| JP58169752 | HOLLOW-CATHODE DISCHARGE DEVICE |
| JP62272440 | ION SOURCE FOR ION IMPLANTING APPARATUS |
| JP03134936 | ION BEAM GENERATING DEVICE |
Frey, Wolfgang (Vorholzstrasse 50 Karlsruhe, D-76137, DE)
Schultheiss, Christoph (Edith-Stein-Weg 5 Berghausen, D-76327, DE)
Söhner, Michael (Hardtstrasse 34 Karlsdorf-Neuthard, D-76689, DE)
Frey, Wolfgang (Vorholzstrasse 50 Karlsruhe, D-76137, DE)
Schultheiss, Christoph (Edith-Stein-Weg 5 Berghausen, D-76327, DE)
| 1. | Gasgefüllter Teilchenbeschleuniger mit einer gepulsten Plas maquelle, bestehend aus : einer koaxialen Elektrodenanordnung aus Innenleiter und Außenleiter, die durch ein Dielektrikum, das an seiner freien Stirnfront als Plasmaspender dient, voneinander getrennt sind, wobei die Elektrodenanordnung in einen Hohlkathodenraum ragt, der wiederum in eine Strahlführungskammer, die Kanalfunkenstrecke oder den eigentlichen Teilchenbeschleuni ger, mündet, und auf der stirnseitigen Oberfläche die Gleit entladung vom Außenzum Innenleiter stattfindet, aus einer elektrischen Beschaltung zum Erzeugen der Hochspan nungspotentiale, zum Zünden der Oberflächengleitentladung und zum Beschleunigen der elektrisch geladenen Teilchen, gekennzeichnet durch die neuen Merkmale : der aus der stirnseitigen, koaxialen Elektrodenanordnung (8, 9,10) bestehende Gleitentladungstrigger ragt an einer ero sionsarmen Stelle, dem Rückraum (4) der Hohlkathode, in den Hohlkathodenraum, das Dielektrikum im Gleitentladungsbereich ist aus einer ero sionsarmen Keramik, die an ihrer exponierten Stirnfläche zur Unterstützung der Gleitentladung mit einem erodierenden Gleitentladungsmedium bedeckt ist, im Hohlkathodenraum vor dem Gleitentladungsgebiet ist koaxial ein Emissionsring (7) mit Emissionskante angebracht, der den Gleitentladungsbereich freiläßt und als Quelle für die Haup tentladung für den Teilchenbeschleuniger dient, der Triggerkreis und der Laststromkreis für den Teilchenbe schleuniger haben eine gemeinsame Hochspannungsquelle, die Triggeranode (9) ist über eine Parallelschaltung aus ei nem elektrischen Widerstand (17) und einem Kondensator (18) mit einer die Entladung bewirkenden Funkenstrecke (16) ver bunden und über die Kapazität des Kondensators (18) ist die Zünddauer der Gleitentladung und die Zündenergie einstellbar. |
| 2. | Gasgefüllter Teilchenbeschleuniger mit einer gepulsten Plas maquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die koaxiale Elektrodenanordnung (8,9,10) über eine koa xiale, teilweise dielektrische Positioniereinrichtung und über eine richtungsbeschränkte, induktive Kopplung vom elek trischen Potential der Hauptentladung getrennt ist. |
| 3. | Gasgefüllter Teilchenbeschleuniger mit einer gepulsten Plas maquelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die erosionsarme Keramik Al 03 oder SiN oder Ti02 oder das mit herkömmlichen Werkzeugen bearbeitbare Macor oder das hochdie lektrische Material BaTiO oder eine sonstige, dafür geeignete Keramik ist. |
| 4. | Gasgefüllter Teilchenbeschleuniger mit einer gepulsten, lang lebigen Plasmaquelle nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die koaxiale Elektrodenanordnung eine Automobilzündkerze ist, die eine topfartige Triggerelektrode (8) aufgesetzt hat und von der Triggeranode (9) über einen Keramikring (10) mit Startschicht im Gleitentladungsbereich elektrisch getrennt ist. |
Eine solche Plasmaquelle (siehe Figur 4) besteht aus einem In- nenleiter, einem Außenleiter in der Form eines Kupferrohres und einem Teflon-Isolator, dabei dient der Teflon-Isolator zwischen Innen-und Außenleiter als Plasmaspender. Das Kupferrohr wird in den Hohlkathodenraum 4 des Teilchenbeschleunigers eingebracht.
