EP0028303A2 - Plasma- und Ionenquelle - Google Patents

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EP0028303A2
EP0028303A2 EP80105360A EP80105360A EP0028303A2 EP 0028303 A2 EP0028303 A2 EP 0028303A2 EP 80105360 A EP80105360 A EP 80105360A EP 80105360 A EP80105360 A EP 80105360A EP 0028303 A2 EP0028303 A2 EP 0028303A2
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EP
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plasma
ion source
microwaves
magnetic field
gas
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EP80105360A
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EP0028303A3 (en
EP0028303B1 (de
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Volker Dr. Dipl.-Phys. Bechthold
Ludwig Dr. Dipl.-Phys. Friedrich
Josef Phys.- Ing. Möllenbeck
Peter Ziegler
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Karlsruher Institut fuer Technologie KIT
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Kernforschungszentrum Karlsruhe GmbH
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J27/00—Ion beam tubes
    • H01J27/02—Ion sources; Ion guns
    • H01J27/16—Ion sources; Ion guns using high-frequency excitation, e.g. microwave excitation
    • H01J27/18—Ion sources; Ion guns using high-frequency excitation, e.g. microwave excitation with an applied axial magnetic field

Definitions

  • the invention relates to a plasma and ion source in which a plasma is generated in a limited volume by means of electron cyclotron resonance by means of a magnetic field, the radiation of microwaves and the supply of the gas to be ionized.
  • Electron cyclotron resonance is particularly suitable for generating a plasma simply and reliably by generating a magnetic field in a gas-filled volume and radiating resonant electrical high-frequency power.
  • the frequency f and the magnetic field B result from the following relationship: If high electron densities are aimed for in the discharge, then a high frequency is also required for high RF power, for example 10-20 GHZ microwaves for electron densities of 10 12 / cm 3 .
  • the required magnetic fields are in the range of 4 - 8 KG.
  • the vacuum vessel is dimensioned so that, on the one hand, a sufficient suction speed is achieved and, on the other hand, the electrical power for maintaining the magnetic field becomes as low as possible. This leads to arrangements with an output of 50 to 200 kW.
  • the plasma is transported from generation to use by diffusion along the weakly falling magnetic field from the resonance zone, which is supplied directly by a coil arrangement.
  • the object on which the invention is based is now to provide a plasma and ion source, in which high ion densities are achieved in a well-defined range and in addition to limiting the discharge, the required electrical power is limited to the low consumption of the microwave generator.
  • the invention is explained below with reference to an embodiment using the figure.
  • the figure shows a section of the plasma and ion source and above it the course of the magnetic field H over the axis (in mm) of the bore 2.
  • This bore 2 is located in the center of the ring-shaped permanent magnet 1 made of SmCo material.
  • This magnet 1 with a diameter of 70 mm and a thickness of 20 mm is able to generate a magnetic field (maximum) of 5.18 kG in the central region 5 of the axial bore 2.
  • the microwaves 3 and the gas 4 (medium to be ionized) are introduced via the insert on the magnet 1 or into the resonance region 5.
  • the insert 8 has an inner bore 9 which is connected to the feed line 4 for the gas and extends into the region 5.
  • the axial bore 2 is lined with a sleeve 10 made of non-magnetic material, which is connected both to the flange 7 for the microwave 3 and a connecting flange 11 to a vacuum or acceleration system, not shown.

