Elektrostatischer Ionenkompressor

GEBIET DER ERFINDUNG

Die Erfindung betrifft die induktive Erzeugung heißer und dichter Plasmen sowie die adiaba- tische Plasmakompression.

STAND DER TECHNIK

Heiße Plasmen mit hoher Dichte werden für eine Vielzahl möglicher technischer Anwendun- gen, die von der Erzeugung von Neutronen und ultravioletter Strahlung über Laseranwendungen bis hin zur kontrollierten Kernfusion reichen, intensiv untersucht. Solche Plasmen werden üblicherweise entweder durch magnetische Kompression als sogenannte Pinch-Plasmen oder durch einen Trägheitseinschluss erzeugt.

Bei Pinch-Plasmen wird über gepulste elektromagnetische Felder ein Entladungsplasma durch Lorentzkräfte fokussiert. Je nach Richtung des Ladungstransports lassen sich Pinch-Plasmen in sogenannte Theta-Pinch-Plasmen mit kreisförmigem Plasmastrom und Z-Pinch-Plasmen mit linearem Plasmastrom unterteilen. Gemischte Formen werden manchmal als Schrauben- Pinch-Plasmen bezeichnet.

Beim Trägheitseinschluss wird dagegen ein Festkörper-Target durch schnelles Aufheizen mittels Teilchen- oder Laserstrahlen in den plasmaförmigen Zustand überfuhrt. Die Trägheitskräfte der Targetteilchen ermöglichen einen sehr kurzen Einschluss (üblicherweise einige Nanosekunden), bevor das aufgeheizte Target sich explosionsartig ausdehnt.

Die Erzeugung heißer Plasmen mit hoher Dichte ist zur Zeit mit beiden Verfahren nur unter erheblichem Aufwand an Technologie, Logistik und Kapital möglich. Sie erfordert je nach torbänke mit gespeicherten Energien weit im Megajoule-Bereich und ist daher gegenwärtig vornehmlich auf Großforschungseinrichtungen beschränkt.

Die Patentschrift US 7,139,349 B2 zeigt einen kompakten Neutronengenerator mit einem sphärischen Entladungsgefäß zur induktiven Plasmaerzeugung sowie einem Elektrodensystem aus einer massiven Targetelektrode im Zentrum des Entladungsgefäßes und einer kugelscha- lenförmigen Extraktionselektrode, welche gleichmäßig von Löchern durchsetzt ist und die Targetelektrode umschließt. Das elektromagnetische Feld zur Plasmaerzeugung wird über vier Induktionsspulen eingekoppelt, die jeweils auf einen Quadranten des Entladungsgefäßes beschränkt sind. Die Plasmaanregung erfolgt mit Hochfrequenz.

Ein Neutronengenerator mit zylinderförmigem Aufbau ist in der Patentschrift US 3,015,032 beschrieben. Er umfasst ein von einer Induktionsspule umschlossenes Entladungsgefäß, in das eine mehrere Durchlässe aufweisende Extraktionselektrode aufgenommen ist. Die induktiv erzeugten Plasmaionen werden parallel zur Symmetrieachse des Zylinders durch die Extraktionselektrode in Richtung auf eine massive Targetelektrode beschleunigt.

Ähnliche Plasmaerzeugungseinrichtungen und Neutronengeneratoren sind vielfältig aus dem Stand der Technik bekannt. Sie weisen jedoch den Nachteil verhältnismäßig geringer Elektro- nendichten auf und sind zur Erzeugung sehr heißer und sehr dichter Plasmen nicht geeignet.

ÜBERBLICK ÜBER DIE ERFINDUNG

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt daher darin, eine kompakte Anordnung zur Erzeugung sehr dichter und heißer Plasmen sowie ein entsprechendes Verfahren zur Plasmaerzeugung und -kompression anzugeben.

Diese Aufgabe wird durch den elektrostatischen Ionenkompressor mit den Merkmalen von Anspruch 1 bzw. das Verfahren zur elektrostatischen Ionenkompression mit den Merkmalen von Anspruch 24 gelöst. Die abhängigen Ansprüche beziehen sich auf vorteilhafte Ausführungsformen. koppelbar ist, sowie eine Leistungsquelle zur Erzeugung eines Wechselstromsignals in der Induktivität. Der Ionenkompressor umfasst ferner eine Elektrodenvorrichtung im Inneren des Behälters mit einer Innenelektrode und einer hohlen Außenelektrode, wobei die Außenelektrode eine erste Blendenöffnung aufweist und die Innenelektrode zumindest teilweise um- schließt und wobei die Innenelektrode eine zweite Blendenöffnung aufweist, die der ersten Blendenöffnung gegenüberliegt.

Die induktive Plasmaanregung ermöglicht die Erzeugung von Plasmen mit sehr hohen Elektrodendichten bei moderaten Ladespannungen im Bereich von 1000 V, Erregerströmen von einigen kA und Stromanstiegsraten von einigen kA/μs, die sich mit modernen Leistungselektronikbauteilen schalten lassen.

Die koaxial geschachtelte Elektrodenanordnung ermöglicht eine Extraktion des erzeugten Plasmas aus einem Plasmaerzeugungsbereich durch die erste und zweite Blendenöffnung in einen Kompressionsbereich, der zumindest teilweise von der Innenelektrode umschlossen wird. Durch geeignete Wahl der Parameter des Plasmaerzeugungssystems und des Elektrodensystems, insbesondere durch Angleichung der Bohmschen Diffusionsstromdichte an die Schottky-Langmuir-Raumladungsstromdichte, lässt sich die Durchflussrate in den Kompressionsbereich steuern und eine Raumladungskompensation der Ionen erzielen. Auf diese Weise kann die Beschleunigungsenergie der Plasmaionen entlang des Bewegungspfades adiabatisch in Wärmeenergie umgewandelt werden, so dass Temperatur und Dichte kontinuierlich zunehmen und im Zentrum des Kompressionsbereichs ein sehr heißes und dichtes Plasma entsteht, ohne dass am Elektrodensystem die Gefahr eines Gapdurchbruchs besteht.

In einer bevorzugten Ausführungsform weist der Ionenkompressor mehrere erste Blendenöffnungen entlang einer Umfangrichtung der Außenelektrode auf, wobei jeweils zwei erste Blendenöffnungen durch einen Steg getrennt sind.

Durch Wahl einer geeigneten Geometrie und Anordnung der Blendenöffnung lässt sich eine homogene Fokussierung der beschleunigten Ionen und damit eine besonders wirksame Kompression erreichen. Vorzugsweise ist die Breite der Stege entlang der Umfangrichtung der Innenelektrode nicht größer als ein Fünftel der Breite der ersten Blendenöffnung entlang der Umfangrichtung. Dadurch wird ein hoher Ionenfluss in den Kompressionsbereich ermöglicht.

In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Außenelektrode und/oder die Innenelektrode Hohlzylinder, vorzugsweise hohle Kreiszylinder, und die Außenelektrode umschließt die Innenelektrode zumindest teilweise koaxial.