Der Außenleiter 3 des Rohres ist dabei mit dem Potential der Hohlkathode 2 verbunden. Der Innenleiter 6 wird beim Aufladen der Kondensatoren 12 über die Widerstände 15,17 auf gleichen Potential gehalten wie der Außenleiter 3. Nachdem die Ladespan- nung erreicht ist, wird zum Einleiten des Zündvorgangs die Mit- telelektrode durch das Zünden der Funkenstrecke 16 auf Massepo- tential gezogen. Dadurch kommt es zu einer Oberflächengleitent- ladung zwischen Außen-und Innenleiter entlang der Isolatoro- berfläche, wodurch an der Oberfläche Isolatormaterial verdampft und ionisiert (Plasmabildung) wird.
Die Lebensdauer der Plasmaquelle ist für den industriellen Ein- satz uninteressant gering, maximal 105-10f'Zündvorgänge, da bei einem Zündvorgang sehr viel Isolatormaterial (Teflon) verdampft und ionisiert wird. Der Materialabtrag erfolgt in der Regel ein- seitig, so daß nach kurzer Betriebszeit, d. h. einigen 105 Zün- dungen, Erosionskanäle in den Teflonisolator eingebrannt sind.
Das Zündplasma wird dann nicht mehr an der Oberfläche des Trig- gers erzeugt und dringt nicht bis in den Hohlkathodenraum ein, die Erzeugung eines Teilchenstrahls bleibt aus. Es kommt dann zu einem Kurzschluß über dieses Plasma im Erosionskanal des Trig- gers, wobei sich der Kondensator als elektrische Energiequelle über einen Entladewiderstand und die die Entladung startende Funkenstrecke entlädt. Dieser Fehlerfall ist zu vermeiden, da dabei kein Teilchenstrahl mehr erzeugt wird und der Trigger und der Widerstand thermisch zu stark belastet werden und als Folge davon ausfallen. Weiterhin ist die Erzeugung eines ausreichenden Plasmas zum Zünden der Hauptentladung stark druckabhängig (nur > 1 Pa). Für manche Anwendungen ist es aber notwendig, bei niedrigeren Drucken zu arbeiten. Die Fertigungstoleranzen dieser Trigger sind relativ groß, wodurch sich die Lage der Plas- maquelle im Hohlkathodenraum von Trigger zu Trigger ändert. Da- durch und durch das Material bedingt, ist die Reproduzierbarkeit der Eigenschaften der Plasmaquelle sehr gering.
In IEEE Transactions on Plasmascience, Vol. 23, No. 3, June 1995 berichten A. Görtler et al. über Untersuchungen mit der Trigge- rung von Hohlkathodenentladungen, d. h. dem Entladungstyp, auf dem die Funktion des Teilchenbeschleunigers basiert. Der Ansatz des Gleitentladungstriggers ist durch vier wesentliche Punkte gekennzeichnet : -Der Trigger ist in der Hohlkathodenbohrung plaziert. Er sitzt damit an einer Stelle, die bei Hohlkathodenanordnungen beson- ders starker Erosion ausgesetzt ist.
-Es werden erosionsarme Keramiken als Gleitentladungsmedium, wie A1203, SiN, TiO2 und hoch dielektrische Materialien, wie Ba TiO3, verwendet. Der Arbeitsdruck ist hoch und liegt bei p = 10 Pa.
-Der Triggerkreis und Laststromkreis besitzen unterschiedliche Spannungspegel. Die erforderliche Zündspannung in Druckberei- chen unterhalb von p = 1,2 Pa liegt über 15 kV.
