Techniklexikon

Extraktionssystem

Plasmaphysik, Magnetohydrodynamik, Teil einer Ionenquelle, der zur Formierung eines Ionenstrahls dient. Ein Extraktionssystem besteht aus zwei oder mehr Elektroden mit kreis- bzw. schlitzförmigen Aperturen. Deren Form und Anordnung bestimmt, zusammen mit den Eigenschaften des Plasmas, Eigenschaften und Qualität des Ionenstrahls. Im einfachsten Fall, dem Diodenextraktionssystem (Abb. 1 oben), werden zwei Elektroden verwendet. Die zwischen den Elektroden angelegte Spannung U₀ beschleunigt die geladenen Teilchen auf eine Energie q(U₀+U_P), wobei U_P die Potentialdifferenz innerhalb der Plasmarandschicht beschreibt, die die aus dem Plasma-Innenbereich kommenden Ionen zunächst durchfallen. Der Zusammenhang zwischen der extrahierten Stromdichte j und der angelegten Spannung U₀ ist prinzipiell durch das Child-Langmuir-Gesetz gegeben. Im Gegensatz zu der dabei verwendeten Geometrie ist der Bereich der beschleunigten Teilchen hier jedoch in seitlicher Richtung durch die verwendete Apertur in der ersten Elektrode begrenzt. Um die somit veränderte Potentialverteilung im Extraktionsbereich auszugleichen, kann eine Elektrodenform ähnlich der Pierce-Anordnung gewählt werden. Weiterhin ist die Form der sich einstellenden Plasmarandschicht nicht konstant, sondern hängt von der verwendeten Plasmadichte r und der Spannung U₀ ab. Die sich hieraus ergebenden verschiedenen Strahlverläufe sind in
Abb. 1 schematisch dargestellt. Nur im mittleren Fall sind r und U₀ aufeinander abgestimmt, in den anderen Fällen ist die Plasmadichte im Vergleich zur angelegten Spannung zu klein bzw. zu gross. Bei einem Triodenextraktionsystem (Abb. 2) wird eine auf negativem Potential befindliche Elektrode zusätzlich in den Extraktionsbereich eingefügt. Hierdurch wird eine Beschleunigung von Sekundärelektronen zurück in die Ionenquelle verhindert.

Für spezielle Anwendungen können auch weitere Elektroden eingefügt werden. Grossflächige Extraktion kann mit Hilfe eines Mehrloch-Extraktionssystems realisiert werden, bei dem mehrere solcher oben beschriebenen, meist Dioden-Extraktionsanordnungen, nebeneinandergeschaltet sind.

Extraktionssystem 1: Dioden-Extraktionssystem: Die Strahlformierung wird durch die Kombination von Plasmadichte (r) und Extraktionsspannung bestimmt (oben). Nicht angepasste Werte resultieren in einer Überfokussierung (r₁<r₀, Mitte) bzw. einer zu starken Aufweitung (r₂>r₀) des Strahls innerhalb des Extraktionssystems (unten).

Extraktionssystem 2: Trioden-Extraktionssystem: Hier wird eine auf negativem Potential liegende Elektrode eingefügt, um ein Zurückströmen von Sekundärelektronen in die Ionenquelle zu verhindern. Der Potentialverlauf in Elektrodennähe ist ebenfalls dargestellt.