Kreiszylinderförmige Elektroden ermöglichen eine homogene Fokussierung der beschleunig- ten Plasma-Ionen entlang der gemeinsamen Zylinderachse. Die Erfindung ist jedoch nicht auf kreiszylinderförmige Elektroden beschränkt. Unter einem Zylinder ist vielmehr jeder Körper zu verstehen, der durch Verschieben einer Grundfläche oder geschlossenen Kurve entstanden gedacht werden kann. Auch Elektroden, deren wesentliche Teile zylinderförmig ausgebildet sind oder deren Abweichung von der Zylinderform gering ist, gelten als zylinderförmige E- lektroden im Sinne der Erfindung.

In alternativen Ausführungsformen sind die Außenelektrode und/oder die Innenelektrode el- lipsoidförmig oder sphärisch.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der Behälter sphärisch oder näherungsweise sphärisch, und die Zylinderachse der Innenelektrode verläuft durch den Sphärenmittel- punkt. Ein sphärischer Entladungsbehälter hat den Vorteil eines großen Verhältnisses zwischen Volumen und Oberfläche, so dass Elektronenverluste an der Grenzfläche des Plasmas minimiert werden und besonders hohe Elektronendichten erreicht werden können. Insofern ist ein sphärischer Behälter für die Zwecke der Erfindung ideal. Ein „näherungsweise sphärischer" Behälter ist in der vorliegenden Schrift ein Behälter, dessen Form derjenigen eines sphärischen Behälters zumindest insofern ähnelt, als sein Verhältnis von Volumen zu Oberfläche um weniger als ein Fünftel von demjenigen eines exakt sphärischen Behälters gleichen Volumens abweicht.

Indem die Zylinderachse der Innenelektrode durch den Sphärenmittelpunkt verläuft, bildet sich der Kompressionsbereich im Zentrum des Behälters entlang der Zylinderachse aus. Vorzugsweise liegt eine zweite Blendenöffnung entlang einer Axialrichtung der Innenelektrode auf Höhe des Sphärenmittelpunkts. Unter einer Blendenöffnung „auf Höhe des Sphärenmittelpunktes" ist im Sinne der Erfindung eine Konfiguration zu verstehen, bei der eine Äquatorialebene des sphärischen Behälters die Innenelektrode im Bereich der Blendenöffnung schneidet. Der Schnitt muss dabei nicht notwendigerweise die Blendenöffnung in zwei gleiche Hälften teilen oder durch ein Zentrum der Blendenöffnung verlaufen.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist die Innenelektrode mehrere zweite Blendenöffnungen auf, die in Form und Anordnung den ersten Blendenöffnungen entsprechen, wobei jeweils eine erste Blendenöffnung einer zweiten Blendenöffnung gegenüberliegt. Die vorteilhaften Effekte der vorstehend beschriebenen Ausführungsform mit mehreren Blendenöffnungen gelten dann ebenso für die zweiten Blendenöffnungen der Innenelektrode.

Vorzugsweise überdecken die ersten Blendenöffnungen und die zweiten Blendenöffnungen gleiche Winkelbereiche, bezüglich der Zylinderachse. Diese Ausrichtung der ersten und zweiten Blendenöffnungen ermöglicht ein weitgehend störungsfreies Eindringen des Plasmas aus dem Plasmaerzeugungsbereich durch die ersten und zweiten Blendenöffnungen in den Kompressionsbereich.

In einer weiteren Ausführungsform beträgt ein Abstand zwischen der Außenelektrode und der Innenelektrode 3 bis 10 mm, vorzugsweise 4 bis 5 mm.

Vorzugsweise umfasst der erfindungsgemäße Ionenkompressor zusätzlich eine hohle Zwi- schenelektrode, welche zwischen der Außenelektrode und der Innenelektrode angeordnet ist und die Innenelektrode zumindest teilweise umschließt, wobei die Zwischenelektrode mindestens eine dritte Blendenöffnung aufweist, die einer zweiten Blendenöffnung der Innenelektrode und einer ersten Blendenöffnung der Außenelektrode gegenüberliegt. Die Zwischenelektrode kann im Betrieb des Ionenkompressors bei geeigneter Vorspannung als Abschirmelekt- rode wirken und ein Diffundieren freier Elektronen aus dem Kompressionsbereich verhindern. Blendenöffnungen entsprechen, wobei die ersten Blendenöffnungen und die zweiten Blendenöffnungen und die dritten Blendenöffnungen vorzugsweise gleiche Winkelbereiche überdecken können. Dadurch ergeben sich die obenstehend beschriebenen vorteilhaften Effekte.

In einer bevorzugten Ausführungsform beträgt ein Abstand zwischen der Innenelektrode und der Zwischenelektrode 1 bis 5mm, vorzugsweise 1 bis 2 mm.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Zwischenelektrode ein hohler Kreiszylinder mit einem Innenradius von vorzugsweise 1 bis 3 cm, wobei die Zwischenelektrode die Innenelektrode zumindest teilweise koaxial umschließt. Alternativ kann die Zwischenelektrode auch ellipsoidförmig oder sphärisch ausgebildet sein.

In einer weiteren Ausführungsform umfasst das Gas ein Edelgas, vorzugsweise Argon, wobei der Gasdruck 0,01 Pa bis 10 Pa, vorzugsweise zwischen 0,1 Pa bis 1 Pa, beträgt.

Die Induktivität L der Induktivität beträgt in einer Ausführungsform 0,5 μH bis 10 μH, vorzugsweise 2 μH bis 6 μH.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst die Induktivität eine Spule, die den Behälter umgibt. Die Windungszahl der Spule kann dabei insbesondere zwischen zwei und sechs liegen.

Vorzugsweise entspricht die Länge der zweiten Blendenöffnung bzw. zweiten Blendenöffnungen entlang einer Axialrichtung der Innenelektrode der Ausdehnung eines von der Spule umschlossenen Abschnitts des Behälters. Dadurch lässt sich erreichen, dass die im Entladungsbehälter erzeugten Plasma-Ionen über die gesamte axiale Ausdehnung des Plasmaerzeugungsbereichs in Richtung auf die Blendenöffnungen beschleunigt werden und in den Kompressionsbereich eintreten. Dann ergibt sich eine besonders homogenen Fokussierung der beschleunigten Ionen bei gleichzeitig hoher Ausbeute.

In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Leistungsquelle mindestens einen Kondensator, welcher auf eine Betriebsspannung aufladbar ist, und mindestens ein Schaltelement, destens eine Kondensator im leitenden Zustand des Schaltelements durch die Induktivität hindurch entladen kann.

Der mindestens eine Kondensator und die Induktivität können dabei Komponenten eines nicht überdämpften elektrischen Schwingkreises bilden, dessen Eigenfrequenz einer Frequenz des Wechselstromsignals entspricht. Eine solche Leistungsquelle ermöglicht eine effiziente Anregung des Entladungsplasmas und eine sehr hohe Pulswiederholrate der Plasmaerzeugung bis hin zum quasikontinuierlichen Betrieb.

