DE19849894C1 - Pulsed plasma source for a gas-filled particle accelerator - Google Patents
Pulsed plasma source for a gas-filled particle acceleratorInfo
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Abstract
Ein gasgefüllter Teilchenbeschleuniger hat eine gepulste Plasmaquelle mit koaxialer Elektrodenanordnung. Die Elektrodenanordnung ragt mit ihrer Stirnseite an erosionsarmer Stelle, dem Rückraum der Hohlkathode, in den Hohlkathodenraum. Auf der Stirnseite beginnt die Gleitentladung über eine erosionsarme Keramik, deren exponierte Oberfläche mit einem erodierenden Gleitentladungsmedium bedeckt ist. Die Entladung wird dann mittels wirksam werdender induktiver Entkopplung auf einen Emissionsring mit ausgebildeter Emissionskante übergeleitet und ist so die Quelle der Hauptentladung für den Teilchenbeschleuniger. Eine Hochspannungsquelle versorgt gemeinsam den Trigger- und Laststromkreis. Durch diesen Aufbau wird eine langlebige, industriell interessante Plasmaquelle erreicht.A gas-filled particle accelerator has a pulsed plasma source with a coaxial electrode arrangement. The face of the electrode arrangement projects into the hollow cathode space at its low erosion point, the rear space of the hollow cathode. The sliding discharge begins on the end face via a low-erosion ceramic, the exposed surface of which is covered with an eroding sliding discharge medium. The discharge is then transferred by means of inductive decoupling to an emission ring with a trained emission edge and is thus the source of the main discharge for the particle accelerator. A high voltage source supplies the trigger and load circuit together. With this construction, a long-lasting, industrially interesting plasma source is achieved.
Description
Die Erfindung betrifft eine gepulste Plasmaquelle für einen gasgefüllten Teilchenbeschleuniger. Zur Erzeugung eines elek trisch geladenen Teilchenstrahls für einen gasgefüllten Teil chenbeschleuniger (siehe DE 42 08 764) ist ein Zündplasma aus reichender Dichte, das von einer Plasmaquelle bereitgestellt wird, notwendig.The invention relates to a pulsed plasma source for a gas filled particle accelerator. To generate an elec trically charged particle beam for a gas-filled part Chen accelerator (see DE 42 08 764) is an ignition plasma sufficient density provided by a plasma source becomes necessary.
Eine solche Plasmaquelle (siehe Fig. 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 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 gleichem 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.Such a plasma source (see FIG. 4) consists of an inner conductor, an outer conductor in the form of a copper tube and a Teflon insulator, the Teflon insulator between the inner and outer conductors serving as the plasma donor. The copper tube is inserted into the hollow cathode space of the particle accelerator. The outer conductor 3 of the tube is connected to the potential of the hollow cathode 2 . The inner conductor 6 is kept at the same potential as the outer conductor 3 via the resistors 15 , 17 when charging the capacitors 12 . After the charge voltage is reached, the telelectrode is pulled to ground potential by starting the spark gap 16 to initiate the ignition process. This leads to a surface sliding discharge between the outer and inner conductors along the surface of the insulator, as a result of which the insulator material evaporates and ionizes on the surface (plasma formation).
Die Lebensdauer dieser Plasmaquelle ist für den industriellen Ein satz uninteressant gering, maximal 105-106 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.The lifespan of this plasma source is of little interest for industrial use, a maximum of 10 5 -10 6 ignition processes because a lot of insulator material (Teflon) is evaporated and ionized during one ignition process. The material removal is usually one-sided, so that after a short period of operation, ie some 10 5 ignitions, erosion channels are burned into the Teflon insulator. The ignition plasma is then no longer generated on the surface of the trigger and does not penetrate into the hollow cathode space, the generation of a particle beam does not occur. There is then a short circuit via this plasma in the erosion channel of the trigger, the capacitor discharging itself as an electrical energy source via a discharge resistor and the spark gap starting the discharge. This error case is to be avoided, since it no longer generates a particle beam and the trigger and the resistance are subjected to excessive thermal stress and consequently fail. Furthermore, the generation of sufficient plasma to ignite the main discharge is strongly pressure-dependent (only <1 Pa). For some applications, however, it is necessary to work at lower pressures. The manufacturing tolerances of these triggers are relatively large, which means that the position of the plasma source in the hollow cathode compartment changes from trigger to trigger. Because the material is completely and completely, the reproducibility of the properties of the plasma source is very low.
