A2 6- 76751 (A), FR 94 04027,EP 0813223 AI, WO 94/03919, ] und wissenschaftlich-technischen Veröffentlichungen publiziert [Ref l B Jacquot et M Pontonnier, "La Source CAPRICE 10 GHz en Mode Harmonique 2(CÖHF - Ü)CE) = 0", Nuclear Instruments and Methods in Nuclear Research A287, 341-347 (1990), Ref2 A G Drentje, "Review of the Eleventh International Workshop on ECR ion sources", Review of Scientific Instruments 65, 1045-1050 (1994), Ref.3 R Geller, "Electron Cyclotron Resonance Ion Sources and ECR-Plasmas", Institute of Physics Publishing, Bristol and Philadelphia, 1996, ISBN 0 7503 0107 4, Ref 4 R Geller, Review of Scientific Instruments 69, 1302-1310 (1998)] Demnach wird ein axialer magnetischer Plasmaeinschluß durch zwei oder mehrere kreisförmige, nicht notwendigerweise identische Magnetspulen in einem gewissen 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 Magnetfeldstarke entsteht, das durch Zusatzspulen speziell konfiguriert werden kann Eine solche axiale Magnetfeldstruktur wird Spiegelfeld genannt und laßt 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 Permanentmagneten 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 Mini- mum-B-Magnetfeldstruktur (MBM) nennt
In diese MBM wird auf der Symmetrieachse eine meist zylindrische Plasmakammer aus Metall eingesetzt, die im wesentlichen als Vakuumkammer dient, um im Zusammenwirken mit radial oder axial angeordneten Vakuumpumpen einen Druck des zu ionisierenden Gases oder
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Gasgemisches im Plasmabereich von 10 bis 10 Pa zu gewahrleisten Die Mikrowellenenergie wird mit Hochfrequenz-Hohlleitern oder mit Koaxialleitungen, eventuell in Kombination mit Antennen radial oder axial in die Plasmakammer eingekoppelt, wobei ein mikrowellendurchlas- siges, aber vakuumdichtes Fenster den Vakuumabschluß der Plasmakammer gewahrleistet Im Bereich eines der beiden axialen Magnetfeldmaxima, der im folgenden als Extraktionsseite bezeichnet wird, ist die Plasmakammer durch eine durchbohrte Elektrode, 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 gebracht, raumlich konzentriert und ausreichende Zeiten gespeichert [Ref 5 , A Heinen, Ch Vitt, and H J Andra, „Density and Energy Density Distributions of Electrons in Compact ECRIS", in Conference on the Physics with Highly Charged Ions, Bensheim, Germany, Sept 1998, Physica Scripta (1999), Ref 6 , A Heinen, M Ruther, H W Ortjohann, Ch Vitt, S Rhode, and H J Andra, „Hearing 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 La- dungszustanden ionisieren können Es wird angenommen, daß diese Ionisation vorwiegend in den raumlichen Bereichen großer Elektronen-Energiedichte stattfindet, in denen die entstandenen Ionen auch in der großen Elektronendichte zwecks negativer Ladungskompensation festgehalten werden Da die Ionen in diesen EZR-Ionenquellen nur sehr wenig Energie gewinnen, können sie also unter der doppelten einschließenden Wirkung der Raumladung der Elektronen und des magnetischen Einschlusses der MBM lange, mittlere Zeiten τ in der EZR-Ionenquelle festgehalten werden und nur mit geringer Wahrscheinlichkeit bis zur Extraktionsoffnung gelangen und extrahiert werden Dies ist vor allem dann der Fall, wenn das magnetische Spiegelfeld symmetrisch aufgebaut ist, d h wenn die beiden Magnetfeldmaxima auf der Achse gleiche Magnetfeldstarke 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 Magnet- feldmaximum des Spiegelfeldes auf der Extraktionsseite kleiner als das auf der entgegengesetzten Seite gemacht wird Dadurch wird der Verlust von Ionen aus der MBM in Richtung der Extraktionsseite erhöht, der größeren extrahierten Ionenstromen entspricht Da diese Verluste die mittlere Verweilzeit x der Ionen in der MBM verkurzen, und umgekehrt aber ein langes x für die Erzeugung der hohen Ladungszustande benotigt wird [Ref 1], kann nur ein Kompromiß zwischen langem x für die Produktion und kurzem x für die Extraktion zum Optimum des extrahierten, kontinuierlichen Stroms eines bestimmten Ladungszustandes fuhren