Das Schaltelement kann dabei mindestens einen Thyristor oder mindestens einen Bipolar- Transistor mit integrierter Gate-Elektrode (Integrated Gate Bipolar Transistor, IGBT) oder mindestens einen Gasentladungsschalter umfassen. Solche Schaltelemente erlauben die Bereitstellung der zur Zündung des Plasmas erforderlichen Stromstärken und Stromanstiegsraten.

In einer bevorzugten Ausführungsform weist der wenigstens eine Kondensator bzw. eine Mehrzahl parallel geschalteter Kondensatoren eine Gesamtkapazität von 1 μF bis 100 μF, vorzugsweise von 2 μF bis 20 μF, auf.

Die Anregungsfrequenz des Wechselstromsignals ist in einer vorteilhaften Ausführungsform nicht größer als 100 kHz, vorzugsweise nicht größer als 50 kHz. Wie in der verwandten Anmeldeschrift DE 10 2007 039 758 erläutert, erlaubt die gegenüber der üblichen Hochfrequenzanregung induktiver Plasmen um zwei bis drei Größenordnungen verringerte Anregungsfrequenz die Erzeugung von Plasmen mit besonders hohen Ladungsträgerdichten.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform sind die Leistungsquelle und die Elektrodenvorrichtung des erfindungsgemäßen elektrostatischen Ionenkompressors derart aufeinander abgestimmt, dass eine Stromdichte der in einem Plasmaerzeugungsbereich des Behälters erzeugten und in Richtung auf die Blendenöffnungen beschleunigten freien Ladungsträger einer Raumladungsstromdichte des Blendensystems entspricht. Wie nachstehend anhand einer bevorzugten Ausführungsform beschrieben ist, kann dieser Abgleich durch Abstimmung der Bohmschen Ladungsstromdichte auf die Schottky-Langmuir-Raumladungsstromdichte des und der Abmessungen des Elektrodensystems erzielt und ermöglicht eine Raumladungskompensation der Ionen im Strahlbereich und damit eine adiabatische Kompression des Plasmas entlang eines Bewegungspfades vom Plasmaerzeugungsbereich durch die Blendenöffnungen in den Kompressionsbereich. Auf diese Weise lässt sich einerseits im Kompressionsbereich ein besonders heißes und dichtes Plasma erzeugen, weil die kinetische Energie der Plasma- Ionen entlang des Bewegungspfades nahezu vollständig in Wärmeenergie umgewandelt wird. Andererseits lässt sich durch die Abstimmung des Blenden- und Elektrodensystems auf das Plasmaerzeugungssystem eine Flutung des Elektrodengaps zwischen der Außenelektrode und der Innenelektrode und/oder der Zwischenelektrode, die zu einem Entladungsdurchbruch füh- ren würde, wirkungsvoll verhindern.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur elektrostatischen Ionenkompression umfasst das induktive Erzeugen eines Plasmas in einem Plasmaerzeugungsbereich innerhalb eines mit einem Gas gefüllten Behälters durch Erzeugen eines Wechselstromsignals einer vorgegebenen An- regungsfrequenz in einer Induktivität. Ferner umfasst das Verfahren das Komprimieren des Plasmas in einem Kompressionsbereich innerhalb des Behälters, wobei der Kompressionsbereich zumindest teilweise von einer Innenelektrode umschlossen wird, die ihrerseits zumindest teilweise von einer Außenelektrode umschlossen wird, und wobei der Plasmaerzeugungsbereich mit dem Kompressionsbereich über wenigstens eine erste Blendenöffnung in der Außenelektrode und eine zweite Blendenöffnung in der Innenelektrode verbunden ist.

In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Komprimieren des Plasmas das Beschleunigen von Plasma-Ionen durch die erste und die zweite Blendenöffnung, wobei kinetische Energie der Plasma-Ionen entlang des Bewegungspfades adiabatisch in Wärmeenergie umgewandelt wird. Insbesondere kann ein Gasdruck im Behälter derart gewählt werden, dass entlang des Bewegungspfades eine Raumladungskompensation der Plasma-Ionen erfolgt.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann die Verweildauer der Plasma-Ionen in dem Kompressionsbereich durch Wahl einer Länge der Innenelektrode und/oder der Außen- elektrode gesteuert werden. Die Plasmaparameter und insbesondere die mittlere Einschlusszeit für ein Teilchen sind daher von technisch einfach und präzise beeinflussbaren Größen abhängig. In einer weiteren bevorzugten Ausfuhrungsform umfasst das erfindungsgemäße Verfahren zur elektrostatischen Ionenkompression zusätzlich den Schritt des Abstimmens der Ladungsstromdichte der in dem Plasmaerzeugungsbereich erzeugten und in Richtung auf die Blendenöffnung beschleunigten freien Ladungsträger auf die Durchflussstromdichte des Blenden- Systems.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur elektrostatischen Ionenkompression kann zum Erzeugen von Neutronen in dem Kompressionsbereich verwendet werden. Neutronen können insbesondere bei durch die Ionenkompression induzierten Kernfusionsreaktionen freigesetzt werden.

Die Erfindung umfasst auch die Verwendung des vorstehend beschriebenen Verfahrens zur elektrostatischen Ionenkompression zum Erzeugen von ultravioletter Strahlung, insbesondere kurzwelliger ultravioletter Strahlung, in dem Kompressionsbereich.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG

Der erfindungsgemäße Ionenkompressor sowie das erfindungsgemäße Verfahren zur elektrostatischen Ionenkompression lassen sich am besten anhand einer detaillierten Beschreibung der beigefügten Zeichnungen verstehen, in denen:

Fig. Ia schematisch die induktive Plasmaerzeugung in einem sphärischen Entladungsgefäß veranschaulicht;

Fig. Ib das zur Beschreibung der induktiven Plasmaerzeugung verwendete Kugel- koordinatensystem zeigt;

Fig. 2 eine Ausfuhrungsform des erfindungsgemäßen elektrostatischen Ionenkompressors in schematischer Übersicht zeigt;

Fig. 3 a das Elektrodensystem des in Fig. 2 veranschaulichten Ionenkompressors schematisch in einem Längsschnitt zeigt; Fig. 3b das Elektrodensystem der Fig. 3a im Querschnitt zeigt;

Fig. 4 einen Ausschnitt des Elektrodensystems einer alternativen Ausfuhrungsform des erfindungsgemäßen Ionenkompressors zeigt; und 1. Grundzüge der induktiven Plasmaerzeugung

Induktiv gekoppelte Plasmen werden seit mehr als 100 Jahren erzeugt und untersucht, wie beispielsweise bei J. Hopwood, "Review of Inductively Coupled Plasmas for Plasma Processing", Plasma Sources Science and Technology, I (1992), 109-116 beschrieben ist.

