DE1261608B

DE1261608B - High frequency plasma generator

Info

Publication number: DE1261608B
Application number: DEJ29683A
Authority: DE
Inventors: Dr Giuseppe Lisitano
Original assignee: Institut fuer Plasmaphysik GmbH
Current assignee: Institut fuer Plasmaphysik GmbH
Priority date: 1965-12-22
Filing date: 1965-12-22
Publication date: 1968-02-22
Also published as: BE688340A; FR1499554A; LU52055A1; NL6615531A

Description

Hochfrequenz-Plasmagenerator Die Erfindung betrifft einen Hochfrequenz-Plasmagenerator mit einer einen etwa rohrförinigen Hohlkörper bildenden Hochfrequenzleitung, deren eines Ende an einen Hochfrequenzgenerator angeschlossen ist.High Frequency Plasma Generator The invention relates to a high frequency plasma generator with a high-frequency line forming an approximately tubular hollow body, whose one end is connected to a high frequency generator.

Es ist bereits ein Mikrowellen-Plasmabrenner bekannt, der einen ein Magnetron enthaltenden Hochfrequenzgenerator enthält, welcher mit einer Koaxialleitung verbunden ist, die in eine Düse ausläuft, durch die ein Arbeitsgas ausströmt. Die Koaxialleitung ist ferner mit einem Abstimmglied (Kurzschlußschieber) versehen, um den Fußpunktleitwert der sich an der Düse ausbildenden Flammenzone an die Ausgangsimpedanz des Hochfrequenzgenerators anpassen zu können. Um mit einer solchen Anordnung eine Plasmaffamme erzeugen zu können, sind Mikrowellenleistungen von mindestens einigen hundert Watt erforderlich.It is already known a microwave plasma torch, the one Magnetron containing high frequency generator contains, which with a coaxial line is connected, which runs out into a nozzle through which a working gas flows out. the Coaxial line is also provided with a tuning element (short-circuit slide), around the base point conductance of the flame zone forming at the nozzle to the output impedance of the high frequency generator to be able to adapt. To get a To be able to generate plasma flame, microwave powers of at least a few a hundred watts required.

Es ist ferner bekannt, zur Erzeugung von Plasmen einen mit Hochfrequenz gespeisten und ein ionisierbares Medium enthaltenden Hohlraumresonator hoher Güte zu verwenden, der durch Hochfrequenz in einem Grundschwingungsmode erregt wird. Besonders günstige Anregungsbedingungen erhält man, wenn man im Hohlraumresonator zusätzlich noch ein magnetisches Gleichfeld erzeugt, das senkrecht auf der Richtung des elektrischen Feldes im Hohlraumresonator steht und bezüglich der Frequenz der dem Hohlraumresonator zugeführten Hochfrequenzenergie so bemessen ist, daß die Hochfrequenz mit der Elektronencyclotronfrequenz übereinstimmt, wobei e die Ladung und m. die Masse des Elektrons bedeuten.It is also known to use a high-quality cavity resonator which is fed with high frequency and contains an ionizable medium and which is excited by high frequency in a fundamental oscillation mode for generating plasmas. Particularly favorable excitation conditions are obtained if a constant magnetic field is additionally generated in the cavity resonator, which is perpendicular to the direction of the electric field in the cavity resonator and which, with regard to the frequency of the high-frequency energy supplied to the cavity resonator, is dimensioned so that the high frequency corresponds to the electron cyclotron frequency corresponds, where e is the charge and m. is the mass of the electron.

Dieses bekannte Verfahren ist jedoch mit einer Reihe schwerwiegender Nachteile behaftet: Bei hohen Magnetfeldem werden die Abmessungen des Hohlraumresonators, die in der Größenordnung der der Elektronencyclotronfrequenz entsprechenden Wellenlänge liegen, für praktische Zwecke zu klein. Außerdem verstimmt das Plasma den Hohlraumresonator sehr stark, so daß zur Aufrechterhaltung einer das Plasma liefernden Gasentladung relativ hohe Hochfrequenzleistungen erforderlich werden, wenn die Resonanzfrequenz des Hohlraumresonators von der Elektronencyclotronfrequenz etwas abweicht.However, this known method is more serious with a number of them Disadvantages: At high magnetic fields, the dimensions of the cavity resonator, the wavelength corresponding to the electron cyclotron frequency are too small for practical purposes. In addition, the plasma detunes the cavity resonator very strong, so that a gas discharge supplying the plasma is maintained relatively high high frequency powers are required when the resonance frequency of the cavity resonator deviates somewhat from the electron cyclotron frequency.

