Induktiv gekoppelter HFPlasmabrückenneutralisator

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1 Induktiv gekoppelter HFPlasmabrückenneutralisator Frank Scholze, Horst Neumann e.v.; Permoserstr.15; Leipzig Einleitung, Vorarbeiten erste Ergebnisse Zusammenfassung, Ausblick Gefördert durch DLR : FKZ 50JR0443 1

2 Ionenstrahl-Neutralisation Warum? Bearbeitung isolierender Oberflächen Gittersystem Ionenstrahltriebwerk Isolator Plasma Potenzial Potenzial Masse Masse SSG Oberfläche lädt sich positiv auf Satellit behält negative Ladung Kompensation der OF-Ladung Ableitung der Elektronen 2

3 Idee und Vorarbeiten Induktiv gekoppletes Plasma Minimierung des Entladungsraumes Extraktion von Elektronen Spule : Windungszahl, Material, Durchmesser, Kühlung Entladungskammer : Material, Durchmesser, Ionenfängerabmessungen Anpassnetzwerk Kondensator, Plattengröße, Dielektrikum, Paketgestaltung Medienzuführung : Gasversorgung, Emissionsspannung, Kontaktierung Konstruktion : Mechanischer Aufbau 3

4 Testmuster Entladungskammer HF-Spule Extraktion Koaxialkabel Kondensatorpaket PBN im Betrieb ohne ISQ Darstellung ohne Gehäuse, Gasversorgung und Emissionsspannungsanschluss auf der Rückseite 4

5 Neutralisationseffekt isolierte Oberfläche 900 Aufbau Isolierte großfläche Sonde Messung des Potenzials gegenüber Masse 800 S tr a h ls p a n n u n g V S tr a h ls p a n n u n g V S tr a h ls p a n n u n g V S o n d e n s p a n n u n g [V ] ,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 V e r h ä lt n is i E le c t r o n / i I o n Ergebnisse Ohne Neutralisation (i / iion = 0) Elek. Sonde lädt sich auf Strahlspannung Kompensierter Ionenstrom (i = iion ) Elek. Sonde = Raumladungspotenzial V 5

6 Elektronenemission bei Argon-Betrieb Kontinuierlicher Anstieg mit HF-Leistung 550 Emissionsstrom [ma] 500 Argon-Fluss 0.8 sccm 1.0 sccm 1.5 sccm 2.0 sccm kein Maximum erkennbar (bis 300 W getestet) UEmission=20V 450 Zunahme des Emissionsstroms mit steigendem Gasfluss HF-Leistung [W] 6

7 Elektronenemission bei Xenon-Betrieb Emissionsstrom [ma] Kontinuierlicher Anstieg mit HF-Leistung maximaler Strom bei 300W IEmission = 1,6A größere Ausbeute als bei Argon Xenon-Fluss 0.2 sccm 0.3 sccm 0.8 sccm 1.5 sccm 800 UEmission=20V Leistung [W] 7

8 PBN - erste Einschätzung Einfacher Aufbau Geringe Bauteilzahl Reproduzierbare Kennlinien Kompakt Keine Permanentmagneten Keine Kühlung Reproduzierbarkeit weiterer Modelle? Variation um 0,1 mm Spulendurchmesser : Induktivität ändert sich < ±1% Abstand Windungen : Änderung ~ ±10 % Resonanzfrequenz um 5% (z.b. 14,2 MHz ) Kondensator : Kapazität ~ ±20 %

9 Ersatzschaltbild RF-PBN Generator Koaxialkabel Anpassnetzwerk PBN-Spule Z = XLKabel + ( XCKabel ( XCSK (XCKoppel + (XCSK (XLSpule + RSpule))))) Vereinfachungen Koaxialkabel : Leitungswiderstand 0 Isoalition zwischen Schirm + Leiter Anpassnetzwerk : induktionsfreie Leitung unendlicher Isolationswiderstand PBN-Spule : kapazitätsarme Spule Plasma nicht gezündet XL=2 f L i 1 XC = i 2 f C

10 Impedanz des PBN ohne Plasma 450 Realteil Imaginärteil Widerstand [Ohm] 300 Bestimmung von : L und C des Kabels Kapazitäten des Anpassnetzwerkes Induktivität und Widerstand der Spule Frequenz [MHz] Resonanzpunkt

11 Normalbetrieb reflektierte Leistung = 0 W Impedanz des Systems = Generator ICP Mode Plasma als Trafo mit komplexem Widerstand Sekundärwindung = 1 kapazitiver Anteil Ergebnis : ZPlasma = (3,2-2,1i) Ohm Generator t S D pul Pl iele e P l as k t as m rik m ara um a n ds ch ic h Abschätzung der Plasmaparameter Plasma

12 Anschluss an Lieberman-Modell Bisher Emissionsstrom als Vergleichskriterium (Modell - Experiment) Jetzt zusätzlich Plasmawiderstand und -kapazität Vergleich bzgl. Lieberman-Model Emissionsstrom zu gering ~0,6 Plasmawiderstand zu groß ~1,3 Plasmakapazität zu groß ~1,2 Größenordnungsmäßige Übereinstimmung mit Modell Verluste durch Spule nicht allein beschreibbar weiter Plasmasimulationen und -messungen notwendig, um Schwachstellen (Energieverlustorte) zu ermitteln

13 Zusammenfassung und Ausblick Induktiv gekoppeltes Plasma kann als Elektronenquelle genutzt werden Xenon als Arbeitsgas ergibt größere Elektronenausbeute als bei Argon Zugeführte Leistung muss Schwellwert übersteigen ( z.b. > 60 W ), um den PBN im ICP-Mode zu betreiben Ausnutzung der HF-Leistung mittels Simulation abschätzen Schwachstellen Orte energetischer Verluste lokalisieren Verwendung anderer Arbeitsgase um Elektronenausbeute weiter erhöhen Andere Frequenzen testen, um Leistungseffizienz zu optimieren