Eine Vorrichtung zur induktiven Plasmaerzeugung umfasst einen Behälter mit einem Gas, in welchem das Plasma zu erzeugen ist, sowie eine Induktivität, beispielsweise eine Spule, die mit dem Gas induktiv koppelbar ist. Bei der induktiven Kopplung kann man die Induktivität als Primärwicklung eines Transformators auffassen, die in dem Gas ein magnetisches Wechselfeld erzeugt. Der sich zeitlich ändernde magnetische Fluss kann bei ausreichender Stärke in dem Gas ein Plasma zünden und aufrechterhalten. Die Entladung im Gas stellt dabei ein elektrisch leitendes Fluid dar, und der Ladungsfluss im Plasma kann als eine einzelne Sekun- därwindung angesehen werden, die mit der Induktivität als Primärwicklung effektiv einen Transformator bildet.

Induktiv erzeugte Entladungsplasmen bieten gegenüber elektrodengespeisten Systemen sowohl technische als auch physikalische Vorteile. Zum einen werden unerwünschte Sputter- effekte und die damit verbundene Erosion des Elektrodenmaterials und Verunreinigung des Entladungsplasmas vermieden. Zum anderen ist die induzierte Stromdichte nicht raumla- dungsbegrenzt und kann (zumindest theoretisch) beliebig hohe Werte annehmen. Bei hohen Erregerströmen ergibt sich ferner die Möglichkeit, einen intrinsischen Plasmaeinschluss (The- ta-Pinch) zu erzeugen. Die Initiierung eines induktiven Ladungsplasmas wird jedoch dadurch erschwert, dass es im Gegensatz zu einer linearen Entladung nicht zu einer elektrodenbedingten Sekundäremission von Elektronen kommt, die zu einer Verstärkung der Entladung beitragen könnten.

Die induktive Zündung einer Gasentladung erfolgt genau dann, wenn die Erzeugungsrate von Ionen durch Elektronenstoßionisation die Rekombinationsrate übersteigt. Kann die Rekombinationsrate innerhalb des Entladungsvolumens gegenüber den Gefäßwandeffekten vernachlässigt werden, wird der Verlust an freien Ladungsträgern nahezu ausschließlich durch deren der Elektronendichte, und der Ladungsträgertransport wird durch die zeitlich homogene Diffusionsgleichung beschrieben:

W ^A n Λ—^- Π = S . (1) e D e e ^v ' a

In Gleichung (1) bezeichnet n^ die Elektronendichte, D ₃ die Diffusionskonstante für die 5 betreffende Teilchensorte, Vj _z die Frequenz für Ionisationsstöße und S _e die gegebene Quelldichte für Ladungsträger im Entladungsvolumen, die weitgehend unabhängig von der momentanen Elektronendichte ist.

Obwohl die Erfindung auf beliebige Entladungsgeometrien anwendbar ist, werden in der vor-

10 liegenden Anmeldeschrift ausschließlich Ausführungsbeispiele mit sphärischer Entladungsgeometrie betrachtet. Die kugelförmige Entladungsgeometrie bietet aufgrund des größtmöglichen Verhältnisses von Volumen zu Oberfläche den Vorteil besonders kleiner Ladungsträgerverluste am Randbereich des Plasmas, so dass sich Plasmen mit hohen Ladungsträgerkonzentrationen erzeugen lassen.

15

Fig. Ia veranschaulicht schematisch das Prinzip der induktiven Entladungserzeugung in einem sphärischen Behälter 10, der ein Gas 12 enthält und von einer Spule 14 mit zwei Windungen umgeben ist. Fig. Ib zeigt das nachfolgend zur Beschreibung der induktiven Entladungserzeugung der Fig. Ia verwendete Kugelkoordinatensystem (r, θ, Φ).

20

Nach der Lenzschen Regel induziert der Erregerstrom I ₀ (t) in den Induktionswindungen der Spule 14 im Plasma einen Induktionsstrom I _p (t), dessen Magnetfeld so gerichtet ist, dass es der Induktionsursache entgegenwirkt. Zur Bestimmung des Zündkriteriums in Abhängigkeit vom Gasdruck wird vereinfachend von einer vollständig azimutalsymmetrischen und polar-

25 symmetrischen Entladungsgeometrie ausgegangen. Die Elektronendichte n _e (r) ist in diesem Fall ausschließlich von der Radialkoordinate r abhängig. Bei gleichzeitiger Annahme einer verschwindenden Quelldichte S _e von Ladungsträgern nimmt die Diffusionsgleichung die Form

r dr [ dr J D _a i n r?: T K nu: „i /i\ ι « * „: „i i „ T : i,„~,u:„„+: u«_: „„u„_ r> ~ I Λ i. n _e (r) = Aj ₀ (ar)+ By ₀ (ar), mit a ¹ = ^- (3)

angeben. Am Rand der Gefaßwand verschwindet die Elektronendichte, und damit folgt für die Radialverteilung der Elektrodendichte wobei ri _e o eine Konstante darstellt und r ₀ den Radius des Behälters 10 bezeichnet. Wegen

a ² = -^- folgt die Bedingung

π

⁽⁵⁾

Y

Mit der mittleren Diffusionslänge Λ = — ergibt sich aus Gleichung (5) ein Zusammenhang π zwischen der Kollisionsfrequenz für Ionisationsstöße Vj _z und den Abmessungen sowie der Geometrie des Entladungsgefäßes 10, der als allgemeines Zündkriterium für induktive Entladungsplasmen bezeichnet wird:

Die Kollisionsfrequenz v _ιz ist eine Funktion des Betrags der induzierten elektrischen Feldstärke E: y,XE _emf h n _g X,XE _emf ) (7) mit der Konstante n _g und dem Ratenkoeffizienten Xj _Z , der sich nach M. A. Liebermann und A. J. Lichtenberg, "Principles of Plasma Discharges and Materials Processing", J. Wiley & Sons, New Jersey 2005, für Elektronenenergien, die im Mittel unterhalb der Ionisierungsenergie des betrachteten Elements liegen, in guter Näherung durch eine Arrhenius-Funktion ausdrücken lässt:

X _lz {E _emf )= X _o e ^~E ' ^» ' , (8) wobei p den eingestellten Gasdruck bezeichnet und C ₂ ein von der Gasart abhängiger Koeffizient ist, der analog zu den Paschenkoeffizienten experimentell bestimmt werden kann. Eben- n x. X falls analog zum Paschengesetz lässt sich ein zweiter Parameter C ₁ = -A \ definieren, so

(D _n x _P )

Aus dem Faraday-Induktionsgesetz folgt damit das folgende Zündkriterium für ein induktives Entladungsplasma:

