6) Hochstrom-Ionenquellen

6) Hochstrom-Ionenquellen
Einfache Entladungsquellen sind z.B. die Elektronenstoßquellen. Hierbei werden Elektronen über ein
Filament generiert und zur Anode beschleunigt.
Die Entwicklung der Potentialverteilung ist unten gezeigt. Wenn sich eine Entladung ausbildet, dann
bildet sich eine konstantes Potential(-plateau). Die Entladungsquellen haben bekannte Vertreter, wie
z.B. die Nier-, Bernas- und Nielsen-Quellentypen.
Die Ionenenergie kann zwischen der Ionisierungsenergie und dem Anodenpotential variieren.
WS2011/12
6.1
WS2011/12
6.2
Ein Gitter vor der Kathode sorgt dafür, daß sämtliche Elektronen die gleiche Beschleunigungsspannung
erfahren. Außerdem können Ionen die zwischen Kathode und Gitter produziert werden, nicht in de
Extraktionsraum gelangen. Damit ist die Energieverteilung der Elektronen kleiner und damit auch die
Energieverteilung der Ionen. Das ist das Prinzip der forced electron beam induced arc discharge
(FEBIAD) Ionenquelle.
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6.3
Eine der ersten Hochstromelektronenbombardementquellen waren Quellen für die Isotopenseparation.
Dies war natürlich durch das Manhattanprojekt und die Separation von 235U getrieben. Die ersten
großvolumigen Quellen war das Calutron. Weiterentwicklungen sind die Bernas- und die Freeman
Ionenquellen. Die Calutrons wurden im Magnetfeld der starken Separationsmagnete betrieben. Die
Weiterentwicklungen nutzen eine Reflexionsentladung wie in der Penningquelle oder ein axiales
Filament (Freeman-Quelle) mit einem Magnetfeld zur Führung der Elektronen.
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6.4
Penning-Ionenquellen (PIG, Penning ionisation gauge)
Die Penning-Quelle nutzt eine Penning-Entladung zum generieren von Ionen. Dabei sitzt im
Allgemeinen eine ringförmige Kathode (oder zwei gegenüberstehende Kathoden) im Magnetfeld, so daß
die Elektronen um die Magnetfeldlinien gyrieren und nur langsam zur Anode diffundieren.
Durch das Magnetfeld wird die effektive Weglänge der Elektronen im Ionisationsraum vergrößert
Beispiel: Penning-Ionenquelle mit lateraler Extraktion.
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6.5
Ein Beispiel dazu ist die PIG der GSI:
In die Anode wird das zu sputternde
Material zur Ionisation eingebracht.
Durch die Extraktion über einen Schlitz
Wird die Auflösung des Separators
Erhöht.
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6.6
Beispiel: Penningquelle mit axialer Extraktion.
Typische Arbeitswerte sind:
• Druck: 10-4–10 mbar (Niedrigdruck- und Hochdruck-Entladung), Magnetfeld 0.1 – 1.5 T
• Anodenspannung 40-1000 V, Anodenstrom 0.5-50 A
• Ionenströme 10 nA – 50 mA
Die Penningquelle ist auch in der Lage mehrfach geladene Ionen zu produzieren und war vor der
Entwicklung der Elektronenstrahlionenquelle (EBIS) und der Elektron Zyklotron Resonanz Ionenquelle
(ECRIS) die einzige Quelle für solche Ladungszustände.
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6.7
Typischerweise 75% der Elektronen werden gefangen und jedes generiert ca. ein halbes Duzend Ionen
aus dem Restgas. Ca. 50% der Elektronen gehen auf der Gegenkathode (Ringkathode) verloren. Die
Ionenproduktionsrate kann durch den Entladungsstrom kontrolliert werden. Kathoden können kalt
(Feldemission) oder thermionisch sein. Æ Anwendung: Beschleuniger (auch bei GSI)
Die MEVVA Ionenquellen:
Die Mevva-Ionenquelle (Metal Vapor Vacuum Arc)
liefert intensive Ströme von mehrfach
ionisierten Metallionen. Die Entladung, welche
den „Metall Dampf" produziert befindet sich
zwischen einer heißen Kathode sowie einer
kalten Anode. Die Bogenentladung wird durch
einen Hochspannungsfunken zwischen Kathode
und Anode gezündet. Der Bogenstrom liegt
im Allgemeinen zwischen 50-500 A. Das Material
wird von der Kathode verdampft, um im Bogenplasma ionisiert zu werden.
Die Entladung läuft zur Verringerung der
thermischen Belastung im Pulsbetrieb, mit einer
Pulslänge von ca. 250 µs. Mit einer großen und
gut gekühlten Kathode kann die MEVVA jedoch
auch einen Dauerstrom liefern.
MEVVA-Ionenquellen liefern einen Strahl kleiner "Emittanz" von Metallionen, die für Ionenbeschleuniger
oder Ionenimplantationen genutzt werden können.