Durch die Erfindung sollen diese Nachteile vermieden werden. Gleichzeitig soll der von einem hochfrequenten elektrischen Feld auf ein Plasma ausgeübte Druck nutzbar gemacht werden. Ein elektrisches Wechselfeld übt bekanntlich auf ein Plasma einen Radialdruck F, aus, der bei Vernachlässigung von Stoßeinflüssen durch die folgende Gleichung ausgedrückt werden kann: dabei bedeutet: w die anregende Frequenz, a)p die Plasmafrequenz, s. die Dielektrizitätskonstante des Plasmas, E die elektrische Feldstärke.The invention is intended to avoid these disadvantages. At the same time, the pressure exerted on a plasma by a high-frequency electric field should be made usable. As is well known, an alternating electric field exerts a radial pressure F, on a plasma, which can be expressed by the following equation if impact influences are neglected: where: w the exciting frequency, a) p the plasma frequency, see the dielectric constant of the plasma, E the electric field strength.

Diese Radialkraft kann bei -einer Plasmaquelle gemäß der Erfindung nutzbar gemacht werden, um das Plasma zu begrenzen und von den Bauelementen der Plasmaquelle fernzuhalten.This radial force can with a plasma source according to the invention can be harnessed to limit the plasma and from the components of the Keep away from the plasma source.

Ein Hochfrequenz-Plasmagenerator mit einer einen etwa rohrfönnigen Hohlkörper bildenden Hochfrequenzleitung, deren eines Ende an einen Hochfrequenzgenerator angeschlossen ist, ist gemäß der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlkörpers verbundene, mindestens einen mäanabwechselnd beim -einen und anderen Ende des Hohlkörpers verbundenen, mindestens einen mäanderförmigen Schlitzzug bildende Schlitze aufweist deren Länge wenigstens annähernd ein ganzes Vielfaches der halben Wellenlänge der in den Schlitzzug eingespeisten Hochfrequenzschwingungen ist.A high-frequency plasma generator with an approximately tubular Hollow body forming high-frequency line, one end of which is connected to a high-frequency generator is connected, is characterized according to the invention in that the hollow body connected, at least one alternately at one and the other end of the hollow body connected, having at least one meander-shaped slot train forming slots the length of which is at least approximately a whole multiple of half the wavelength of the is high-frequency vibrations fed into the slot train.

Die hochfrequenzgespeiste Plasmaquelle gemäß der Erfindung hat gegenüber dem Stand der Technik eine Reihe von wesentlichen Vorzügen: Zur Erzeugung und Aufrechterhaltung eines Plasmas werden nur überraschend kleine Hochfrequenzenergien benötigt. Die Anordnung ist außerordentlich breitbandig, so daß das Plasma auch bei stark schwankender Frequenz der Hochfrequenzenergie und/oder Stärke des Magnetfeldes aufrechterhalten bleibt. Die Radialkräfte, die, von dem an der Wellenleiteranordnung entstehenden elektrischen Feld auf das Plasma ausa -s "eübt werden, gestatten das Plasma im Inneren de Hohlkörpers oder Zylinders zu konzentrieren, so daß die Erhitzung des Hohlkörpers durch das Plasma und Energieverluste durch Wandstöße gering gehalten werden. Bei geeigneter Wahl des Verlaufes des Magnetfeldes kann ein Plasmastrahl erzeugt oder eine zusätzliche axiale Einschließung des Plasmas erreicht werden.The high-frequency fed plasma source according to the invention has opposite had a number of significant advantages over the prior art: For generation and maintenance of a plasma, only surprisingly small high-frequency energies are required. the Arrangement is extremely broadband, so that the plasma even with strongly fluctuating Maintain the frequency of the radio frequency energy and / or the strength of the magnetic field remain. The radial forces created by the on the waveguide assembly electric field exerted on the plasma allow the plasma inside de hollow body or cylinder to concentrate, so that the heating of the hollow body through which plasma and energy losses due to wall joints are kept to a minimum. at A plasma jet can be generated or appropriately chosen for the course of the magnetic field an additional axial confinement of the plasma can be achieved.