• C ₂ pA \n[ _C] pA ) wobei / die Stromanstiegsrate und L die Induktivität der Induktionsspule bezeichnet. Für die Induktivität L einer eng am Entladungsgefäß 10 anliegenden Induktionsspule 14 gilt die Beziehung wobei C(N) ein von der Windungszahl abhängiger dimensionsloser Korrekturfaktor ist. Mit der Ersetzung Λ = — folgt demnach aus dem Zündkriterium der Gleichung (10) ein Zusam- π menhang zwischen der zur Einleitung einer induktiven Entladung benötigten Stromanstiegsrate und den Abmessungen des Entladungsgefäßes sowie dem eingestellten Gasdruck: wobei Ai und A ₂ die Konstanten zusammenfassen. Aus Gleichung (12) folgt, dass die benö- tigten Stromanstiegsraten mit zunehmendem Radius r ₀ sinken. Die mit größeren Entladungsgefäßen verbundenen Stromanstiegsraten 0,1 kA/μs bis 1 kA/μs lassen sich mit Leistungshalbleitern umsetzen, während bei kleineren Gefäßabmessungen Gasentladungsschalter nötig sind, um die notwendigen Stromanstiegsraten aufzubringen. In Abhängigkeit vom Gasdruck p dagegen durchläuft die Stromanstiegsrate nach Gleichung (12) ein Minimum, wie es für Pa- schenkurven üblich ist. In Experimenten konnte gezeigt werden, dass das Minimum der zur Zündung einer Entladung in einem mit Argon befüllten sphärischen Behälter von ca. 10 cm Radius erforderlichen Stromanstiegsrate bei einem Druck von ca. 3 Pa liegt und etwa 0,6 kA/μs beträgt. Bei Stromanstiegsraten von ca. 1 kA/μs lässt sich der Gasdruck auf bis unter 1 Pa verringern. Mit dem experimentellen Aufbau konnten Elektronendichten n _e von 10 ¹⁴ /cm ³ bis 10 ¹⁵ /cm ³ erzeugt werden.

Die Abhängigkeit der Elektronendichte von der Anregungsfrequenz v sowie der Geometrie Im allgemeinen wird bei einer induktiv gekoppelten Plasmaentladung die Leistung des anliegenden elektrischen Feldes innerhalb einer gewissen Skintiefe δ übertragen, siehe z.B. J. T. Gudmundsson and M. A. Liebermann: "Magnetic Induction and Plasma Impedance in a PIa- nar Inductive Discharge", Plasma Sources Science and Technology, 7 (1998) 83 - 95. Bei einem stoßdominierten Plasma, d.h. bei einem Plasma, bei dem die Frequenz v _c der Kollisionen zwischen Elektronen und Neutralgasteilchen sehr viel größer als die Anregungsfrequenz v ist, wurde gezeigt, dass eine maximale Effizienz der Einkopplung von Energie bei einer Skintiefe von δ = 0,57r _p (13) auftritt, wobei r _p der Radius des Plasmas ist, der in guter Näherung mit dem Radius des Entladungsbehälters gleichgesetzt werden kann: r _p ~ r ₀ . Die obige Gleichung (13) ist wiederum bei M. A. Liebermann und A. J. Lichtenberg: "Principles of Plasma Discharges and Materials Processing", Wiley & Sons, New Jersey 2005, und bei J. Reece Roth: "Industrial Plasma En- gineering Volume 1", IoP (Institute of Physics Publishing) 2003, hergeleitet. Dies bedeutet, dass die Skintiefe durch den konstruktiven Aufbau bereits im Wesentlichen festgelegt ist. Für die Dichte der von dem Plasma absorbierten Leistung w _abs gilt folgende Beziehung:

^ =^1 _/ , (14) wobei E _em f die elektrische Feldstärke und σ _p die räumlich und zeitlich gemittelte Leitfähigkeit des Plasmas ist, für die gilt:

μ ₀ vδ ² wobei v die Anregungsfrequenz bezeichnet. Durch Einsetzen der Gleichungen (13) und (15) in die Gleichung (14) ergibt sich folgende Beziehung:

. _, 6,16 ₂

Aus Gleichung (16) erkennt man, dass die vom Plasma absorbierte Leistungsdichte invers proportional zur Anregungsfrequenz v ist. Dies bedeutet also, dass sich unter sonst gleichen Bedingungen (wie induzierte Feldstärke E _em f und Plasmaradius ro) mit niederfrequent angeregten Plasmen höhere Leistungsdichten erzielen lassen. der eingespeisten Leistung, wie beispielsweise von J. Hopwood et J. Vac. Sei. Technol. Al l : 152, (1993), experimentell bestätigt wurde. Für die im Plasma dissipierte Leistung gilt dann:

W _diss = n _e u _B A _eff W _T , (17) wobei U _B die Bohmsche Geschwindigkeit ist, A _e ß- die effektive Oberfläche des Entladungsbehälters und W _T der totale Energieverlust pro erzeugtem Ladungsträgerpaar nach Liebermann und Lichtenberg (siehe oben), der sich aus Strahlungsverlusten und Verlusten an kinetischer Energie zusammensetzt, die auftreten, wenn die Ladungsträger die Gefäßwand erreichen. Die "effektive Oberfläche" A _e g entspricht bei sphärischen Behältern der geometrischen Oberflä- che, kann jedoch bei anderen Gefäß formen, beispielsweise zylindrischen Gefäßen, ungefähr 10 % geringer als die geometrische Oberfläche sein.

Die dissipierte Leistung W _dιss nach Gleichung (17) muss aufgrund der Energieerhaltung der insgesamt im Plasma absorbierten Leistung entsprechen. Die insgesamt absorbierte Leistung W _abs entspricht dem Volumintegral über die Leistungsdichte von Gleichung (16), die in einer qualitativen Betrachtung jedoch approximiert werden kann, indem die Leistungsdichte von Gleichung (16) mit dem Volumen V _p des Plasmas multipliziert wird, wodurch man erhält:

Durch Gleichsetzen von Gleichungen (17) und (18) (Energieerhaltung) erhalten wir folgenden genäherten Ausdruck für die Elektronendichte:

6 0,,1160 V _p n. ~ E ² (19)

Wl ^U B ^A eff ^W T

Wie Gleichung (19) zu entnehmen ist, ist die Elektronendichte n _e in der Tat invers proportional zur Anregungsfrequenz v, was wiederum bedeutet, dass sich höhere Elektronendichten n _e bei niedrigeren Anregungsfrequenzen erhalten lassen. Ferner erkennt man, dass die Elektro- nendichte n _e proportional zum Verhältnis zwischen dem Volumen V _p und der effektiven Oberfläche A _e ff ist. Dies bedeutet erstens, dass sich höhere Elektronendichten bei größeren Behältern erreichen lassen. Zweitens bedeutet dies, dass eine kugelförmige, d.h. sphärische Behältergeometrie, bei der das Verhältnis von Volumen zu Oberfläche maximal ist, ebenfalls für das Erreichen einer hohen Elektronendichte n _e vorteilhaft ist. 2. Adiabatische Kompression

