6) Hochstrom-Ionenquellen

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1 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

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3 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. WS2011/12 6.3

4 Eine der ersten Hochstromelektronenbombardementquellen waren Quellen für die Isotopenseparation. Dies war natürlich durch das Manhattanprojekt und die Separation von 235 U 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. WS2011/12 6.4

5 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. WS2011/12 6.5

6 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. WS2011/12 6.6

7 Beispiel: Penningquelle mit axialer Extraktion. Typische Arbeitswerte sind: Druck: mbar (Niedrigdruck- und Hochdruck-Entladung), Magnetfeld T Anodenspannung V, Anodenstrom 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. WS2011/12 6.7

8 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. 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 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. WS2011/12 6.8

9 Die MeVVA der GSI: 17 Kathoden 2 Solenoide (0,1 und 0,2 Tesla) Bogenleistung: 50 kw (13,3 MW/cm 2 ) Bogenstrom: ~1 ka Testverhältnis: typisch 1 Hz, 1 ms Betriebsmittel: Formbare Metalle Standzeit: 1 Woche (Uran) WS2011/12 6.9

10 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 /cm 3 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 WS2011/

11 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. WS2011/

12 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 Plasma Ion e - e - B Filter Filtermagnet Glühkathode Emissionsöffnung y z [mt] Solenoid B Solenoid B Solenoid z-position [mm] Filtermagnet ~ 80 V U A Plasmakammer Entladungskammer Anode Plasmakammer Gaseinlass Plasmaelektrode Gaseinlass Plasmaelektrode WS2011/

13 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 Multipol- Feld an der Gefäßwandoberfläche hat ihr den Spitznamen "Bucket-Quelle" eingebracht. Ein Beispiel ist die MUCIS-Quelle der GSI. WS2011/

14 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 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/

15 Dieses Dipolfeld ist senkrecht zur Achse der Plasmakammer gerichtet und stark genug die Elektronen vom Filament von der Extraktionszone fernzuhalten, jedoch Ionen durchzulassen Solenoid B Filter Filter [mt] B e - e z-position [mm] Filtermagnet Gaseinlass Plasmaelektrode Plasmakammer Das Fernhalten der energetischen Elektronen vom Extraktionsbereich verhindert dort die Bildung von Molekülionen, während die Dissoziation der Moleküle weiter erfolgen kann. WS2011/

16 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: WS2011/

17 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. WS2011/

18 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/

19 Solche Antriebe werden inzwischen in Raumsonden eingebaut. Das Problem ist allerdings der relativ geringe Schub. Es gilt: v ion = F Schub 2eqU m acc m v = q e ion und I ion F = Schub dm dn dn ion = vion = vionm ion I = dt dt mit dt q e 2m e q U acc I Beispiel: Xe-Ionen, m = 131 u, q = 1, Uacc = 1300 V und I ion = 1 A F schub = N ion WS2011/

20 F Schub = 2m e q P U el acc = P v el ion 2m q v ion = 2mP q F el Schub Dabei ist P el 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 v ion = 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. WS2011/

21 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 N/m 2 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 WS2011/