Konzept für einen induktiv gekoppelten HF-Plasmabrückenneutralisator

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1 Konzept für einen induktiv gekoppelten HF-Plasmabrückenneutralisator Frank Scholze, Horst Neumann Leibniz-Institut für Oberflächenmodifizierung e.v.; Permoserstr.5; 438 Leipzig Konstruktion und Design Charakterisierung Ausblick Gefördert durch DLR : FKZ 5JR März 6, Mühlleithen

2 Plasma-Brücken-Neutralisation PBN Potential Ionenstrahlquelle Ionenstrahl Elektr. Raumladungspotential Plasmabrücke Plasmaraum des PBN Plasmapotential Potential des PBN Raumladungspotential des Ionenstrahls ~...3 V Plasma diffundiert aus PBN-Plasmaraum und stellt eine elektrisch leitfähige Verbindung zwischen Ionenstrahl und PBN-Plasma bereit Negative Spannung am PBN werden Elektronen in den Ionenstrahl gezogen und die Plasmabrücke verstärkt März 6, Mühlleithen

3 Aufbau PBN Spule Gaseinlass Extraktionsöffnung Plasmaanker Spulendurchmesser : 6 mm, 5 mm Windungszahl : 4,5 und,5 Entladungskammerlänge : 7mm, 3mm Extraktionsöffnungsdurchmesser : 3mm, 5mm, 7x 3mm Plasmaankerform : Platte, Stift, Zylinder März 6, Mühlleithen 3

4 PBN-Baugruppen Spulen (( Cu Cu bzw. Ag) Plasmaanker Entladungsraum Extraktionsblende März 6, Mühlleithen 4

5 HF-PBN-Anpassnetzwerk HF-PBN ohne Plasma Anpassnetzwerk Spule des PBN :: L ohmscher Widerstand der Spule :: R R Schwingkreiskondensator :: C C Koppelkondensator :: C C März 6, Mühlleithen 5

6 Re( X ) = Komplexer Widerstand X des R ω C PBN + Anpassnetzwerk + R ( ω LC ) Im( X ) R ωc ω = R ω C + L( ω LC ) ( ω LC ) ωc Leistungsanpassung Minimierung reflektierte Leistung L R ω ( Z R) Bestimmung der minimalen Induktivität für PBN-Spule HF-Generators ω - Kreisfrequenz Z - Ausgangswiderstand C = R ω Berechnung des Koppelkondensator C ( ) ω C + ω LC ( ( R C L ω LC ) C < R L + ω L März 6, Mühlleithen 6

7 Induktivität PBN-Spule Induktivität [H] Windungen Länge [mm] Spulendurchmesser D = mm D = 4 mm D = 5 mm Minimale Induktivität als Funktion der Anregungsfrequenz PBN ISQ4HF ISQHF Minimale Induktivität [H] Induktivität für Zylinderspulen ( L ~,... µh ) MHz 3 MHz R =, Ohm R =,5 Ohm R =, Ohm R =, Ohm R = 3, Ohm R = 5, Ohm x 7 x 7 3x 7 Frequenz [Hz] März 6, Mühlleithen 7

8 Verhältnis C/C C Schwinkkreis / C Koppel 6, 6, 5,9 5,8 5,7 6,7 R L = Ohm 3 MHz 7 MHz C Schwinkkreis / C Koppel 9, 8,5 8, 7,5 7, 6,5 6, 5,5 5, 4,5 4, 3,5 3, Ohmscher Widerstand der Spule,5 Ohm, Ohm, Ohm 5, Ohm,5 5,6,,5, 5,x -7,x -6,5x -6,x -6,5x -6,, 5,x -7,x -6,5x -6,x -6,5x -6 Induktivität [H] Induktivität [H] Bei großen Induktivitäten ist C-Verhältnis unabhängig von der Frequenz März 6, Mühlleithen 8

9 Parameter Gas : Argon Fluss :, sccm ISQ MFC HF-Generator U_Emission Spanng. :... V Leistung :... 5 W Frequenz : 3,56 MHz I_Emission Sonde U_Sonde März 6, Mühlleithen 9