Die Erfindung wird iin folgenden an Hand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung näher erläutert, es zeigt Fig. 1 eine perspektivische Ansicht der Wellenleiteranordnung eines ersten Ausführungsbeispiels der Erfindung, F i g. 2 eine abgewickelte Ansicht des zylindrischen Teile* der in F i g. 1 dargestellten Wellenleiteranordnung, F i g. 3 eine Darstellung der Feldverteilung in einer Ebene, die senkrecht auf der Achse Z der in F i g. 1 dargestellten zylindrischen Wellenleiteranordnung steht F i g. 4 eine F i g. 3 entsprechende Ansicht einer abgewandelten Ausführungsform der Erfindung, F i u. 5 eine Schnittansicht einer abgewandelten Anordnung zur Ankopplung der Wellenteiteranordnung an eine zu einer Hochfrequenzquelle führende Koaxialleitung, F i g. 6, 7 und 8 vereinfachte Axialschnittansichten weiterer Ausführungsformen der Erfindung, F i g. 9 eine etwa _F i g. 3 entsprechende Schnittansicht einer Ausführungsforin der Erfindung, die zwei konzentrische Wellenleiteranordnungen enthält, F i g. 10 eine schematische Darstellung eines O-Carcinotrons und F i g. 11 eine F i g. 9 entsprechende Schnittansicht eines Ausführungsbeispiels der Erfindung, bei der vom Prinzip der in F i g. 10 dargestellten Rückwärtswellenröhre (0-Carcinotrons) Gebrauch gemacht wird.The invention is explained in more detail below with reference to exemplary embodiments in conjunction with the drawing; FIG. 1 shows a perspective view of the waveguide arrangement of a first exemplary embodiment of the invention, FIG. FIG. 2 is a developed view of the cylindrical part * of FIG. 1 illustrated waveguide arrangement, FIG. 3 shows a representation of the field distribution in a plane which is perpendicular to the axis Z of the FIG. 1 shown cylindrical waveguide arrangement is F i g. 4 a fig. 3 shows a corresponding view of a modified embodiment of the invention, Fig. 5 shows a sectional view of a modified arrangement for coupling the wave guide arrangement to a coaxial line leading to a high-frequency source, Fig. 6, 7 and 8 simplified axial sectional views of further embodiments of the invention, FIG. 9 a roughly _F i g. Figure 3 is a cross-sectional view, corresponding to Figure 3, of an embodiment of the invention incorporating two concentric waveguide arrays . 10 is a schematic representation of an O-carcinotron and FIG . 11 a fig. 9 corresponding sectional view of an embodiment of the invention, in which the principle of FIG. 10 shown reverse wave tube (O-Carcinotrons) is made use of.

Die in Fig. 1 dargestellte Wellenleiteranordnung für eine hochfrequenzgespeiste Plasmaquelle enthält als wesentlichstes Bauteil einen zylindrischen Hohlkörper 1 aus einem. wenigstens oberflächlich leitenden Werkstoff. Der zylindrische Hohlkörper 1 ist in F i g. 2 längs einer in F i g. 1 gestrichelt gezeichneten Linie 3 geschnitten und in die Zeichenebene abgewickelt dargestellt. - Der Hohlkörper 1 weist eine Anzahl von Durchbrechungen in Form-von Schlitzen5a, 5b, 5c ... auf, die wenigstens -annähernd parallel zueinander und zur Achse7 des Zylindersl verlaufen und-jeweils etwa eine halbe Wellenlänge der erregenden Hochfrequenz lang sind. Der erste Schlitz-5 a ist etwas länger als die übrigen Schlitze und reicht bis zum unteren Rand 9 des zylindrischen Hohlkörpers :t, während die anderen Schlitze im Abstand vom unteren Rand 9 und oberen Rand 11 enden. Benachbarte Schlitze sind abwechselnd am oberen und unteren Ende durch längs des Umfangs des Hohlkörpers 1 verlaufende Verbindungsschlitze 13 a, 13 b, 13 c ... yerbunden, so daß sich ein mäanderförmiger Schlitzzug ergibt, der, wie i e> C usbesondere aus F i -. 2 ersichtlich ist, mit dem Schlitz Sa beginnt und mit dem letzten Schlitz 5 n endet.The waveguide arrangement shown in Fig. 1 for a high-frequency fed plasma source contains as the most essential component a cylindrical hollow body 1 made of a. at least superficially conductive material. The cylindrical hollow body 1 is shown in FIG. 2 along one in FIG. 1, the dashed line 3 is cut and shown developed in the plane of the drawing. - The hollow body 1 has a number of perforations in the form-of Schlitzen5a, 5b, 5c ... to extend the at least -annähernd parallel to each other and to the Achse7 Zylindersl and-each about one-half wavelength of the exciting high frequency are long. The first slot 5 a is slightly longer than the other slots and extends to the lower edge 9 of the cylindrical hollow body: t, while the other slots end at a distance from the lower edge 9 and the upper edge 11 . Adjacent slots are alternately connected at the upper and lower end by connecting slots 13 a, 13 b, 13 c ... y that run along the circumference of the hollow body 1 , so that a meandering line of slots results which, as i e> C, in particular consists of F i - . 2 can be seen, begins with the slot Sa and ends with the last slot 5 n.