In IEEE Transactions on Plasmascience, Vol. 17, No. 5, October
1989 berichten A. Görtler et al. unter dem Titel "Investigations
of Pulsed Surface Flashovers for the Triggering of Pseudospark
High-Power Switches" über Untersuchungen mit der Triggerung von
Hohlkathodenentladungen, d. h. dem Entladungstyp, auf dem die
Funktion des Teilchenbeschleunigers basiert. Der Ansatz des
Gleitentladungstriggers ist durch vier wesentliche Punkte ge
kennzeichnet:
In IEEE Transactions on Plasma Science, Vol. 17, No. 5, October 1989, A. Goertler et al. entitled "Investigations of Pulsed Surface Flashovers for the Triggering of Pseudospark High-Power Switches" on investigations with the triggering of hollow cathode discharges, ie the type of discharge on which the function of the particle accelerator is based. The approach of the sliding discharge trigger is characterized by four essential points:
- - Der Trigger ist in der Hohlkathodenbohrung plaziert. Er sitzt damit an einer Stelle, die bei Hohlkathodenanordnungen beson ders starker Erosion ausgesetzt ist.- The trigger is placed in the hollow cathode hole. He sits thus at a point which is particularly important in the case of hollow cathode arrangements which is exposed to severe erosion.
- - Es werden erosionsarme Keramiken als Gleitentladungsmedium, wie Al2O3, SiN, TiO2 und hoch dielektrische Materialien, wie BaTiO3, verwendet. Der Arbeitsdruck ist hoch und liegt bei p = 10 Pa.- Low erosion ceramics are used as a sliding discharge medium, such as Al 2 O 3 , SiN, TiO 2 and highly dielectric materials, such as BaTiO 3 . The working pressure is high and is 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.- The trigger circuit and load circuit have different Voltage level. The required ignition voltage in the printing area Chen below p = 1.2 Pa is over 15 kV.
- - Die Lebensdauer der Gleitentladungstrigger bei p = 50 Pa wird mit maximal 106 Zündvorgängen angegeben.- The service life of the sliding discharge trigger at p = 50 Pa is specified with a maximum of 10 6 ignition processes.
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.Another facility, the glow discharge trigger (T. Mehr et al., "Trigger Devices for Pseudospark Switches", IEEE Transactions on Plasma Science, Vol. 23, No. 3, June 1995) who the charge carrier from a continuously burning glow charge injected into the hollow cathode space. This method works only at gas pressures of p <10 Pa and is therefore for triggering a particle accelerator is not suitable.
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 Elektronen emission aus hochdielektrischen Keramiken. Die Plasmaerzeugung erfolgt nach der Elektronenemission durch Stossionisationsef fekte im Hohlkathodenraum bei einem vergleichsweise hohen Druck von p = 60 Pa.The 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) or also the ferroelectric trigger (M. Lenentil et al., "Corona Plasma Triggered Pseudospark Discharges ", IEEE Transactions on Plasma Science, Vol. 23, No. 3, June 1995) are based on the electron emission from high dielectric ceramics. The plasma generation takes place after the electron emission by shock ionization effects in the hollow cathode compartment at a comparatively high pressure of 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.Due to the need to reduce the life of an industrial ver Search facility with 26 particle accelerators for material ablation will increase the lifespan and reliability of the plas maquelle of central importance.