-Die Lebensdauer der Gleitentladungstrigger bei p = 50 Pa wird mit maximal 10"Zündvorgängen angegeben.
Bei einer anderen Einrichtung, dem Glimmentladungstrigger (T.
Mehr et al.,"Trigger Devices for Pseudospark Switches", IEEE Transactions on Plasmascience, Vol. 23, No. 3, June 1995), wer- den Ladungsträger aus einer kontinuierlich brennenden Glimment- ladung in den Hohlkathodenraum injiziert. Diese Methode arbeitet nur bei Gasdrücken von p > 10 Pa und ist daher zur Triggerung eines Teilchenbeschleunigers nicht geeignet.
Der Corona-Plasma-Trigger (L. Ducimetière et al."Pseudo-Spark Switch Development for the LHC Beam Dumping System", Europ.
Org. for Nucl. Research CERN-SL Div., Cern SL/94-51) oder auch der ferroelektrische Trigger (M. Lenentil et al.,"Corona-Plasma Triggered Pseudospark Discharges", IEEE Transactions on Plasma Science, Vol. 23, No. 3, June 1995) basieren auf der Elektrone- nemission aus hochdielektrischen Keramiken. Die Plasmaerzeugung erfolgt nach der Elektronenemission durch Stossionisationsef- fekte im Hohlkathodenraum bei einem vergleichsweise hohen Druck von p = 60 Pa.
Aus der Notwendigkeit die Standzeiten einer industriellen Ver- suchsanlage mit 26 Teilchenbeschleunigern zur Materialablation zu erhöhen, wird die Lebensdauer und Zuverlässigkeit der Plas- maquelle von zentraler Bedeutung.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, für einen indu- striell eingesetzten Teilchenbeschleuniger zur Ablation von Ma- terial auf einem Substrat eine Plasmaquelle zu haben, die sehr robust ist und eine für die Einsatzproblematik ausgezeichnete Langzeitkonstanz hat. Ihr Aufbau muß wegen der geforderten ge- ringen Störanfälligkeit einfach und er muß kostengünstig sein.
Sie muß eine hohe Lebensdauer haben, d. h. 107-109 Entladungen überstehen, und mit Wiederholfrequenzen bis zu einigen 100 Hz arbeiten.
Die Aufgabe wird durch eine gepulst betriebene Plasmaquelle ge- mäß dem Oberbegriff und den kennzeichnenden Merkmalen des An- spruch 1 gelöst.
Die neue Plasmaquelle bzw. der neu entwickelte Gleitentla- dungstrigger arbeitet in einem Druckbereich von 0,1 < p < lOPa.
Dort ist die Erzeugung eines ausreichenden Plasmas zur reprodu- zierbaren und sicheren Generierung eines Teilchenstrahls unab- dingbar. Dies kann mit erosionsarmen Keramiken jedoch nur be- schränkt erreicht werden. Der Trigger-und Laststromkreis werden von der gleichen Spannungsquelle (bis 20 kV) versorgt. Um ein ausreichendes Plasma zu erzeugen, wird eine stromstarke Entla- dung über einen Hilfskondensator erzeugt, somit ist es möglich, auch erosionsarme Keramiken als Zündmedien einzusetzen. Die Le- bensdauer beträgt 2x107 Entladungen bei einem Arbeitsdruck von 1 Pa, wobei die Erosion mit sinkendem Arbeitsdruck zunimmt. Bei höherem Arbeitsdruck wird sie entsprechend geringer.
Als Isolator zwischen den beiden Zündelektroden wird ein Kera- mikisolator (10) eingebracht. Bei Drucken in denen der Teilchen- beschleuniger eingesetzt wird, finden auch nach Anlegen eines Triggerpulses (20 kV) keine Entladungen über die Oberfläche statt. Es ist daher notwendig, die Oberfläche des Isolators so vorzubehandeln, damit der Widerstand gegen Oberflächengleitent- ladungen herabgesetzt wird. Eine dünne Schicht Natron-Wasserglas wird auf die Oberfläche der Keramik aufgebracht, sie unterstützt die Entladung im Anfangsstadium.