Für die Erzeugung zeitlich kurzer Pulse hoch geladener Ionen wurde deshalb ein Verfahren entwickelt, das den Ionen-Einschluß in der Raumladung der Elektronen kurzzeitig dadurch verschlechtert, daß die EZR-Heizung durch plötzliches Abschalten der Mikrowelle ausgeschaltet wird [Ref 3 und Ref 6] Dieses sog „Afterglow"-Verfahren (der aus dem Englischen entlehnte Begriff für das Nachleuchten eines Plasmas nach Abschalten des Erzeugungmechanismus) fuhrt dazu, daß mit dem Abschalten der EZR-Heizung vor allem die Elektronen niedriger Energie durch Stoße mit anderen geladenen Partikeln aus der MBM herausgestreut werden, so daß ein Teil der Raumladung der Elektronen für den Einschluß der ursprunglich vorhandenen Ionen verloren geht und deshalb letztere wegen der Coulomb-Abstoßung untereinander auseinanderfliegen Wegen des starken axialen Magnetfeldes wird dieses Auseinanderfliegen der Ionen vorwiegend in ein axiales Auseinanderfliegen der Ionen in beide Richtungen umgewandelt, so daß an der Extraktionsoffnung ein kurzer Puls von Ionen auftritt Das „Afterglow"- Verfahren erzeugt tatsachlich Pulse hoch geladener Ionen von etwa 1 ms Lange, die im Maximum ein bis zwei Größenordnungen größere Strome eines hoch geladenen Ions ergeben können als die entsprechenden kontinuierlichen Strome Der Nachteil dieses Verfahrens liegt darin, daß nur ein Teil des Ionen-Einschlusses im Potential der Elektronen abgeschaltet wird, wahrend der magnetische Einschluß konstant erhalten bleibt
Es wurden deshalb erfolgreiche Versuche unternommen, den magnetischen Einschluß aller in der MBM befindlichen, geladenen Teilchen kurzzeitig auszuschalten [Ref 7 C Mühle, „ Untersuchung einer ECRIS mit gepulster magnetischer Extraktion", Dissertation, 1995, Univ Frankfurt, durchgeführt in der GSI-Darmstadt, GSI-95-07 Report (1995), Ref 8 C Mühle et al , „Status of the pulsed magnetic field electron cyclotron resonance ion source", Review of Scientific Instruments 65, 1078-1080 (1993), Ref 9 C Mühle et al , "Pulsed magnetic field- electrons cyclotron resonance ion source Operation", Review of Scientific Instruments 67, 1331-1333 (1996)] In diesem Experiment wurde gezeigt, daß eine die Plasmakammer umschließende, axialsymmetrische, zylindrische Spule dazu verwendet werden kann, das Minimum des magnetischen Spiegelfeldes in wenigen μs in ein Maximum umzuschalten, das großer ist als die Maxima des ursprunglichen Spiegelfeldes Dadurch wird der magnetische Einschluß aller geladenen Partikel zerstört, so daß für die Ionen sowohl der magnetische wie auch der Raumladungs-Einschluß durch die Elektronen verloren geht In Referenzen 7-9 wird dabei das gepulste Feldmaximum so gelegt, dass die Ionen und Elektronen überall einem Abfall des Magnetfeldes zur Extraktion hin ausgesetzt sind, so dass sie vorwiegend in Richtung der Ex- traktionsoffnung auseinander fliegen Wegen des starken axialen Magnetfeldes wird dieses Auseinanderfliegen der Ionen vorwiegend in ein axiales Auseinanderfliegen der Ionen umgewandelt, so dass an der Extraktionsoffnung ein kurzer Puls von Ionen auftritt Das magnetische Schalten der MBM erzeugt experimentell tatsachlich Pulse hoch geladener Ionen der Lange <1 ms, die im Maximum etwa ein bis zwei Größenordnungen größere Strome eines hoch geladenen Ions ergeben als die entsprechenden kontinuierlichen Strome Das Experiment wurde aber mit einer EZR-Ionenquelle mit schwachem magnetischen Einschluß durchgeführt, so daß die erzielbaren Strompulse deutlich kleiner ausfielen als mit dem „Afterglow"-Verfahren bei Hochleistungs-EZR-Ionenquellen, obwohl sie prinzipiell großer ausfallen sollten Der große Nachteil dieses 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 erfordert und deshalb aus wirtschaftlichen Gründen nicht mit großen Puls- Wiederholraten durchgeführt werden kann