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6.8
Die MeVVA der GSI:
17 Kathoden
2 Solenoide (0,1 und 0,2 Tesla)
Bogenleistung: 50 kW (13,3 MW/cm2)
Bogenstrom: ~1 kA
Testverhältnis: typisch 1 Hz, 1 ms
Betriebsmittel: Formbare Metalle
Standzeit: 1 Woche (Uran)
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6.9
Plasmatronquellen (Zweistufenentladung)
Durch Einfügen einer Zwischenelektrode bei der
Elektronenstoßquelle kann man die Plasmadichte
deutlich erhöhen (Prinzip des Unoplasmatrons).
Beim Duoplasmatron
(Ardenne 1956) wird noch ein Magnetfeld
überlagert, so daß sich zwei Plasmabereiche
unterschiedlicher Dichte ergeben.
Diese liegen zwischen Kathode und
Zwischenelektrode, sowie zwischen der
Zwischenelektrode und der Anode.
Der erste Bereich besitzt eine geringere
Plasmadichte und wird durch
das Magnetfeld in den Kanal der
Zwischenelektrode komprimiert.
Hohe Plasmadichten bis zu 1014 1/cm3
können damit erzielt werden.
Um die Ionendichte zur optimalen Strahlformierung
zu reduzieren, wird meistens eine "expansion cup"
an der Anode vorgesehen. Die Duoplasmatronentladung hat eine komplexe Struktur
--> siehe Potentialverteilung
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6.10
Die Plasmadichte ist vor der Anode am höchsten.
Ein starkes Magnetfeld kann den mittleren
Ladungszustand der Ionen erhöhen. Hoher Restgasdruck
in der ersten Stufe (10-2 mbar), um eine Größenordnung
niedriger in der zweiten Stufe.
Die Duoplasmatronquellen sind sehr leistungsfähige
Ionenquellen.
Das Potentialmaximum (aufgrund
der Reflexion von Elektronen und
dem Übergewicht von Ionen in der
Region vor der Anode.
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6.11
Volumenquellen, Multicusp-Quellen, HF-Quellen
Anfang der 80er Jahre wurden Quellen mit hoher Stromdichte, hoher Strahlenergie und großen Strahlquerschnitten für die Fusionsforschung erforderlich. Dies führe zur Entwicklung der Volumenquelllen.
Bei den Volumenquellen ist die Wand des Vakuumgefäßes des Plasmagenerators die Anode. Ein Filament liefert die für die Entladung erforderlichen Elektronen. Ein Magnetfeld (meistens ein Solenoidfeld)
sorgt für den Einschluss des Plasmas.
Solenoid
Glühkathode
18
Solenoid
16
14
Filtermagnet
12
[mT]
B
e-
Ion
e-
BFilter
Solenoid
Plasma
y
Emissionsöffnung
10
8
6
BSolenoid
4
2
z
0
20
40
60
80
z-Position [mm]
Plasmaelektrode
Gaseinlass
~ 80 V
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UA
Plasmakammer
Entladungskammer
Anode
100
120
Filtermagnet
Plasmaelektrode
Gaseinlass
Plasmakammer
6.12
Eine bestimmte Art der Volumenquellen die
Multicusp-Quellen. Hier dient ein magnetisches
Multipolfeld, generiert durch Permanentmagnete
(Samarium-Cobalt oder Neodym-Eisen), für starke
Magnetfelder an der Oberfläche der Plasmakammer
und schließt das Plasma besser ein. Entladungsund Gaseffizienz sind daher hoch.
Die einfache Struktur der Quelle durch das MultipolFeld an der Gefäßwandoberfläche hat ihr den
Spitznamen "Bucket-Quelle" eingebracht.
Ein Beispiel ist die MUCIS-Quelle der GSI.
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6.13
Im Allgemeinen sind zwei Magnetfeld-Einschlussvarianten im Einsatz. Die Min B Konfiguration durch
Solenoidalfelder und die Multicusp ein radiales Multipolfeld. Diese Konfigurationen nutzen den
magnetischen Spiegeleffekt aus, indem sie die geringste Magnetfeldstärke im Bereich der höchsten
Plasmadichte erzeugen und die Stärke des Magnetfeldes mit zunehmendem Abstand von diesem
Bereich zunehmen lassen. Verlust gibt es natürlich entlang der magnetischen Feldlinien, wo diese die
Gefäßwand kreuzen Æ Verlustlinien.
Die Plasmadichte in der Quelle hängt von der
Magnetfeldgeometrie, der Entladungsspannung
und damit dem Entladungsstrom, der Extraktionsspannung und der Länge der Plasmakammer ab.
Die Plasmakammern von Multicusp-Quellen
können rechteckige, quadratische und kreisförmige
Querschnitte aufweisen. Die Permanentmagnete
können in Reihen parallel zur Strahlachse oder in
Form von Ringen senkrecht zur Strahlachse
angeordnet werden.
Experimentell wurde ermittelt, daß der Anteil von
Molekülen bei Gasen wie Wasserstoff und Stickstoff
auf weniger als 10% vermindern lässt, wenn ein
magnetisches Filterfeld in die Quelle integriert wird.
Dies ist vor allem bei der Produktion negativer Ionen,
vor allem H- von großer Bedeutung.