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  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Plasma Technology (AREA)
  • Electron Sources, Ion Sources (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Plasma- und Ionenquelle, bei der in einem begrenzten Volumen mittels der Elektronzyklotronresonanz ein Plasma mittels eines Magnetfeldes, der Einstrahlung von Mikrowellen und der Zuführung des zu ionisierenden Gases erzeugt wird. Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht nunmehr darin, eine Plasma- und Ionenquelle zu bieten, bei der hohe Ionendichten in einem wohldefinierten Bereich erzielt werden und neben der Beschränkung der Entladung die erforderliche elektrische Leistung auf den geringen Verbrauch des Mikrowellengenerators beschränkt wird. Die Erfindung ist gekennzeichnet durch die Verwendung eines Permanentmagneten (1) mit einer axialen Bohrung (2), in die sowohl die Mikrowellen (3) als auch das Gas (3) einbringbar ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Plasma- und Ionenquelle, bei der in einem begrenzten Volumen mittels der Elektronzyklotronresonanz ein Plasma mittels eines Magnetfeldes, der Einstrahlung von Mikrowellen und der Zuführung des zu ionisierenden Gases erzeugt wird.
  • Die Elektronzyklotronresonanz (ECR) eignet sich ganz besonders dafür, einfach und betriebssicher ein Plasma zu erzeugen, indem in einem gasgefüllten Volumen ein Magnetfeld erzeugt und resonante elektrische Hochfrequenzleistung eingestrahlt wird. Die Frequenz f und das Magnetfeld B ergeben sich aus folgender Beziehung:
    Figure imgb0001
    Werden hohe Elektronendichten in der Entladung angestrebt, so ist neoen großer Hf-Leistung auch eine hohe Frequenz erforderlich, beispielsweise 10 - 20 GHZ Mikro- wellen für Elektronendichten von 1012/cm3. Die erforderlichen Magnetfelder liegen im Bereich von 4 - 8 KG.
  • Für Anwendungen in Ionenquellen oder Plasmainjektoren ist es aus Gründen der Strahlqualität günstig, wenn mit einem möglichst kleinen Plasmavolumen mit hoher Elektronendichte als Ionenlieferant ausgekommen werden kann, um die geforderte Strahlintensität zu erreichen. Praktisch bedeutet das, daß das für die ECR erforderliche hohe Magnetfeld nur in einem Raum von wenigen mm3 benötigt wird. Trotzdem ist es in der Fachwelt bisher üblich in allen Anordnungen ( z.B. "An Electron Cyclotron Resonance (ECR) Multiply Charged Ion Scurce", JEEE Transaction on Nuclear Science, Vol. NS.-26, No.2, April 1979, S. 2120-2126) ein großvolumiges Magnetfeld mittels wassergekühlter, stromdurchflossener Kupferspulen zu erzeugen, die koaxial um einem Vakuumgefäß angeordnet sind. Das Vakuumgefäß wird so dimensioniert, daß einerseits eine noch ausreichende Sauggeschwindigkeit erreicht und andererseits die elektrische Leistung zur Aufrechterhaltung des magnetischen Feldes möglich gering wird. Dies führt zu Anordnungen mit einer Leistung von 50 bis 200 kW.
  • Eine solche Anordnung von Spulen liefert zwangsläufig im Vakuumgefäß eine ausgedehnte Fläche, auf der das Magnetfeld der Resonanzbedingung genügt. Es entstehen dadurch lästige (parasitäre) unerwünschte Entladungen, die besondere Maßnahmen zur Einschränkung des Plasmas auf den gewünschten Ort erfordern.
  • Der Transport des Plasmas von der Erzeugung bis zur Nutzung erfolgt durch Diffusion entlang dem aus der Resonanzzone schwach abfallenden Magnetfeld, was von einer Spulenanordnung direkt geliefert wird.
  • Die der Erfindung zugrundeliegenden Aufgabe besteht nunmehr darin, eine Plasma- und Ionenquelle zu bieten, bei der hohe Ionendichten in einem wohldefinierten Bereich erzielt werden und neben der Beschränkung der Entladung die erforderliche elektrische Leistung auf den geringen Verbrauch des Mikrowellengenerators beschränkt wird.
  • Die Lösung dieser Aufgabe ist im Merkmal des Anspruches 1 beschrieben. Die Merkmale der übrigen Ansprüche geben vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung wieder.
  • Wird, wie erfindungsgemäß geschehen, ein steiler Abfall des Magnetfeldes nach der Resonanz in Kauf genommen, so kann die gesamte Anordnung wesentlich vereinfacht werden, da ein geeignet dimensionierter ringförmiger Permanentmagnet verwendbar ist. Dieser hat eine axialzylindrische Bohrung, auf deren Achse die Resonanzfeldstärke erreicht wird und deren Durchmesser groß genug gewählt ist, so daß die Mikrowellen bis zur Resonanzstelle vordringen können.
  • Es läßt sich so eine sehr kompakte Anordnung erhalten, die entweder in die Wand oder sogar vollständig in eine Pumpkammer eingesetzt werden kann. Experimente haben gezeigt, daß in einem axialen Abstand von mehr als 10 cm von der Bohrung mit einer Sonde noch ein Ionenstrom von mehreren mA pro cm2 nachzuweisen ist.
  • Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispieles mittels der Figur näher erläutert. Die Figur zeigt im Schnitt die Plasma- und Ionenquelle und darüber aufgezeichnet den Verlauf des Magnetfeldes H über die Achse (in mm) der Bohrung 2. Diese Bohrung 2 befindet sich in der Mitte des ringförmigen Permanentmagneten 1 aus SmCo--Material. Dieser Magnet 1 mit einem Durchmesser von 70 mm und einer Dicke von 20 mm ist in der Lage, im Mittelbereich 5 der Achsialbohrung 2 ein magnetisches Feld (Maximum)von 5,18 kG zu erzeugen.
  • Die Mikrowellen 3 und das Gas 4 (zu ionisierendes Medium) werden über den Einsatz an den Magneten 1 bzw. in den Resonanzbereich 5 eingeführt. Die Mikrowellen mit 14,5 GHZ werden an den Flansch 7 (UG 419/U) herangeführt und über den Einsatz 8 aus BN (mit ε =5) dem Bereich 5 zugeleitet. Der Einsatz 8 weist eine Innenbohrung 9 auf, die mit der Zuleitung 4 für das Gas in Verbindung steht und in den Bereich 5 hineinreicht.
  • Die Achsialbohrung 2 ist mit einer Hülse 10 aus nichtmagnetischem Material ausgekleidet, die sowohl mit dem Flansch 7 für die Mikrowelle 3 als auch einem Verbindungsflansch 11 zu einem nicht näher dargestellten Vakuum- bzw. Beschleunigungssystem in Verbindung steht.