Vor den leitenden Wänden eines Entladungsgefäßes, wie es die Außenelektrode 24 darstellt, bildet sich im Plasmaerzeugungsbereich eine ebene und stoßfreie Randschicht, eine soge- nannte Debye-Randschicht, aus. Eine notwendige Bedingung für den Aufbau einer solchen Randschicht ist die Erfüllung des sogenannten Bohmschen Kriteriums für die Geschwindigkeit V ₀ , mit der die Ionen an der Schichtkante in die Randschicht eintreten: wobei T _e die thermische Elektronentemperatur und mj die Ionenmasse bezeichnet. Die Ge- schwindigkeit U _ß wird als Bohmsche Geschwindigkeit bezeichnet. Das Eintreten der Elektronen in die Randschicht des Plasmaerzeugungsbereichs mit der Bohmschen Geschwindigkeit U _B führt zu einem Bohmschen Diffusionsstrom mit der Ladungsstromdichte j _B = e - n _e - u _B . (21)

Die Raumladungsstromdichte innerhalb des Elektrodensystems folgt dagegen dem Schottky- Langmuir-Raumladungsgesetz. Für eine zylindrische Elektrodenanordnung gilt: wobei ε ₀ die Dielektrizitätskonstante, U die Beschleunigungsspannung, Z die Ladungszahl der Ionen und d der Abstand zwischen Anode und Kathode ist.

Um eine Raumladungskompensation zu erreichen und ein Durchzünden des Elektrodengaps beim Eindringen des Plasmas in das Elektrodensystem zu verhindern, müssen die Plasmaerzeugung und die Plasmaextraktion so aufeinander abgestimmt werden, dass die Bohmsche Ladungsstromdichte zumindest näherungsweise mit der Schottky-Langmuir- Raumladungsdichte übereinstimmt: n:„ D „U _™ — u~ T i * i:»u» ix — + „:„v, „„„u /~ii„:„i π m — A nΛ„:„u, — „ /n\ A,,~„U dungsgefaßes variieren, die Schottky-Langmuir-Ladungsstromdichte durch Wahl der Beschleunigungsspannung U sowie des Elektrodenabstands d.

3. Ausfuhrungsbeispiel

Fig. 2 zeigt einen nach den vorstehend erläuterten Prinzipien aufgebauten Ionenkompressor in schematischer Darstellung. Ein Ausschnitt, der die Elektrodenvorrichtung in Schnittdarstellung zeigt, ist in Fig. 3 illustriert, während Fig. 5 ein Ersatzschaltbild der in den Fig. 2 und 3 gezeigten Plasmaerzeugungseinrichtungen darstellt. Fig. 4 zeigt das Elektrodensystem einer alternativen Ausfuhrungsform des erfindungsgemäßen Ionenkompressors ohne Abschirmelektrode. In allen Figuren sind gleiche oder ähnliche Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen.

Der sphärische Entladungsbehälter 20 mit ca. 10 cm Durchmesser enthält ein Argongas 12 bei einem Druck von ca. 0,1 - 1 Pa. Der Entladungsbehälter ist in seinem Äquatorialbereich mit einer Spule 14, die fünf Windungen eines ca. 20 mm breiten Kupferbandes umfasst und an einer Spulenhalterung 16 aus einem elektrisch isolierenden Material gelagert ist, umwickelt. Die Windungen sind untereinander durch elektrisch leitende Verbindungselemente verbunden, die in Fig. 2 nicht gezeigt sind. Die fünf Windungen bilden zusammen eine Spule 14 mit einer Gesamtinduktivität L von ca. 1 μH.

Wie aus Fig. 2 zu erkennen ist, sind außerhalb des Entladungsbehälters 10 zwei Kondensatoren zu einer Kondensatorbank 18 parallel geschaltet. Die Kondensatorbank 18 weist in dem gezeigten Ausführungsbeispiel eine Gesamtkapazität von etwa 2 μF auf und ist über einen ersten Anschluss mit einer Spannungsversorgungseinheit (nicht gezeigt) verbunden. Im Betrieb werden die Kondensatoren über den ersten Anschluss auf eine Vorladespannung von etwa 35 kV aufgeladen.

Über einen zweiten Anschluss ist die Kondensatorbank 18 mit einem ersten Ende der Indukti- onsspule 14 verbunden. Das entgegengesetzte Ende der Spule 14 ist mit einem Schaltelement 20 gekoppelt, das in der in Fig. 2 gezeigten Anordnung zwei parallel verschaltete Scheibenthyristoren vom Typ SKT552/16E umfasst. Mit vertretbarem Aufwand lassen sich auf Kondensatoren und Thyristoren zum Spulensystem trägt dazu bei, die Energieverluste im Primärkreis gering zu halten.

In Fig. 5 ist ein Ersatzschaltbild der in Fig. 2 illustrierten Plasmaerzeugungsvorrichtungen gezeigt, wobei die Windungen der Induktionsspule 14 durch eine Reihenschaltung einer Induktivität L ₀ und eines Ohmschen Widerstandes R ₀ repräsentiert ist.

Zum Induzieren eines Plasmas wird die Kondensatorbank 18 zu einem Zeitpunkt t = 0 mit einer Ladespannung von ca. 1250 V aufgeladen. Im Anschluss werden die Thyristoren des Schaltelements 20 über ein Steuersignal in einen leitenden Zustand geschaltet, so dass sich die Kondensatorbank durch die Spulen Windungen der Induktionsspule 14 hindurch entlädt. Der Entladestrom erreicht maximale Stromstärken von ca. 3 kA und Stromanstiegsraten von mehr als 1 kA/μs. Wie obenstehend erläutert, wird durch den rapiden Stromanstieg im Entladungsgas 12 innerhalb des Entladungsbehälters 10 ein sich zeitlich stark ändernder magnetischer Fluss erzeugt, der seinerseits ein elektrisches Feld induziert, welches zum Zünden eines Plasmas im Entladungsbehälter 10 ausreicht.

Da die Plasmaentladung als elektrisch leitfähiges Fluid betrachtet werden kann, welches von der Spule 14 umgeben ist, bildet sie die Sekundärwindung eines gedachten Transformators. Die Kondensatorbank 18 mit Gesamtkapazität C und die Spule 14 mit der Induktivität L ₀ und dem Ohmschen Widerstand R ₀ bilden einen gedämpften elektrischen Serienschwingkreis, so dass die Spannung in der Kondensatorbank 18 mit einer Frequenz v oszilliert und der Strom mit derselben Frequenz zwischen Kondensatorbank und Induktivität umläuft. Bei der hier beschriebenen Ausführungsform ergibt sich eine Schwingkreisfrequenz von ca. 50 kH, die gleichzeitig die Anregungsfrequenz des Plasmas ist. Die Oszillation des Schwingkreises dauert in der beschriebenen Ausführungsform für 50 - 200 μs, vorzugsweise ca 100 μs, an, während derer das Plasma gezündet und aufrechterhalten wird.