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.The invention is therefore based on the object to have a plasma source for an industrially used particle accelerator for ablation of Ma material on a substrate, which is very robust and has an excellent long-term constancy for the application problems. Your structure must be easy because of the required ge wrestling and it must be inexpensive. It must have a long service life, ie withstand 10 7 -10 9 discharges, and work with repetition frequencies up to a few 100 Hz.
Die Aufgabe wird durch eine gepulst betriebene Plasmaquelle ge mäß dem Oberbegriff und den kennzeichnenden Merkmalen des An spruch 1 gelöst.The task is carried out by a pulsed plasma source according to the generic term and the characteristic features of the An spell 1 solved.
Die neue Plasmaquelle bzw. der neu entwickelte Gleitentla dungstrigger arbeitet in einem Druckbereich von 0,1 ≦ p ≦ 10 Pa. 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 2 × 107 Entladungen bei einem Arbeitsdruck von 1 Pa, wobei die Erosion mit sinkendem Arbeitsdruck zunimmt. Bei höherem Arbeitsdruck wird sie entsprechend geringer.The new plasma source or the newly developed sliding discharge trigger works in a pressure range of 0.1 ≦ p ≦ 10 Pa. There, the generation of a sufficient plasma for the reproducible and safe generation of a particle beam is indispensable. However, this can only be achieved to a limited extent with low-erosion ceramics. The trigger and load circuit are supplied by the same voltage source (up to 20 kV). In order to generate sufficient plasma, a high-current discharge is generated via an auxiliary capacitor, which means that it is also possible to use low-erosion ceramics as ignition media. The service life is 2 × 10 7 discharges at a working pressure of 1 Pa, whereby the erosion increases with decreasing working pressure. With a higher working pressure, it becomes correspondingly lower.
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, daß 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.A ceramic insulator ( 10 ) is inserted as an insulator between the two ignition electrodes. In prints in which the particle is used accelerator, no discharges take place over the surface even after a trigger pulse (20 kV) is applied. It is therefore necessary to pretreat the surface of the insulator so that the resistance to surface sliding charges is reduced. A thin layer of soda-water glass is applied to the surface of the ceramic, which supports the discharge in the initial stage.
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 Oxiden 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.It can also be a different type of insulation and easily evaporated Material can be applied to the ceramic surface. While this starting layer is used up, discharges also take place via the ceramic insulator itself, which is thereby on the surface is contaminated with oxides. After consuming the baking soda serglases the surface of the insulator is so contaminated that Surface sliding discharges take place over the surface can. The ceramic material is then ver in further operation vapors and ionizes.
Der Trigger dient über einen großen Druckbereich (0,1 Pa ≦ p ≦ 10 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.The trigger serves as a stable plasma source over a large pressure range (0.1 Pa ≦ p ≦ 10 Pa). In order to achieve longer tool life, an emission ring 7 is built into the hollow cathode space, it serves as an emission edge for the main discharge of the particle accelerator and thus to protect the cathodes of the trigger 8 against erosion. If the plasma source is separated from the potential of the main discharge ( FIG. 2), the erosion of the plasma source (trigger electrodes, ceramic insulator) is additionally reduced. Fig. 2 shows an example of the control of such a plasma source.
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.Only the parallel connection of the capacitor 18 predetermined Ka capacitance to the resistor 17 brings the ideal ignition conditions in the sliding discharge area between anode 9 and cathode 8th When the spark gap 16 has ignited, this capacitor first forms a short circuit, so that the full potential difference is suddenly present between cathode 8 and anode 9 . The start of sliding discharge is therefore, from a time perspective, extremely low jitter and solely due to this measure.
Im Unteranspruch 2 wird die Keramik spezifiziert, die zwischen den beiden koaxialen Elektroden der Plasmaquelle liegt.In sub-claim 2, the ceramic is specified between the two coaxial electrodes of the plasma source.
