DD229865A1 - Breitstrahlionenquelle - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft die konstruktive Gestaltung des Brennraumes und des Absaugelektrodensystems von Breitstrahlionenquellen und loest die Aufgabe, thermisch bedingte Spannungen so auszugleichen, dass weder Beschaedigungen noch Dejustierungen auftreten. Das wird erreicht, indem Schraubverbindungen im Bereich des Brennraumes und des Absaugeelektrodensystems vermieden werden: alle Teile sind lediglich zusammengesteckt und werden mittels Federkraft ueber ein Druckringsystem zusammengehalten. Entsprechend gelagerte Isolationskoerper zwischen den einzelnen Teilen sorgen dafuer, dass sich die Teile zwar in radialer Richtung gegeneinander verschieben, aber nicht gegeneinander verdrehen koennen.

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft die konstruktive Gestaltung des Brennraumes einschließlich des Absaugelektrodensystems von Breitstrahiionenquellen, die für die Bearbeitung von Festkörperoberflächen, für Beschichtungssysteme zur Zerstäubung von Festkörpermaterial, als lonenerzeuger in der Fusionsforschung oder als Triebwerke in der Raumfahrt eingesetzt werden können. Unter dem Brennraum ist der das Plasma einschließende Teil der Ionenquelle zu verstehen, während das Absaugelektrodensystem das System der Elektroden, die die elektrostatische Absaugung und Fokussierung von Ionen aus dem Plasma bewirken, umfaßt

In den bekannten Breitstrahiionenquellen werden die Teile des Brennraumes sowie des Absaugelektrodensystems mit mehr oder weniger kompliziert aufgebauten Isolationskörpern kombiniert und untereinander und miteinander verschraubt. Die notwendige Anzahl der Verschraubungen richtet sich unter anderem nach dem Durchmesser des Absaugelektrodensystems und des Brennraumes (z.B. H.R.Kaufmann und R.S.Robinson, „lon Source Design for Industrial Applications", AIAA Journal, Vol. 20, No 6, Jun. 82).

Da in einem Absaugelektrodensystem unterschiedliche Materialien (Molybdän, Edelstahl, Keramik u.a.) miteinander verbunden werden und an diesen Teilen Temperaturen bis zu 800 K auftreten können, kann es zum Bruch der Isolatormaterialien kommen (bedingt durch unterschiedliche Ausdehnungskoeffizienten). Schraubverbindungen aller Art lassen in der Regel keine unterschiedlichen Wärmeausdehnungen des Systems zu, so daß es zu Verwerfungen und DeJustierungen des Absaugelektroden kommen kann. Dadurch können aber sowohl Teilchendichte als auch deren Verteilung über den Durchmesser (Strahlhomogenität) beeinflußt werden.

Ziel der Erfindung

Das Ziel der Erfindung ist ein geringer Bau- und Montageaufwand für den Brennraum und das Absaugelektrodensystem von Breitstrahiionenquellen.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Brennraum einschließlich Absaugelektrodensystem so zu gestalten, daß thermisch bedingte Spannungen weder zu Beschädigungen noch zu DeJustierungen führen und der Bau-und Montageaufwand.' gering ist.

Die erfindungsgemäße Breitstrahlionenquelle ist dadurch charakterisiert, daß im Bereich des Brennraumes und des Absaugelektrodensystems jegliche Schraubverbindungen vermieden sind: die den Brennraum bildenden Teile Grundplatte, (zylindrische) Seitenwand und auf der Seitenwand aufliegender Tragring sind zusammengesteckt, wobei die Grundplatte auf in den Grundkörper der Quelle eingesteckten Hauptisolatoren ruht; auf dem Tragring des Brennraumes sind unter Zwischenlegung von Isolatoren die einzelnen Teile des Absaugelektrodensystems angeordnet. Alle Teile des Absaugelektrodensystems und des Brennraumes werden mittels Federkraft über einen Druckring, der sich oberhalb des Absaugelektrodensystems befindet und durch einen Sprengring fixiert wird, zusammengehalten.

Auf gleichem Potential betriebene Elemente sind mit entsprechender Passung ineinandergesteckt, während potentialgetrennte Elemente durch in entsprechenden Aussparungen der Elemente gelagerte Isolationskörper, vorzugsweise in Form von Kugeln oder Zylindern, voneinander getrennt sind.

Die Aussparungen haben im Falle von Isolationskörpern in Kugel- bzw. Zylindergestalt eine in der Draufsicht rechteckige Form. Die Abmessungen sind so gewählt, daß sich die Elemente zwar in radialer Richtung, nicht aber in dazu senkrechter Richtung gegeneinander verschieben können, d.h., die Elemente sind verdrehungssicher zueinander angeordnet, haben aber die Möglichkeit, durch unterschiedliche Temperaturen oder Ausdehnungskoeffizienten bedingte unterschiedliche Ausdehnungen bzw. Kontraktionen auszuführen, ohne daß die Gefahr der Zerstörung einzelner Elemente oder sogar des Gesamtsystems oder der DeJustierung von Elektroden besteht.

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Das Absaugelektrodensystem ist so ineinandergeschachtelt, daß eine Bedampfung der Isolationskörper weitestgehend vermieden wird. Zur Verlängerung der Kriechstrecke auf der Oberfläche der Isolationskörper können in diese zusätzliche Nuten eingearbeitet werden.