Der beschriebenen Wellenleiteranordnung wird die zur Erzeugung des Plasmas dienende Hochfrequenzenergie an dem Ende des Schlitzes 5a zugeführt, das an den Rand 9 angrenzt. Hierzu dient eine Einkopplungsanordnung, die aus einer wenigstens oberflächlich leitenden Platte 15 (F i g. 1) besteht, die einen Radialschlitz 17 hat, der die Fortsetzung des Schlitzes 5a bildet. Der in F i g. 1 linke Rand 19 des Schlitzes 17 ist mit der einen Seite eines Hohlleiters 21 verbunden. Die Platte 15 ist hierzu mit einem Ansatz 23 versehen, dessen Breite anfänglich konstant ist und dann in Richtung auf einen Anschlußflansch 25 gegen Null abnimmt. Der Hohlleiter 21 ist derart schräg abgeschnitten, daß er an der Seite des Randes 19 des Schlitzes 17 am längsten und auf der gegenüberliegenden Seite am kürzesten ist. Am anderen Rand 29 beginnt sich der Schlitz 17 von dem in Achsrichtung des Hohlleiters 21 gerechneten Punkt, an dem die Schnittfläche 27 den Rand 19 erreicht, zu erweitern, bis die Mittelachse des Hohlleiters 21 -erreicht ist. Von da an verläuft der Rand 29 längs der Mittelachse ein Stück in den Hohlleiter hinein.The high-frequency energy used to generate the plasma is fed to the described waveguide arrangement at the end of the slot 5 a which adjoins the edge 9 . A coupling arrangement is used for this, which consists of an at least superficially conductive plate 15 ( FIG. 1) which has a radial slot 17 which forms the continuation of the slot 5a. The in F i g. 1 left edge 19 of the slot 17 is connected to one side of a waveguide 21. For this purpose, the plate 15 is provided with a shoulder 23 , the width of which is initially constant and then decreases towards zero in the direction of a connecting flange 25. The waveguide 21 is cut obliquely in such a way that it is longest on the side of the edge 19 of the slot 17 and shortest on the opposite side. At the other edge 29 , the slot 17 begins to widen from the point calculated in the axial direction of the waveguide 21, at which the cut surface 27 reaches the edge 19 , until the central axis of the waveguide 21 is reached. From then on, the edge 29 runs a little along the central axis into the waveguide.

Auf der Seite des Randes 29 des Schlitzes 17 ist die Platte 15 mit einem Ansatz 31 versehen, dessen Breite, wie dargestellt, allmählich bis zu einer Spitze 33 auf Null abnimmt. Durch die dargestellte Anordnung wird ein praktisch reflexionsfreier übergang zwischen dem im Querschnitt kreisförmigen Hohlleiter 21 und dem durch den Schlitz 5 a gebildeten Eingang der aus dem Hohlkörper 1 bestehenden Wellenleiteranordnung gewährleistet. Selbstverständlich kann eine entsprechende Ankopplungsanordnung auch bei Verwendung eines Hohlleiters mit rechteckigem Querschnitt verwirklicht werden.On the side of the edge 29 of the slot 17 , the plate 15 is provided with a shoulder 31 , the width of which, as shown, gradually decreases to a point 33 to zero. The arrangement shown ensures a virtually reflection-free transition between the waveguide 21, which is circular in cross section, and the entrance formed by the slot 5 a of the waveguide arrangement consisting of the hollow body 1 . Of course, a corresponding coupling arrangement can also be implemented using a waveguide with a rectangular cross section.