Das alleinige Schalten der extraktionsseitigen Spiegelspule wird in Referenzen 7-9 wegen der zu großen Induktivität dieser Spule ausdrucklich ausgeschlossen Es wird darin außerdem darauf verwiesen, dass wegen Wirbelstromen in den Plasmakammerwanden das Eindringen des gepulsten Feldes in die Plasmakammer dann nicht möglich sei
In [JP-A2 6-76751 (A)] wird trotzdem eine gepulste Spiegelspule vorgeschlagen Sie soll aber zum Erreichen der Resonanzfeldstarke eingesetzt werden, um wahrend des Pulses Ionen zu produzieren, die dann bei ausgeschalteter Spiegelspule extrahiert werden sollen Es handelt sich dabei also um eine Pulssteuerung der Ionenproduktion
In [DE 3104461 AI] wird im Anspruch 4 zwar beansprucht, dass „wenigstens eines der a- xialen oder radialen magnetischen Felder pulsierend" sein kann, aber es wird nicht erläutert, was damit erreicht werden soll Es muss daher davon ausgegangen werden, dass zum Zeitpunkt der Anmeldung von [DE 3104461 AI] das Erreichen großer Magnetfeldstarken noch ein großes Problem darstellte, das damals in der Plasmaphysik, aus der die EZRIQ hervorgegangen sind, mit pulsierenden Feldern gelost wurde Es ist auf jeden Fall aus [DE 3104461 AI] nicht ersichtlich, dass mit pulsierenden Feldern die magnetische Extraktion von Ionen gesteuert werden soll.
Alle anderen Patentschriften betreffen die Optimierung der EZRIQ im allgemeinen oder Methoden der Modifikation der statischen Magnetfelder, um die kontinuierliche Extraktion von Ionen zu verbessern In letztere Kategorie fallt auch Ref 3
Zusammenfassend kann also gesagt werden, daß extrahierte Strome 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 besitzen aber prinzipielle oder wirtschaftliche Nachteile Es besteht damit die Aufgabe, den Ionen- Einschluß in EZR-Ionenquellen auf technisch gunstige und wirtschaftliche Art und Weise pulsartig für die optimale Extraktion hoch geladener Ionen und auch von Elektronen zu modifizieren
Diese Aufgabe wird erfmdungsgemaß dadurch gelost, daß durch eine pulsartige magnetische Öffnung der MBM, die auf den raumlichen Bereich der Extraktionsoffnung beschrankt ist, die in der vorher existierenden MBM gespeicherten geladenen Partikel aus dem Innern der MBM zur Extraktionsoffnung hin entweichen und dort sehr effizient extrahiert werden können, wobei durch die raumliche Begrenzung des zu schaltenden Magnetfelds Spulen mit kleinen, durch diesen raumlichen Bereich definierte Dimensionen ausreichen, deren Pulsung mit geringen technischen und wirtschaftlichen Mitteln möglich ist
Diese magnetische Öffnung im raumlichen Bereich der Extraktionsoffnung in der Plasmaelektrode muß die dort existierende Magnetfeldstarke Beso des axialsymmetrischen magnetischen Spiegelfeldes auf Werte Be <
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deutlich kleiner als den ursprunglichen Wert bis zu Werten kleiner oder gleich Bmιn absenken, damit die Plasmapartikel nur noch kleine oder gar keine Axialkrafte in Richtung der Mitte der Plasmakammer mehr erfahren Dieses Herunterschalten des Magnetfeldes an der Extraktionsoffnung auf werte bis zu einem Wert Bex < Bmιnkann ohne mechanische Umbauten sofort dadurch erzielt werden, daß die elektrischen Strome in den das ursprungliche Feld Be 0 erzeugenden Spulen plötzlich, d h technisch so schnell wie möglich abgesenkt werden Da es sich um große Spulenstrome in Spulen großer Induktivität handelt, ist dieses plötzliche Schalten etwa der Hälfte der Spulenstrome zwar technisch möglich, aber technisch aufwendig
Technisch einfacher und wesentlich wirtschaftlicher wird die Absenkung des extraktionssei- tigen Magnetfeldes Be 0 dadurch bewerkstelligt, daß die Magnetfeldstruktur des ursprunglichen magnetischen Einschlusses erhalten bleibt und mechanisch im raumlichen Bereich der Plasmaelektrode eine oder mehrere Hilfsspulen angeordnet werden, die mit einem plötzlichen Stromstoß beschickt werden Dadurch kann dem Magnetfeld an der Extraktionselektrode Be 0 ein plötzliches Magnetfeldminimum überlagert werden, so daß dort die Gesamtmagnetfeldstarke Be deutlich kleiner als Be o bis zu