Mit dem beschriebenen Aufbau lässt sich durch induktive Kopplung mit einer Anregungsfre- quenz, die um rund drei Größenordnungen unter den üblichen Anregungsfrequenzen liegt, ein Plasma mit hoher Elektronendichte erzeugen. Nach einem eventuellen Erlöschen des Plasmas wird die Kondensatorbank 18 wieder aufgeladen, bis das Schaltelement 20 durch ein weiteres Steuersignal erneut in den leitfähigen Zustand geschaltet wird.

In abgewandelten Ausführungsformen können anstelle von Thyristoren im Schaltelement 20 auch Ignitrons oder IGBTs eingesetzt werden. Solche alternativen Ausführungsformen sind in weiteren Einzelheiten in der verwandten Anmeldung DE 10 2007 039 758 beschrieben, auf die hier Bezug genommen wird.

Wie aus der Zeichnung der Fig. 2 zu entnehmen ist, umfasst der erfindungsgemäße Ionenkompressor ein zylinderförmiges Elektrodensystem 22, das teilweise in den Entladungsbehälter 10 aufgenommen ist. Fig. 3a zeigt das Elektrodensystem schematisch im Längsschnitt, Fig. 3b im Querschnitt. Wie aus Fig. 3a und 3b zu erkennen ist, umfasst das Elektrodensystem drei koaxial ineinander verschachtelte hohlzylinderförmige Elektroden: eine Außenelektrode 24, die im bestimmungsgemäßen Betrieb des Ionenkompressors als Erdelektrode dient, umschließt eine während des Betriebs als Abschirmelektrode dienende Zwischenelektrode 26, die ihrerseits eine als Beschleunigerelektrode wirkende Innenelektrode 28 umschließt. Der Abstand zwischen Außenelektrode 24 und Zwischenelektrode 26 beträgt in der gezeigten Ausführungsform ca. 3 mm, der Abstand zwischen Innenelektrode 28 und Zwischenelektrode 26 ca. 1 bis 2 mm.

Die gemeinsame Zylinderachse von Außenelektrode 24, Zwischenelektrode 26 und Innenelektrode 28 verläuft senkrecht zu den von den Windungen der Induktionsspule 14 aufgespannten Ebenen durch den Mittelpunkt des Entladungsbehälters 10. Mit einem oberen Ende, das dem Nordpol des Entladungsbehälters 10 benachbart ist, sind die Elektroden in den Entladungsbehälter 10 aufgenommen, während ein entgegengesetztes unteres Ende jeweils außerhalb des Entladungsbehälters 10 liegt und mit Elektrodenanschlüssen verbunden ist.

Die Außenelektrode 24 ist mit einem Erdelektrodenanschluss 30 verbunden, der wiederum über elektrisch leitende Verbindungsstäbe 32, 32' an das Spulensystem gekoppelt ist, so dass die Spulenanordnung ebenfalls auf Massepotential liegt. Das untere Ende der Zwischenelektrode 26 ist mit einem Abschirmelektrodenanschluss 34 verbunden, während das untere Ende einen Mittelspannungsisolator 38 getrennt. Der Abschirmelektrodenanschluss 34 und der Be- schleunigungselektrodenanschluss 36 sind darüber hinaus vom Erdelektrodenanschluss 30 durch einen Hochspannungsisolator 40 getrennt.

Die Durchführung des Elektrodensystems 22 durch die Außenwand des Entladungsbehälters 10 am Südpol des Entladungsbehälters 10 ist durch einen Flansch 42 gegen die Umgebungsatmosphäre abgedichtet.

Wie aus dem Längsschnitt der Fig. 3 a zu erkennen ist, weist die Außenelektrode 24 mehrere erste Blendenöffnungen 44 auf, die in regelmäßigen Abständen entlang einer Umfangrichtung der Außenelektrode 24 ausgebildet sind. Zwei erste Blendenöffnungen 44 und 44' sind dabei jeweils durch einen Steg 46 getrennt, dessen Breite entlang der Umfangrichtung etwa ein Fünftel der Breite der ersten Blendenöffnung entlang der Umfangrichtung beträgt. Die Breite der ersten Blendenöffnungen 44 beträgt vorzugsweise 2 - 10 mm, in der gezeigten Ausfüh- rungsform etwa 5 mm. Ihre Länge entlang einer Axialrichtung der Außenelektrode 24 entspricht der Ausdehnung eines von der Spule 14 umschlossenen Abschnitts des Entladungsbehälters und beträgt vorzugsweise 2 bis 10 cm, in der gezeigten Ausführungsform ca. 4 cm.

Die Zwischenelektrode 26 weist eine entsprechende Anzahl dritter Blendenöffnungen 48 glei- eher Länge und gemäß dem Umfangsverhältnis von Zwischenelektrode 26 und Außenelektrode 24 verminderter Breite auf, wobei jeweils eine dritte Blendenöffnung 48 einer ersten Blendenöffnung 44 gegenüber liegt.

Die Innenelektrode 28 ist entsprechend entlang ihrer Umfangsrichtung mit mehreren zweiten Blendenöffnungen 50 ausgebildet, wobei wiederum stets eine zweite Blendenöffnung 50 der Innenelektrode 28 einer dritten Blendenöffnung 48 der Zwischenelektrode 26 gegenüberliegt.

Fig. 4 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt des Elektrodensystems 22 im Bereich der Blendenöffnungen gemäß einer alternativen Ausführungsform der Erfindung, bei der die Zwischen- elektrode 26 fehlt.

In der in Fig. 3a bzw. Fig. 4 gezeigten Konfiguration überdecken die Blendenöffnungen 44, des Entladungsbehälters 10 in einen Kompressionsbereich, der von der Innenelektrode 28 umschlossen ist.

Zur Plasmakompression wird die Außenelektrode 24 über den Erdelektrodenanschluss 30 mit einem Massepotential verbunden, während an die Innenelektrode 28 über den Beschleuni- gungselektrodenanschluss 36 eine negative Beschleunigungsspannung von ca. -35 kV angelegt wird. Die Zwischenelektrode 26 wird (soweit vorhanden) über den Abschirmelektroden- anschluss 34 an ein Potential von ca. -37 kV gelegt. Die Erfindung ist jedoch nicht auf die genannten Spannungen beschränkt. Beispielsweise kann die Beschleunigungsspannung an der Innenelektrode 28 zwischen -10 kV und -100 kV eingestellt werden, wobei die Potentialdifferenz zwischen Außenelektrode 24 und Zwischenelektrode 26 die Potentialdifferenz zwischen Außenelektrode 24 und Innenelektrode 28 betraglich um ca 10 % übersteigt.