Anspruch 3 kennzeichnet die koaxiale Elektrodenanordnung in ei ner sehr geeigneten und kommerziell günstigen Ausführung, näm lich als Autozündkerze.Claim 3 characterizes the coaxial electrode arrangement in egg ner very suitable and commercially cheap version, näm Lich as a car spark plug.
Zur Steuerung der Zünddauer und der Zündenergie dient eine spe zielle Beschaltung der Triggeranode, sie ist in Anspruch 4 ge kennzeichnet.A spe is used to control the ignition duration and the ignition energy ziale wiring of the trigger anode, it is ge in claim 4 indicates.
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.The plasma source is very reliable, shows good ignition behavior even at low working pressures (<1 Pa) and has a long service life (several 10 7 rounds). The version with the spark plug trigger allows discharge frequencies up to over 300 Hz without dropouts. By using a proven technology - spark plugs are available on the market - a long-lasting and reliable plasma source can be built at low cost.
Die eingesetzte Plasmaquelle wird im folgenden anhand der Zeich nung näher erläutert. Es zeigt: The plasma source used is shown below using the drawing tion explained in more detail. It shows:
Fig. 1 den Zündkerzentrigger mit Potentialtrennung, Fig. 1 the spark trigger with potential separation,
Fig. 2 die Ansteuerung des Triggers mit Potentialtrennung und Fig. 2, the triggering with isolation and
Fig. 3 die Zündkerzentrigger in Mehrkanalanordnung, Fig. 3 shows the spark trigger in multi-channel arrangement,
Fig. 4 die Plasmaquelle herkömmlicher Bauart. Fig. 4 shows the plasma source of conventional design.
Den schematischen, konzentrischen Aufbau des Triggers zeigt der Schnitt in Fig. 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, in den die Ka nalfunkenröhre 1 mündet. Die Kanalfunkenröhre ist vakuumdicht über den O-Ring 11 mit der Hohlkathode 2 verbunden.The section in FIG. 1 shows the schematic, concentric structure of the trigger . The spark plug consists of the inner conductor 6 , which ends in the anode 9 of the trigger, the surrounding insulator tube 5 , which is connected to the anode 9 with the insulator 10 of the anode 9 collides, and the casing 3 . The spark plug is modified, it has the pot-shaped structure at the end of the spark plug in the housing 3 as the cathode 8 , so that the front of the anode 9 and the insulator 10 and the outer bottom of the cathode 8 form a flat end face. This arrangement sits in the insulator 4 , which electrically separates the spark plug from the hollow cathode 2 . In front of the forehead of the modified spark plug is the emission ring 7 , which is left there in the hollow cathode 2 . It is dimensioned in such a way that its inside emission edge leaves the sliding discharge area of the trigger free. In front of it is the hollow cathode space into which the channel spark tube 1 opens. The channel spark tube is connected in a vacuum-tight manner to the hollow cathode 2 via the O-ring 11 .
Die elektrische Beschaltung ist in Fig. 2 dargestellt. Über 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 die dazu in Reihe liegende 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.The electrical wiring is shown in Fig. 2. The capacitor 12 is charged by the high-voltage source via the protective diode 14 and the inductance 13 . The resistor 15 controls the potential, it keeps the anode 9 of the spark plug centrigger at the same potential as the cathode. After reaching the charging voltage, which is set via the electrode spacing of the spark gap 16 , the spark gap 16 ignites and sets the inner conductor 6 of the spark plug center via the trigger capacitor 18 to ground potential. The potential change between the anode's 9 and cathode 8 of the trigger leads to the ignition of the surface sliding discharge and plasma formation over the ceramic insulator 10 . The spark remains until the trigger capacitance 18 is charged. With the help of the trigger capacitance 18 , the ignition energy per discharge is set. The cathode 8 and the outer jacket 3 of the spark plug center have the same potential during charging, since they are coupled to the hollow cathode via the inductance 19 and the diode 20 lying in series therewith. During the ignition, these branches 19 , 20 both are decoupled from one another so that the energy from the capacitor 12 for igniting the main discharge is only conducted via the emission ring 7 . This reduces the erosion at the plasma source, namely the trigger electrodes 8 , 9 and the insulator 10 , additionally. After the main discharge has been ignited, the trigger capacitance 18 is discharged via the counter 17 .