Figure imgf000006_0002
< Bmιn wird Ein besonders einfache Losung wird dadurch erreicht, daß eine der Hilfsspulen in die Plasmaelektrode integriert wird
Es ist naturlich auch möglich die magnetische Öffnung im raumlichen Bereich der Extraktion zeitabhängig so zu steuern, daß die Pulsformen der extrahierten Ionen- oder Elektronen- Strompulse beeinflußt werden können Dies schließt auch die Möglichkeit ein, die Gesamtmagnetfeldstarke im Bereich der Extraktion nur auf werte abzusenken, welche die Bedingung Bexo ≥ Be > Bmιn erfüllen
Damit der Magnetfeldpuls in die Plasmakammer eindringen kann, muss das Wandmaterial der Plasmakammer aus elektrisch schlecht leitendem Material gefertigt sein, damit das Eindringen verhindernde, diamagnetische Wirbelstrome sich nur schwach ausbilden können Edelstahl oder Isolatoren sind dafür gut geeignete Materialien Plasmakammern aus diesen Matrialien sollten dann auf der Innenwand mit dünnen leitenden Metallschichten für gute Mikrowellenreflexion beschichted sein
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 Offnen 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 Achsennahe auf die Extraktionsoffnung in der Plasmaelektrode zuströmen zu lassen, um Ionen- oder Elektronen- Stromimpulse möglichst guter Homogenitat und Emittanz extrahieren zu können
Für viele technologische Anwendungen ist es nicht notwendig, Ionen und Elektronen getrennt zu extrahieren Die Verwendung des gesamten, neutralen Plasmas ist verfahrenstechnisch oft sogar wirkungsvoller als die Verwendung reiner Ionen- oder Elektronenstrahlen Dies gilt insbesondere für Plasmen großer Energiedichte wie sie in EZR-Ionenquellen vorliegen Durch Verzicht auf das elektrische Ziehfeld und durch Vergrößern der Extraktionsoffnung in der Plasmaelektrode kann dieses ganze Plasma durch magnetische Öffnung in die vorher definierte Extraktionsrichtung ausströmen und außerhalb der EZR-Ionenquelle nutzbar gemacht werden Die Ausstromgeschwindigkeit laßt sich dabei sogar über den Gradienten des abfallenden 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 Fuhrungsfelder an die jeweiligen Verfahren angepaßt werden
Eine weitere Erläuterung der Erfindung erfolgt mit dem Ausführungsbeispiel 1 (vergl Figur 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 Extraktionsrichtung (5) eine Extraktionselektrode (6) folgt Durch die Offnungen 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 Extraktionselektrode ein sogenanntes Ziehfeld wahlbarer Polarität aufgebaut wird Die Magnetfeldstruktur 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 (1 1) auf der z- Achse (12) mit einem sehr flachen Minimum (13) erzeugen, dessen kleinster Wert auf der Achse Bmιn in der Mitte der Plasmakammer liegt Durch dieses axiale Feld Bz (1 1, 13) wird das Plasma (7) axial gut eingeschlossen Durch plötzliches Absenken des elektrischen Stroms in der Spule (14) wird die gestrichelten axialen Felder Bz (15) im Bereich der Extraktion erhalten, die den Ansprüchen 1 und 6 gerecht wird Anstatt den Strom der Spule 14 zu schalten, kann in die Plasmaelektrode eine erste Hilfsspule (16) und im Bereich der Plasmaelektrode eine zweite Hilfsspule (17) eingebaut werden, die mit einem plötzlich ansteigenden Stromimpuls beschickt werden, der ein lokales, axiales, magnetisches Feld der Art erzeugt, daß das überlagerte axiale Gesamtmagnetfeld auf der Achse im Bereich der Extraktion die Formen (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 Plasmaimpulse zu erreichen, können auch die elektrischen Stome aller diese Felder erzeugenden Spulen gleichzeitig um einstellbare positive oder negative Werte geschaltet werden

Claims

Patentansprüche