WS2011/12
6.14
Dieses Dipolfeld ist senkrecht zur Achse der
Plasmakammer gerichtet und stark genug die
Elektronen vom Filament von der Extraktionszone
fernzuhalten, jedoch Ionen durchzulassen.
6
Solenoid
5
4
B Filter
Filter
[mT] B
3
2
e-
1
e0
20
40
60
80
z-Position [mm]
100
120
Filtermagnet
Plasmaelektrode
Gaseinlass
Plasmakammer
Das Fernhalten der energetischen
Elektronen vom Extraktionsbereich
verhindert dort die Bildung von
Molekülionen, während die
Dissoziation der Moleküle weiter
erfolgen kann.
WS2011/12
6.15
Die Multicuspquelle wird als Hochstromquelle für positive oder negative Ionen von H und Deuterium
genutzt. Außerdem findet sie Anwendung in Implantern, Lithographie und als Injektoren für Ionenbeschleunigern. Diese können große Querschnitte einnahmen und sind dann mit mehreren Filamenten
bestückt. Schematisch sind solche großen Quellen gezeigt:
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6.16
Diese grossflächigen Quellen finden neben der Injektion von Neutralteilchen in Fusionsplasmen und als
großflächige Implanter auch als Ionenantriebe ihre Anwendung. Der Vorteil gegenüber chemischen
Antrieben liegt auf der Hand. Ionen können zu viel höheren Geschwindigkeiten beschleunigt werden, als
Gasatome bei der Verbrennung. Als Treibstoff dient meistens Xe. Schwerionen erlauben aufgrund Ihrer
Masse einen größeren Rückstoß. Außerdem sind Edelgase sicherheitstechnisch unkritisch. Das
Funktionsprinzip zeigen die nachfolgenden Graphiken.
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6.17
Ein Ionenantrieb ist eine große Volumenquelle mit Mono- oder Multicusp-Einschluss. Der
Plasmagenerator kann über ein Filament betrieben werden. Da bei Raumsonden keine Wartung möglich
ist, werden die Plasmageneratoren über eine HF-Entladung betrieben.
Die Ionen werden dann über ein Gitter elektrostatisch beschleunigt (30-50 km/s). Damit sich der Antrieb
nicht auflädt, muss der Ionenstrahl neutralisiert werden. Dies geschieht durch einsprühen von
Elektronen im Extraktionsbereich. Ein Beispiel ist die in Gießen entwickelte RIT (Radiofrequency Ion
Thruster).
Hier wird das Prinzip der HF-Quelle angewandt.
WS2011/12
6.18
Solche Antriebe werden inzwischen in Raumsonden eingebaut. Das Problem ist allerdings der relativ
geringe Schub. Es gilt:
vion =
Î
dnion
I
2eqU acc
dm
dnion
=
FSchub = vion
= vion m ⋅
und
q⋅e
m
dt mit dt
dt
FSchub
m ⋅ vion
2m
=
I ion =
⋅ U acc ⋅ I ion
q ⋅e
e⋅q
Beispiel: Xe-Ionen, m = 131 u, q = 1, Uacc = 1300 V und Iion = 1 A Æ Fschub = 0.059 N
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6.19
FSchub =
2m
P
P 2m
⋅ el = el ⋅
e ⋅ q U acc vion q
⇔
vion =
2mPel
q ⋅ FSchub
Dabei ist Pel die elektrische Leistung des Triebwerks. Das Triebwerk RIT-10 der Uni Gießen besitzt
einen Schub von 23 mN und 700 Watt elektrische Leistung. Damit ist vion = 34000 m/s.
Lange Anschaltzeiten und hohe Austrittsgeschwindigkeiten sind die Vorteile dieser Triebwerke. Die
NASA Sonde DEEP SPACE 1 nutzt diesen Antrieb.
Bei niedrigen Plasmadichten oder starken Magnetfeldern kann die ExB-Drift im inhomogenen
Magnetfeld und dem elektrischen Feld der Bogenentladung zur Beschleunigung von Ionen genutzt
werden. Man spricht von Hall-Effekt Triebwerken. Man nutzt hier das Magnetfeld zwischen
Ringmagneten und ein axiales elektrisches Feld.
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6.20
Magnetoplasmadynamische Triebwerke haben koaxiale Geometrie. Der Entladungsstrom zwischen
Kathode und Anode generiert ein azimuthales Magnetfeld, welches das Plasma komprimiert und in
Richtung Ausgang beschleunigt. Bei der Expansion des dichten Plasmas hinter der Kathodenspitze,
wird das Plasma auf die Endgeschwindigkeit gebracht. Eine Neutralisation ist nicht erforderlich.
Diese magnetohydrodynamischen Antriebe besitzen eine hohe Effizienz und können Leistungslevel von
über 100 kW erreichen. Solche Antriebe können bis zu 100000 N/m2 Schub erzeugen.
Der VASIMR (Variable Specific Impulse Magnetoplasma Rocket) nutzt Treibstoff (meistens
Wasserstoff), der mittels Radiowellen ionisiert und in einem mit Magnetfeldern durchzogenen Kanal
geleitet wird. Durch Zyklotronresonanzanregung werden die Ionen aufgeheizt
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6.21