Es kann auch ein anders isolierendes und leicht zu verdampfendes Material auf die Keramikoberfläche aufgebracht werden. Während diese Startschicht aufgebraucht wird, erfolgen auch Entladungen über den Keramikisolator selbst, der dadurch an der Oberfläche mit Oxyden verunreinigt wird. Nach Verbrauchen des Natron-Was- serglases ist die Oberfläche des Isolators so verunreinigt, daß Oberflächen Gleitentladungen über die Oberfläche stattfinden können. Im weiteren Betrieb wird dann das Keramikmaterial ver- dampft und ionisiert.
Der Trigger dient über einen großen Druckbereich (0,1 Pa < Pa) als stabile Plasmaquelle. Um höhere Standzeiten zu errei- chen, wird ein Emissionsring 7 in den Hohlkathodenraum einge- baut, er dient als Emissionskante für die Hauptentladung des Teilchenbeschleunigers und somit als Schutz der Kathoden des Triggers 8 vor Erosion. Wird die Plasmaquelle vom Potential der Hauptentladung getrennt (Fig. 2), verringert sich die Erosion der Plasmaquelle (Triggerelektroden, Keramikisolator) zusätz- lich. Fig. 2 zeigt ein Beispiel für die Ansteuerung einer sol- chen Plasmaquelle.
Erst die Parallelschaltung des Kondensators 18 vorgegebener Ka- pazität zu dem Widerstand 17 bringt die idealen Zündbedingungen im Gleitentladungsbereich zwischen Anode 9 und Kathode 8. Dieser Kondensator bildet, wenn die Funkenstrecke 16 durchgezündet hat, zunächst einen Kurzschluß, so daß zwischen Kathode 8 und Anode 9 schlagartig die volle Potentialdifferenz ansteht. Der Start der Gleitentladung ist daher, zeitlich gesehen, extrem jitterarm und alleine auf diese Maßnahme zurückzuführen.
Im Unteranspruch 2 wird die Keramik, die zwischen den beiden koaxialen Elektroden der Plasmaquelle liegt spezifiziert.
Anspruch 3 kennzeichnet die koaxiale Elektrodenanordnung in ei- ner sehr geeigneten und kommerziell günstigen Ausführung, näm- lich als Autozündkerze.
Zur Steuerung der Zünddauer und der Zündenergie dient eine spe- zielle Beschaltung der Triggeranode, sie ist in Anspruch 4 ge- kennzeichnet.
Die Plasmaquelle ist sehr zuverlässige, zeigt ein gutes Zündver- halten auch bei niedrigen Arbeitsdrucken (< 1 Pa) und hat eine hohe Lebensdauer (mehrere 107 Schuss). Die Ausführung mit dem Zündkerzentrigger läßt Entladefrequenzen bis über 300 Hz ohne Aussetzer zu. Dadurch, daß eine bewährte Technik eingesetzt wird -Zündkerzen sind auf dem Markt erhältlich-kann mit geringfü- gigen Kosten eine langlebige und zuverlässige Plasmaquelle auf- gebaut werden.
Die eingesetzte Plasmaquelle wird im folgenden anhand der Zeich- nung näher erläutert. Es zeigt : Figur 1 den Zündkerzentrigger mit Potentialtrennung, Figur 2 die Ansteuerung des Triggers mit Potentialtrennung und Figur 3 die Zündkerzentrigger in Mehrkanalanordnung, Figur 4 die Plasmaquelle nach dem Stande der Technik.