10 Anordnung im Rezipienten Sonde zu Neutralisationsmessung (gedreht) ISQ PBN März 6, Mühlleithen

11 Vergleich Lieberman-Modell - Messungen 45 I Emission Argonfluss [sccm] gemessen Lieberman Plasmamodell für (R,l) λ i (T i /T e ) verwendet (für Ionenquellen okay ) PBN-Dimension kleiner als λ i cm Plasma für kollisionsfreie Randschicht λ i l (Langmuir Regime ) beschreiben Gute Übereinstimmung bei Leistungsabhängigkeit ( tendenziell, quantitativ) Differenz durch Verluste zwischen Generator und PBN, ohmsche Verluste in Spule nicht betrachtet ( P out = P abs ) I Emission gemessen Lieberman 5 5 HF-Leistung [W] März 6, Mühlleithen

12 Emissionsstrom PBN I Emission HF-Leistung [W] Drahtdurchmesser Drahtdurchmesser :: mm mm Windungsanzahl Windungsanzahl :: 4,5 4,5 Spulendurchmesser Spulendurchmesser :: 5 5 mm mm Sättigungsstrom bei Fluss und Emissionsspannung nachgewiesen Emission über HF-Leistung im weiten Bereich regelbar Parameter für weitere Messungen I Emission Argonfluss [sccm] I Emission U Emission [V] März 6, Mühlleithen

13 Variation der Spulenwindungszahl I E Windgn 4 Windgn 5 5 Ar [sccm] I E Windgn 4 Windgn HF-Leistung [W] I E Windgn 4 Windgn Kleinere Windungszahl kleineres Spulenvolumen höhere Leistungsdichte U E [V] März 6, Mühlleithen 3

14 Neutralisationseffekt I Emission I_Emission 35 U_Sonde U Emission [V] U Sonde [V] I Emission 44 4, I_Emission 435 U_Sonde ,9 3,8 45 3,7 4 3,6 45 3,5 4 3, Ar-Fluss [sccm] U Sonde [V] I Emission 45 8 I_Emission 4 7 U_Sonde HF-Leistung [W] U Sonde [V] Große Große Elektronenemissionsfläche (( 77 Löcher) Löcher) Beste Beste Neutralisation Neutralisation Minimum(U Minimum(U sonde ) sonde ) ~ ~ 6 6 V Emissionsstrom Emissionsstrom steigt steigt linear linear mit mit PBN-Leistung PBN-Leistung + Sondenspannung Sondenspannung fällt fällt asymptotisch asymptotisch (( ~P -4 ~P HF -4? HF?) ) Geringer Geringer Einfluss Einfluss des des Argonflusses Argonflusses Hoher Hoher Fluss Fluss bei bei 77 Extraktionsöffnungen Extraktionsöffnungen notwendig notwendig (Ar (Ar > 7,5 7,5sccm )) ISQECR Parameter : Ar-Fluss = 7,3 sccm; MW = W; Beam 5 V / 5 ma; Accel V / 5 ma; Mo--Gittersatz März 6, Mühlleithen 4

15 Verringerte Extraktionsöffnung I Emission I_Emission 8 U_Sonde HF-Leistung [W] U Sonde [V] I Emission I_Emission 5 Liebermann U_Sonde Argonfluss [sccm] U Sonde [V] Emissionsstrom sinkt sinkt nur nur um um 5%, 5%, höherer höherer Druck Druck im im PBN PBN Linearer Zusammenhang HF-Leitung und und Emissionsstrom bleibt bleibt erhalten erhalten Betrieb Betrieb bis bis unter unter sccm sccm Argon Argon ist ist möglich möglich (geringerer Gasverbrauch, niedrigerer Rezipientendruck, bessere bessere Bedingungen für für ISQ-Betrieb) Gute Gute Übereinstimmung von von Messung und und Abschätzung bei bei geringeren Gasdurchsätzen (Lieberman-Modell-Rechnung bzgl. bzgl. absorbierter Leistung und und Plasmamodell verändert) März 6, Mühlleithen 5

16 Ausblick Minimierung der Entladungskammer Optimierung der Geometrie ISQ PBN bzgl. Neutralisation Verwendung anderer Gase ( Xenon ) Andere Anregungsfrequenzen Form, Material & Größe des Plasmaankers Einfluss von Beschichtungen im Entladungsraum Test der Langzeitstabilität März 6, Mühlleithen 6