Claims (3)

1. Plasma- und Ionenquelle, bei der in einem begrenzten Volumen mittels der Elektronzyklotronresonanz ein Plasma mittels eines Magnetfeldes, der Einstrahlung von Mikrowellen und der Zuführung des zu ionisierenden Gases erzeugt wird, gekennzeichnet durch die Verwendung eines Permanentmagneten (1) mit einer axialen Bohrung (2), in die sowohl die Mikrowellen (3) als auch das Gas (4) einbringbar ist.
2. Plasma- und Ionenquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Permanentmagnet (1) in einem Bereich der axialen Bohrung (2) ein Maximum des Magnetfeldes erzeugt und daß die Mikrowellen (3) und das Gas (4) in diesen Bereich einbringbar sind.
3. Plasma- und Ionenquelle nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Permanentmagnet (1) aus SmCoS- Material besteht.
EP80105360A 1979-11-03 1980-09-08 Plasma- und Ionenquelle Expired EP0028303B1 (de)

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EP0028303A2 true EP0028303A2 (de) 1981-05-13
EP0028303A3 EP0028303A3 (en) 1981-08-05
EP0028303B1 EP0028303B1 (de) 1983-12-07

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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4745337A (en) * 1985-06-07 1988-05-17 Centre National D'etudes Des Telecommunications Method and device for exciting a plasma using microwaves at the electronic cyclotronic resonance
EP0326824A3 (en) * 1988-02-05 1990-01-31 Leybold Aktiengesellschaft Particle source for a reactive ion beam etching or plasma deposition device
US5208512A (en) * 1990-10-16 1993-05-04 International Business Machines Corporation Scanned electron cyclotron resonance plasma source
DE102022112292B3 (de) 2022-05-17 2023-07-27 Christian-Albrechts-Universität zu Kiel, Körperschaft des öffentlichen Rechts Mikrowellen-zyklotron-resonanz-plasma-triebwerk und zugehöriges betriebsverfahren sowie verwendung

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
IEEE TRANSACTIONS ON NUCLEAR SCIENCE, Band NS-26, Nr. 2, April 1979, Seiten 2120-2127 New York, U.S.A. R. GELLER: "Electron cyclotron resonance (E.C.R.) multiply charged ion sources" * Figuren 5, 15 * *
IEEE TRANSACTIONS ON NUCLEAR SCIENCE, Band NS-26, Nr. 3, Juni 1979, Seiten 3680-3682 New York, U.S.A. V. BECHTOLD et al.: "An ECR-type light ion source for the Karlsruhe isochronous cyclotron" * Figuren 1,2; Seite 3681, linke Spalte, Absatz 1 * *
JAPANESE JOURNAL OF APPLIED PHYSICS, Band 11, 1972, Seiten 1226-1227 Tokyo, JP. H. TAMAGAWA et al.: "A proposal on multiply charged ion source" * Figur 1, Seite 1226, rechte Spalte, Absatz 3 * *

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4745337A (en) * 1985-06-07 1988-05-17 Centre National D'etudes Des Telecommunications Method and device for exciting a plasma using microwaves at the electronic cyclotronic resonance
EP0326824A3 (en) * 1988-02-05 1990-01-31 Leybold Aktiengesellschaft Particle source for a reactive ion beam etching or plasma deposition device
US4987346A (en) * 1988-02-05 1991-01-22 Leybold Ag Particle source for a reactive ion beam etching or plasma deposition installation
US5208512A (en) * 1990-10-16 1993-05-04 International Business Machines Corporation Scanned electron cyclotron resonance plasma source
DE102022112292B3 (de) 2022-05-17 2023-07-27 Christian-Albrechts-Universität zu Kiel, Körperschaft des öffentlichen Rechts Mikrowellen-zyklotron-resonanz-plasma-triebwerk und zugehöriges betriebsverfahren sowie verwendung

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