Den schematischen, konzentrischen Aufbau des Triggers zeigt der Schnitt in Figur 1. Die Zündkerze besteht aus dem Innenleiter 6, der in der Anode 9 des Triggers endet, dem umgebenden Isolator- rohr 5, das an der Anode 9 mit dem Isolator 10 der Anode 9 zu- sammenstößt, und dem ummantelnden Gehäuse 3. Die Zündkerze ist modifiziert, sie hat als Kathode 8 das topfförmige Gebilde am Ende der Zündkerze in das Gehäuse 3 eingelassen, so daß die Stirn der Anode 9 und des Isolators 10 sowie der äußere Boden der Kathode 8 eine ebene Stirnfläche bilden. Diese Anordnung sitzt in dem Isolator 4, der die Zündkerze elektrisch von der Hohlkathode 2 trennt. Vor der Stirn der modifizierten Zündkerze sitzt der Emissionsring 7, der dort in die Hohlkathode 2 einge- lassen ist. Er ist so dimensioniert, daß seine innen liegende Emissionskante den Gleitentladungsbereich des Triggers frei läßt. Davor befindet sich der Hohlkathodenraum 4, in den die Ka- nalfunkenröhre 1 mündet. Die Kanalfunkenröhre ist vakuumdicht über den O-Ring 11 mit der Hohlkathode 2 verbunden.
Die elektrische Beschaltung ist in Figur 2 dargestellt. tuber die Schutzdiode 14 und die Induktivität 13 wird der Kondensator 12 von der Hochspannungsquelle aufgeladen. Der Widerstand 15 steu- ert das Potential, er hält die Anode 9 des Zündkerzentriggers auf dem gleichen Potential wie die Kathode. Nach Erreichen der Ladespannung, die über den Elektrodenabstand der Funkenstrecke 16 eingestellt wird, zündet die Funkenstrecke 16 durch und setzt den Innenleiter 6 des Zündkerzentriggers über den Triggerkonden- sator 18 auf Massepotential. Durch die Potentialänderung zwi- schen Anode 9 und Kathode 8 des Triggers, kommt es zum Zünden der Oberflächengleitentladung und Plasmabildung über dem Kera- mikisolator 10. Dabei bleibt der Funke so lange erhalten, bis die Triggerkapazität 18 aufgeladen ist. Mit Hilfe der Triggerka- pazität 18 wird die Zündenergie pro Entladung eingestellt. Die Kathode 8 und der Außenmantel 3 des Zündkerzentriggers haben während der Aufladung gleiches Potential, da sie über die Induk- tivität 19 und der dazu in Reihe liegenden Diode 20 mit der Hohlkathode gekoppelt sind. Während des Zündens werden über ge- nau diesen Zweig 19,20 beide voneinander entkoppelt, so daß die Energie vom Kondensator 12 zur Zündung der Hauptentladung nur noch über den Emissionsring 7 geleitet wird. Dadurch verringert sich die Erosion an der Plasmaquelle, nämlich der Triggerelek- troden 8,9 und des Isolators 10, zusätzlich. Nach dem Zünden der Hauptentladung wird die Triggerkapazität 18 über den Wider- stand 17 entladen.
Die Mehrkanalanordnung für eine Beschichtungsanlage ist in Figur 3 dargestellt. Jetzt erst hat die jeweilige induktive Entkopp- lung 13,14 der Teilchenbeschleuniger (Kanalfunkenquellen) ihren Sinn, nämlich die simultane Aufladung, aber entkoppelte Entla- dung beim Zünden. Bei gleichartiger Beschaltung und Dimensionie- rung ist der Jitter zwischen den Entladungen sehr gering, er macht sich bei der Beschichtung qualitativ nicht negativ bemerk- bar. Entladefrequenzen von über 100 Hz sind langzeitlich ohne Fehlverhalten durchführbar.
Die Dimensionierung der Bauteile in Figur 2 ist beispielhaft, sie richtet sich nach dem Anwendungsfall und kann daher auch verschieden sein, je nach dem, welches Material wo und wie abla- tiert werden soll.
Bezugszeichenliste 1 Kanalfunkenrohr 2 Hohlkathode 3 Mantel, Gehäuse 4 Isolator 5 Isolator 6 Innenleiter 7 Emissionsring 8 Kathode 9 Anode 10 Isolator, Keramik 11 O-Ring 12 Kondensator Kapazitat 13 Induktivitat 14 Diode 15 Widerstand 16 Funkenstrecke 17 Widerstand 18 Kondensator Kapazität 19 Induktivitat 20 Diode
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