Das nach dem obenstehend beschriebenen Verfahren in dem Entladungsbehälter 10 induktiv erzeugte Plasma wird daher radial in Richtung auf die Außenelektrode 24 beschleunigt und tritt durch die ersten Blendenöffnungen 44, die dritten Blendenöffnungen 48 und die zweiten Blendenöffnungen 50 in den Innenraum der Innenelektrode 28. Durch die vorstehend beschriebene Abstimmung der Erzeugungsrate der Ladungsträger im Plasmaerzeugungsbereich an die Extraktionscharakteristik des Elektrodensystems 22 kann im Strahlbereich eine Raum- ladungskompensation der Ionen erzielt werden. Insbesondere kann durch Wahl des Gasdrucks und der Anregungsenergie der Plasmaerzeugung sowie der Beschleunigungsspannung und des Elektrodenabstands erreicht werden, dass die Bohmsche Ladungsstromdichte näherungsweise mit der Schottkly-Langmuir-Ladungsstromdichte des Extraktionssystems übereinstimmt, wie obenstehend mit Bezug auf Gleichung (23) erläutert wurde. Der Abgleich verhin- dert ein Fluten des Elektrodengaps, das zu seinem Durchbruch führen würde. Die Eigenschaften des Strahls beschränken sich dann auf seine thermodynamischen Zustandsvariablen. Die Propagation der Ionen zur Symmetrieachse bedingt eine adiabatische Zustandsänderung, bei der die kinetische Energie entlang des Bewegungspfades nahezu vollständig in Wärmeenergie umgewandelt wird. Druck und Temperatur nehmen entlang des Bewegungspfades zu, so dass sich im Inneren des Kompressionsbereichs entlang der Zylinderachse ein besonders heißes und dichtes Plasma ausbildet. Aus Gleichung (23) ergibt sich bei einer Extraktionsspannung U = 35 kV und einer Gapweite d = 4 mm sowie einer Ladungszahl Z = I, dass zum Abgleich der Bohmschen Ladungsstromdichte mit der Schottky-Langmuir-Raumladungsdichte eine Elektronendichte von notwendig ist, wobei sich die Bohmsche Geschwindigkeit Ü _B nach Gleichung (20) ergibt. Die Bohmsche Stromdichte J _B folgt damit aus Gleichung (21) zu J _B ~ 1,6 A/cm ² .

Die Elektrodenkonfiguration besitzt in dem gezeigten Ausführungsbeispiel einen Durchmesser von ca. 4 cm und eine Höhe von gleichfalls ca. 4 cm. Die Gesamtelektrodenfläche beträgt demnach A = 25 cm ² . Die Strahlstromstärke ist dann gegeben mit I = 80 A. Bei 35 kV entspricht dies einer Leistung von P = 1,4 x 10 MW. Die zur Verfügung stehende Kondensatorbatterie hat in dem gezeigten Ausführungsbeispiel eine Kapazität von 2 μF. Bei 35 kV Ladespannung ergibt sich eine gespeicherte Energie von W = 1225 J. Dies ist mehr als ausreichend für die vorgesehenen 100 μs.

Für das vorstehend beschriebene Ausführungsbeispiel lassen sich exemplarisch die Anfangsdichte der Ionen und die radiale Geschwindigkeitskomponente ermitteln. In nichtrelativistischer Näherung ist die Geschwindigkeit einfach geladener Ionen in Abhängigkeit von der Extraktionsspannung U gegeben durch:

Für Deuteronen ergibt sich eine Geschwindigkeit v ~1,8 x 10 ⁶ m/s. Nach dem Beschleunigungsvorgang im Extraktionssystem beträgt die Ionendichte innerhalb des Strahls daher

W ₀ = h- « 5.5 - 10 ¹⁶ ATJ- ³ . (26) ev

Wird die kinetische Energie vollständig in Wärmeenergie umgewandelt, ergibt sich mit dem aus der kinetischen Gastheorie bekannten Zusammenhang zwischen Energiedichte und Temperatur w = ^nk _B T (27) mit den vorstehenden Parametern eine Endtemperatur T = 23 keV. Die nach der adiabatische Kompression im Zentrum der Elektrodenkonfiguration erzeugte Dichte folgt aus der Adiabatengleichung:

1

^{«• =} "°y ^{■ (28)}

Mit einer Anfangstemperatur T ₀ = 0,1 eV und einem Adiabatenkoeffizienten K = 1,6 ergibt sich die im Zentrum des Kompressionsbereichs erreichbare Teilchendichte n _e « 4,7 - 10 ²⁵ m ^~ \ (29)

Bei derartigen Dichten und Temperaturen kommt es bei der Verwendung von Deuterium und Tritium zu Fusionsreaktionen, die Neutronen produzieren.

Die Anzahl der Reaktionen ist abhängig von der Einschlusszeit. Für genügend große Einschlusszeiten wäre es möglich, aus den Fusionsreaktionen auch Energie zu gewinnen.

Die gegenüber der Beschleunigungselektrode 28 leicht negativ vorgespannte Abschirmelektrode 26 hindert innerhalb des Kompressionsbereichs durch Stoßionisation gebildete Elektronen am Verlassen des Kompressionsbereichs und erhöht dadurch die Plasmadichte innerhalb des Kompressionsbereichs. Die in Fig. 2 und 3 gezeigte Ausführungsform mit drei koaxial ineinander verschachtelten Elektroden ist daher bevorzugt. Wie in Fig. 4 gezeigt, kann jedoch auf die Abschirmelektrode 26 auch verzichtet werden, sofern eine besonders einfache, kompakte Elektrodenvorrichtung gewünscht ist.

Da die Ionen zunächst radial nach innen zur Symmetrieachse hin konvergieren und nach ma- ximaler Enthalpieänderung orthogonal zur Strahlrichtung entlang des sich ausprägenden

Druckgradienten entweichen, lässt sich eine mittlere Verweildauer eines Ions im Kompressionsbereich gezielt durch Wahl der longitudinalen Abmessungen des Elektrodensystems 22 manipulieren.

Das vorstehend beschriebene Verfahren zur Ionenkompression und die erfindungsgemäße weise kompakten Apparatur. Anwendungen der Erfindung liegen in der Erzeugung kurzwelliger UV-Strahlung, kontrollierter Kernfusion oder der Neutronenerzeugung.

Die vorstehend beschriebenen Ausfuhrungsbeispiele und die Figuren dienen lediglich der Illustration und sollen die Erfindung keinesfalls einschränken. Der Schutzumfang des erfindungsgemäßen Ionenkompressors und des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Ionenkompression ergibt sich allein aus den nachfolgenden Ansprüchen.

Bezugszeichenliste

10 Entladungsbehälter

12 Entladungsgas

14 Induktionsspule

16 Spulenhalterung

18 Kondensatorbank

20 Schaltelement

22 Elektrodensystem

24 Außenelektrode

26 Zwischenelektrode

28 Innenelektrode

30 Erdelektrodenanschluss

32, 32' Verbindungsstäbe

34 Abschirmelektrodenanschluss

36 Beschleunigungselektrodenanschluss

38 Mittelspannungsisolator

40 Hochspannungsisolator

42 Flansch

44,44' erste Blendenöffnungen

46 Steg

48 dritte Blendenöffnung

50 zweite Blendenöffnung