Da die zweite Elektrode des Absaugelektrodensystems im Elektrodenträger ebenfalls verschraubungsfrei befestigt wird, ist vor der Montage des Druckringes eine Justierung der Elektroden zueinander mit Hilfe von Justierstiften ohne weiteres möglich.

Diese Justierstifte können nach der Montage wieder entfernt werden.

Die erste Elektrode, die sogenannte Schirmelektrode, ist isoliert vom Brennraum angeordnet, um bei bestimmten Betriebsregimes Ionen bzw. Neutralteilchen mit einer Energie unter 10OeV erzeugen zu können.

Die Hauptisolatoren, die sowohl im Grundkörper der Quelle als auch in der Grundplatte des Brennraumes gesteckt sind, können auch als Gaseinlaß genutzt werden, wenn durch zusätzliche Maßnahmen, z. B. durch in sie eingeklebte Fritten, eine Glimmentladung zwischen Plasmapotential und Erdpotential vermieden wird.

Ausführungsbeispiel

Es zeigen:

— Figur 1 die konstruktive Gestaltung von Brennraum und Absaugelektrodensystem einer Breitstrahlionenquelle,

— Figur 2 Isolationskörper in Zylinder- bzw. Kugelform sowie ihre Lage zwischen den Elementen des Absaugelektrodensystems,

— Figur 3 Einzelheiten des Absaugelektrodensystems.

Im Grundkörper 1 einer Breitstrahlionenquelle sind in entsprechenden Bohrungen drei Hauptisolatoren 2 angeordnet, auf denen die Grundplatte 4 des Brennraumes aufliegt. Die Grundplatte 4 besitzt an den entsprechenden Stellen ebenfalls Bohrungen, so daß das Betriebsgas durch den axialen Kanal in den Hauptisolatoren 2 in den Brennraum geleitet werden kann. Zur Vermeidung von Glimmentladungen sind mit den Hauptisolatoren 2 Fritten 3 verklebt. Auf der Grundplatte 4 sitzt ein Zylinder 5 als Seitenwand des Brennraumes und darauf ein Tragring 6. Auf dem Tragring 6 sind die Elemente des Absaugeiektrodensystems angeordnet: die Elektroden 7 und die Isolatoren 8. Den Abschluß nach oben bildet ein Druckringsystem aus einem zweiteiligen Druckring 9 und Federelementen 10. Die Arretierung des Druckringsystems geschieht mit Hilfe eines im Grundkörper 1 der Ionenquelle fixierten Sprengring 11. Aus der Figur 3 ist ersichtlich, wie die Justierung des Elektrodensystems beim Zusammenbau erfolgt: in den einzelnen Elementen sind Bohrungen 12 für Justierstifte vorgesehen, die nach dem Zusammenbau wieder entfernt werden. Die eine€Iektrode 7 ist daher, so daß die Justierung ohne Schwierigkeiten durchgeführt werden kann.

Claims (8)

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   Erfindungsanspruch:

   1. Breitstrahlionenquelle, dadurch gekennzeichnet, daß die den Brennraum bildenden Teile Grundplatte (4), Seitenwand (5) und Tragring (6) zusammengesteckt sind, wobei die Grundplatte (4) auf in den Grundkörper (1) der Ionenquelle gesteckten Hauptisolatoren (2) ruht, auf dem Tragring (6) die Teile des Absaugelektrodensystems unter Zwischenlegung von Isolatoren (8) angeordnet sind und alle Teile des Absaugelektrodensystems und des Brennraumes mit einem federkraftbeaufschlagten Druckringsystem (9,10,11) zusammengehalten werden.
2. 2. Breitstrahlionenquelle nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf gleichem Potential betriebene Teile mit zugehöriger Passung ineinandergesteckt und potentialgetrennte Teile durch in entsprechenden Aussparungen der Teile gelagerte Isolatoren (8) voneinander getrennt sind.
3. 3. Breitstrahlionenquelle nach Punkt 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolatoren (8) Kugel-oder Zylinderform besitzen und mit zusätzlichen Nuten zur Verlängerung der Kriechstrecke ausgerüstet sind.
4. 4. Breitstrahlionenquelle nach Punkt 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Aussparungen in den Teilen des Absaugelektrodensystems in der Draufsicht einen rechteckigen Querschnitt besitzen, dessen Abmessungen so gewählt sind, daß sich die Teile in radialer Richtung gegeneinander verschieben, aber nicht gegeneinander verdrehen können.
5. 5. Breitstrahlionenquelle nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hauptisolatoren (2) Steckverbindungen zwischen' dem Grundkörper (1) der Ionenquelle und der Grundplatte (4) des Brennraumes darstellen und einen Kanal für den Einlaß des Betriebsgases besitzen.
6. 6. Breitstrahlionenquelle nach Punkt 1 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß mit den Hauptisolatoren (2) Fritten (3) verbunden sind.
7. 7. Breitstrahlionenquelle nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Teile des Absaugelektrodensystems Bohrungen (12) für Justierstifte besitzen.
8. 8. Breitstrahlionenquelle nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Absaugelektrodensystem isoliert vom Brennraum aufgesteckt ist.

   Hierzu 3 Seiten Zeichnungen