Messungen an einer Gabor-Plasma-Linse

Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde eine Gahor-Plasma-Linse zur Fokussierung positiver Ionenstrahlen niedriger Energie konzipiert und aufgebaut. Die Erzeugung der Elektronen geschieht hier über eine Gasentladung, die im Linsenvolumen brennt. Die entstandenen Elektronen werden in einem elektromagnetischen Feld eingefangen. Die entstandenen Restgasionen werden aus dem Linsenvolumen herausbeschleunigt. Die Lösung der Bewegungsgleichung von Elektronen in gekreuzten elektrischen und magnetischen Feldern, unter Berücksichtigung der Elektronenraumladung, führt auf die Existenz einer maximalen Elektronendichte die abhängig ist vom Quadrat des magnetischen Feldes. Die Rechnung zeigte überdies, daß nach dem lokalen Erreichen der maximalen Elektronendichte eine Homogenisierung der Raumladung stattfindet. Die Diffusion der Elektronen, durch Stöße wurde allerdings nicht berücksichtigt. Eine generelle Aussage über das radiale Dichteprofil kann nicht gemacht werden. Die Untersuchungen zum Entladungsverhalten wurden für verschiedene Betriebsgase durchgeführt. Eine Zündung der Gasentladung konnte oberhalb einer gewissen Anodenspannung und eines gewissen Magnetfeldes immer erreicht werden. Die gegenüber der Paschenbedingung niedrigere Anodenspannung bei vorhandensein eines Magnetfeldes konnte anband der "verkleinerten" freien Weglänge erklärt werden. Die Dichtemessungen der Elektronen wurden mit einem elektrostatischem Gegenfeldspektrometer und einer elektrischen Langmuirsonde durchgeführt. Letztere ergaben, aufgrund der starken Störung der Gasentladung durch die Sonde, keine verwertbaren Ergebnisse. Die Energie der aus dem Linsenvolurnen herausbeschleunigten Restgasionen erlaubt im Prinzip einen Rückschluß auf ihr Entstehungspotential. Obwohl auch hier keine quantitative Aussage über das Dichteprofil gemacht werden konnte, erlaubte die Messung eine quantitative Aussage über den Füllgrad. Hierbei zeigen sich bei verschiedenen Betriebsbedingungen drastische Unterschiede. Die besten Ergebnisse ergaben Messungen an einer Entladung bei niedrigem Druck und geringer Stromstärke und hohem Magnetfeld. Ein empfindliches Meßinstrument zur Bestimmung der radialen Dichteverteilung ist der zu fokussierende Ionenstrahl selbst. Die Linse wurde in eine bestehende Ionenstrahltransportstrecke eingefügt. Messungen mit Argon- und Heliumionenstrahlen bei 10 ke V Strahlenergie und Strömen zwischen 200 mikroA und 1.15 mA wurden durchgeführt.Die Emittanz und Profilmessungen zeigten auch hier wieder eine drastische Abhängikeit des Strahlverhaltens von den eingestellten Linsenparametern. Zum überwiegenden Teil wurden Ausgangsemittanzen gemessen, die neben den stärksten beobachteten Fokussiereffekte starke sphärische Aberrationen zeigten und mit erheblichem Emittanzwachstum verbunden waren. Dies läßt auf eine stark inhomogene Verteilung der Elektronen schließen. Diese Ergebnisse wurden hauptsächlich bei hohen Linsenspannungen erzielt und zeigten zudem eine z.T. erhebliche Reduzierung des Kompensationsgrades hinter der Linse. Bei niedriger Iinsenspannung zeigte sich eine reduzierte Fokussierung des Strahles, die Aberrationen und das Emittanzwachstum waren aber weitaus geringer. Der Kompensationsgrad des Strahles hinter der linse blieb z. T. gegenüber einer reinen Driftmessung erhalten oder stieg sogar an. Die besten Ergebnisse ergaben sich bei 1500 V zwischen Anode und Kathode und einem magnetischen Feld auf der Achse von 280 Gauß. Der Restgasdruck betrug 1*10-5 hPa (größtenteils Helium). Ein 10 keV Heliumstrahl konnte entsprechend einer Brennweite von 20 cm bei vernachlässigbarem Emittanzwachstum fokussiert werden. Eine Variation der Linsenbrechkraft bei gleichzeitig kleinem Emittanzwachstum konnte nur in einem geringen Maße erreicht werden. Die angeführten Untersuchungen zeigen, daß es prinzipiell möglich ist, eine durch eine Gasentladung gefüllte Gabor-Plasma-Linse, als ionenoptisches Element zu betreiben. Eine Linearität der Feldveneilung und einen genügend hohen Füllgrad konnte nur in einigen Betriebszuständen erreicht werden. Die theoretischen und experimentellen Ansätze sind durchaus vielversprechend und lassen erhebliche Verbesserungen durch weitergehende Untersuchungen erwarten. Hier sind insbesondere theoretische und numerische Untersuchungen über das Einschlußverhalten von Elektronen in gekreuzten elektrischen und magnetischen Feldern notwendig. Dies führt zu einer Optimierung der Linsengeometrie hinsichtlich eines höheren Füllgrades. Fadenstrahlmessungen sind eine Möglichkeit um Aussagen über das radiale Dichteprofil zu gewinnen. Aber auch die Füllung der Linse mit thermischen Elektronen könnte ein Gegenstand weiterer Untersuchungen sein