Die durch d#n geschlitzten Hohlkörper 1 gebildete Wellenleiteranordnung kann als eine Art Lecher-oder Parallel-»Draht«-Leitung angesehen werden, die nach jeweils A/2 um 1801 umgebogen worden ist. Bei einer -ewöhnlichen Paralleldrahtleitung wechselt die Richtung des elektrischen Feldes einer stehenden Welle auf der Leitung im Abstand von einer halben Wellenlänge um jeweils 1800. Im Gegensatz dazu sind bei einer Wellenleiteranordnung der in F i g. 1 und 2 dargestellten Art die elektrischen Feldvektoren an allen Schlitzen gleichgerichtet, wie durch die Pfeile in F i g. 3 dargestellt ist, die die elektrische Feldverteilung in einer zur Zylinderachse 7 senkrechten Ebene in einem bestimmten Augenblick zeigt. Die elektrischen Feldkomponenten, die von den einzelnen Schlitzen 5 ausgehen, wirken also auf die im Inneren des Hohlkörpers 1 befindlichen Elektronen alle gleichsinnig, so daß eine sehr wirkungsvolle Anregung der Elektronencyclotronfrequenz möglich ist, wenn ein parallel zur Achse 7 des Zylinders gerichtetes Magnetfeld H geeigneter Größe vorhanden ist, das durch irgendeine bekannte Anordnung erzeugt werden kann, z. B. einen zylindrischen, axial magnetisierten Permaneutmagneten oder eine Magnetspulenanordnung, wie sie in den F i g. 6 bis 8 dargestellt ist. Die in F i g. 1 dargestellte Anordnung kann für sich allein in einer Umgebung verminderten Drukkes, z. B. in einer in F i g. 1 nicht dargestellten Vakuumkammer oder im Weltraum, betrieben werden. Es ist jedoch auch möglich, koaxial zum Hohlkörper 1 einen entsprechend geformten, nicht durchbrochenen Hohlkörper 35 (F i g. 4) vorzusehen. Der C zylindrische Hohlkörper 35 endet unten im Abstand von der Platte 15 und kann dort mit einer entsprechenden Platte versehen sein, die im Abstand von der Platte 15 verläuft und am Ort der Kopplungsanordnung 17 bis 33 mit einer Aussparung versehen ist.The waveguide arrangement formed by the slotted hollow body 1 can be viewed as a type of Lecher or parallel “wire” line which has been bent over by 1801 every A / 2. In an ordinary parallel wire line, the direction of the electric field of a standing wave on the line changes at a distance of half a wavelength by 1800 each time . 1 and 2, the electric field vectors at all slots are rectified, as indicated by the arrows in FIG. 3 is shown, which shows the electric field distribution in a plane perpendicular to the cylinder axis 7 at a specific instant. The electric field components emanating from the individual slots 5 therefore all act in the same direction on the electrons located inside the hollow body 1 , so that a very effective excitation of the electron cyclotron frequency is possible if a magnetic field H of suitable magnitude directed parallel to the axis 7 of the cylinder which can be produced by any known arrangement, e.g. B. a cylindrical, axially magnetized permanent magnet or a magnet coil arrangement as shown in FIGS . 6 to 8 is shown. The in F i g. The arrangement shown in FIG. 1 may stand alone in a reduced pressure environment, e.g. B. in one in F i g. 1 vacuum chamber, not shown, or in space. However, it is also possible to provide a correspondingly shaped, uninterrupted hollow body 35 ( FIG. 4) coaxially to the hollow body 1. The C cylindrical hollow body 35 ends at the bottom at a distance from the plate 15 and can be provided there with a corresponding plate which extends at a distance from the plate 15 and is provided with a recess at the location of the coupling arrangement 17 to 33.

Die Feldverteilung in der durch den Hohlkörper 1 gebildeten Wellenleiteranordnung ähnelt der, die bei Anregung eines Resonanzhohlraumes mit der Grundschwingung im TE.i-Mode auftritt.The field distribution in the waveguide arrangement formed by the hollow body 1 is similar to that which occurs when a resonance cavity is excited with the fundamental oscillation in the TE.i mode.

Die beschriebene Wellenleiteranordnung ist sehr breitbandig und erlaubt schon mit sehr geringen Hochfrequenzenergien, Plasmen zu erzeugen und aufrechtzuerhalten.The waveguide arrangement described is very broadband and allowed Generate and maintain plasmas with very low high-frequency energies.