1 Elektronen-Zyklotron-Resonanz-Ionen-Quelle (EZRIQ), im Englischen als „Electron- Cyclotron-Resonance-Ion-Source" (ECRIS) bekannt, insbesondere für hoch geladene Ionen, wobei die Magnetfeldstruktur für den Plasmaeinschluß mit Permanentmagneten, stromdurch- flossenen Kupferspulensystemen, supraleitenden Spulensystemen oder mit einer Kombination dieser drei Methoden erzeugt wird, wobei der Betrag des im Innern der Magnetfeldstruktur herrschenden Bmιn-Feldes nach außen in jede Richtung auf mindestens 1 ,7 Bmιn zunimmt und die das Minimum des Magnetfeldes einschließende, meist zylindrische Plasmakammer in axialer Richtung durch magnetische Spiegelfelder und in radialer Richtung durch ein magnetisches Multipolfeld begrenzt wird, wobei die zur Mikrowelleneinkopplung vorgesehene Plasmakammer auf ihrer Extraktionsseite durch eine axialsymmetrisch angeordnete Plasmaelektrode abgeschlossen ist, durch deren Offnungen Ionen durch ein elektrisches Ziehfeld extrahiert werden, gekennzeichnet dadurch, dass in axialer Richtung in Hohe der Plasmaelektrode eine oder mehrere pulsstrombeaufschlagte Hilfsspulen angeordnet sind, die durch einen Strompuls einen Teil des axialen magnetischen Spiegelfeldes an der Plasmaelektrode zeitlich abrupt auf einen Wert deutlich unter 1,7 Bmm und im Idealfall bis < Bmιn absenken
2. EZRIQ (ECRIS) nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch , dass die Hilfsspulen teilweise oder ganz in die Plasmaelektrode integriert sind
3 EZRIQ (ECRIS) nach Ansprüchen 1 oder 2, gekennzeichnet dadurch , dass die Mikrowellenleistung simultan zur Pulsstrombeaufschlagung der Hilfsspule gestoppt wird
4. EZRIQ (ECRIS) nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet dadurch , dass die Plasmaelektrode ein Extraktionsgitter als Öffnung erhalt
5. EZRIQ (ECRIS) nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet dadurch , dass das magnetische Multipolfeld simultan zur Pulsstrombeaufschlagung der Hilfsspule zumindest teilweise abgeschaltet wird
6 Elektronen-Zyklotron-Resonanz-Ionen-Quelle (EZRIQ oder im Englischen ECRIS), insbesondere für hoch geladene Ionen, wobei die Magnetfeldstruktur für den Plasmaeinschluß mit Permanentmagneten, stromdurchflossenen Kupferspulensystemen, supraleitenden Spulensystemen oder mit einer Kombination dieser drei Methoden erzeugt wird, wobei der Betrag des im Innern der Magnetfeldstruktur herrschenden Bmιn-Feldes nach außen in jede Richtung auf mindestens 1,7 Bmιn zunimmt und die das Minimum des Magnetfeldes einschließende, meist zylindrische Plasmakammer in axialer Richtung durch magnetische Spiegelfelder und in radialer Richtung durch ein magnetisches Multipolfeld begrenzt wird, wobei die zur Mikrowellenein- kopplung vorgesehene Plasmakammer auf ihrer Extrakt ionsseite durch eine axial symmetrisch angeordnete Plasmaelektrode abgeschlossen wird, gekennzeichnet dadurch, dass die Plasmaelektrode eine nicht zu enge Öffnung aufweist, nicht unter Einfluss eines elektrischen Ziehfeldes zur Ionenextraktion steht, und in axialer Richtung in Hohe der Plasmaelektrode eine oder mehrere strompulsbeaufschlagte Hilfsspulen angeordnet sind, die durch einen Strompuls einen Teil des axialen magnetischen Spiegelfeldes an der Plasmaelektrode zeitlich abrupt auf einen Wert deutlich unter 1,7 Bmm und im Idealfall bis < Bmιn absenken
7. EZRIQ (ECRIS) nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet dadurch , dass den zu extrahierenden Ionen vor der Pulsstrombeaufschlagung der Hilfsspule durch Ionen- Zyklotron-Resonanz-Heizung Rotationsenergie zugeführt wird
8 EZRIQ (ECRIS) nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet dadurch , dass die Plasmakammer aus elektrisch schlecht leitendem Material gefertigt ist, und die Innenwände dieser Plasmakammer mit einer dünnen Schicht < 100 μm aus elektrisch gut leitendem Material, wie z B Cu oder Ag, beschichtet sind
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