Die Mehrkanalanordnung für eine Beschichtungsanlage ist in Fig. 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.The multi-channel arrangement for a coating system is shown in FIG. 3. Only now has the respective inductive decoupling 13 , 14 of the particle accelerator (channel spark sources) made sense, namely simultaneous charging, but decoupled discharge during ignition. With the same wiring and dimensioning, the jitter between the discharges is very low; it has no negative quality impact on the coating. Discharge frequencies of over 100 Hz can be carried out over the long term without misconduct.
Die Dimensionierung der Bauteile in Fig. 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. The dimensioning of the components in Fig. 2 is exemplary, it depends on the application and can therefore also be different, depending on which material where and how abla tated.
11
Kanalfunkenrohr
Channel spark tube
22nd
Hohlkathode
Hollow cathode
33rd
Mantel, Gehäuse
Coat, housing
44th
Isolator
insulator
55
Isolator
insulator
66
Innenleiter
Inner conductor
77
Emissionsring
Emission ring
88th
Kathode
cathode
99
Anode
anode
1010th
Isolator, Keramik
Insulator, ceramic
1111
O-Ring
O-ring
1212th
Kondensator Kapazität
Capacitor capacitance
1313
Induktivität
Inductance
1414
Diode
diode
1515
Widerstand
resistance
1616
Funkenstrecke
Spark gap
1717th
Widerstand
resistance
1818th
Kondensator Kapazität
Capacitor capacitance
1919th
Induktivität
Inductance
2020th
Diode
diode
Claims (4)
einer koaxialen Elektrodenanordnung aus Innenleiter und Au ßenleiter, 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 Außen- zum 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 Merkmale:
der aus der stirnseitigen, koaxialen Elektrodenanordnung (8, 9, 10) bestehende Gleitentladungstrigger ragt an einer ero sionsarmen Stelle, dem Rückraum der Hohlkathode, in den Hohlkathodenraum,
das Dielektrikum im Gleitentladungsbereich besteht aus einer erosionsarmen 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 Haupt entladung 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.1. Pulsed plasma source for a gas-filled particle accelerator, consisting of:
a coaxial electrode arrangement made of inner conductor and outer conductor, which are separated from one another by a dielectric which serves as a plasma donor on its free end face, the electrode arrangement projecting into a hollow cathode chamber, which in turn opens into a beam guiding chamber, the channel spark gap or the actual particle accelerator , and the sliding discharge from the outer to the inner conductor takes place on the front surface,
from an electrical circuit for generating the high voltage potentials, for igniting the surface sliding discharge and for accelerating the electrically charged particles, characterized by the features:
the slide discharge trigger consisting of the end-face, coaxial electrode arrangement ( 8 , 9 , 10 ) protrudes into the hollow cathode space at a low erosion point, the back space of the hollow cathode,
the dielectric in the sliding discharge area consists of a low-erosion ceramic which is covered on its exposed end face with an eroding sliding discharge medium to support the sliding discharge,
In the hollow cathode space in front of the sliding discharge area, an emission ring ( 7 ) with an emission edge is coaxially attached, which leaves the sliding discharge area free and serves as a source for the main discharge for the particle accelerator,
the trigger circuit and the load circuit for the particle accelerator have a common high voltage source,
the trigger anode ( 9 ) is connected via a parallel circuit consisting of an electrical resistor ( 17 ) and a capacitor ( 18 ) to a spark gap ( 16 ) causing the discharge and
The ignition duration of the sliding discharge and the ignition energy can be adjusted via the capacitance of the capacitor ( 18 ).
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