Bei einer praktischen Ausführungsform der Erfindung bestand der zylindrische Hohlkörper 1 aus einem Messingrohr mit einer Wandstärke von etwa 1 mm und einem Durchmesser von etwa 40 mm. Die Länge der Schlitze 5 betrug 120 mm, ihre Breite war 2 mm. Mit 10 Watt Hochfrequenzleistung einer Frequenz von 10 GIlz wurde in Wasserstoff, dessen Druck zwischen 1,5 -10-5 und 2.10-2 Torr geändert werden konnte, eine gut begrenzte Plasmasäule erhalten ', die sich länRs der Zylinderachse 7 üb--r die ganze Länge (1,8 m) des Vakuumgefäßes erstreckte. Die Plasmadichte wurde bei 4.10-4 Torr mit ungefähr 1011 em-3 gemessen.In a practical embodiment of the invention, the cylindrical hollow body 1 consisted of a brass tube with a wall thickness of approximately 1 mm and a diameter of approximately 40 mm. The length of the slits 5 was 120 mm and their width was 2 mm. With 10 watts of high-frequency power at a frequency of 10 GIlz, a well-delimited plasma column was obtained in hydrogen, the pressure of which could be changed between 1.5-10-5 and 2.10-2 Torr, which extends along the cylinder axis 7 entire length (1.8 m) of the vacuum vessel extended. The plasma density was measured at 4.10-4 torr to be approximately 1011 em-3.

Mit einem zylindrischen Wellenleiter der in F i g. 1. dargestellten Art und einem Durchmesser von 15 mm konnte in Wasserstoff im Druckbereich zwischen 8. 10-4 und 1,5 -10-3 Torr eine Plasmasäule erzeugt werden. Die Wellenleiteranordnung war für eine Wellenlänge von 24 cm entsprechend 1,25 GIlz ausgelegt, dabei konnte ein Plasma mit Hochfrequenzleistung -einer Frequenz zwischen 0,9 und 10 GHz erzeugt werden, wenn die Stärke des axialen Magnetfeldes auf einen Wert eingestellt wurde, der der Resonanz bei der Elektronencyclotronfrequenz entsprach.With a cylindrical waveguide of the type shown in FIG. 1. manner illustrated a diameter of 15 mm was produced in a plasma column are hydrogen in the pressure range between 1.5 and 8. 10-4 -10-3 Torr. The waveguide arrangement was designed for a wavelength of 24 cm corresponding to 1.25 GIlz, a plasma with high frequency power - a frequency between 0.9 and 10 GHz could be generated if the strength of the axial magnetic field was set to a value that corresponds to the resonance at the electron cyclotron frequency.

Bei geeigneter Wahl der Frequenz und des Drukkes und Einstellung auf Resonanz konnte längs der Schlitze 5 deutlich eine Entladungsverteilung b,eobachtet werden, die einer stehenden Welle längs der Schlitze entsprach. Mit abnehmendem Neutralgasdruck und/oder zunehmender Eingangsleistung wird das Plasma mehr und mehr in das Innere des Hohlkörpers verdrängt, so daß sich schließlich die eingangs erwähnte scharf begrenzte Plasmasäule in der Zylinderachse ergibt. Versuchsweise wurde der ge- schlitzte Zylinder in einen magnetischen Spiegel (Spiegelverhältnis 2,5) eingesetzt. Das Plasma blieb scharf begrenzt und verläuft weitgehend längs der magnetischen Kraftlinien. Der magnetische Spiegel erweitert den Druckbereich, indem -ein Plasma bei gegebener Eingangsleistung erzielbar ist, er betrug dann 3 - 10-5 bis 2.10-2 Torr bei 60 Watt Dauerstrichleistung von 3 GIlz.With a suitable choice of frequency and pressure and setting to resonance, a discharge distribution b 1 could clearly be observed along the slots 5 , which corresponded to a standing wave along the slots. With decreasing neutral gas pressure and / or increasing input power, the plasma is displaced more and more into the interior of the hollow body, so that finally the sharply delimited plasma column mentioned at the beginning results in the cylinder axis. Tentatively, the cylinder of slit into a magnetic mirror was used (mirror ratio of 2.5). The plasma remained sharply defined and runs largely along the lines of magnetic force. The magnetic mirror expands the print area by - a plasma at a given input power can be achieved, then it was 3 - 10-5 to 2.10-2 Torr at 60 watts continuous wave power of 3 GILZ.

F i g. 5 zeigt, wie der Eingangsschlitz 5 a einer Wellenleiteranordnung der in F i g. 1 dargestellten Art an eine Koaxialleitung angekoppelt werden kann. Die Wellenleiteranordnung enthält wieder einen geschlitzten Hohlzylinder 1, wie er in F i g. 1 dargestellt ist, dessen unteres Ende mit einer leitenden Platte 15' verbunden ist. Die in erster Näherung kreisringförTnige Platte 15' ist in Fortsetzung des Eingangsschlitzes 5 a durch einen radialen Schlitz 17' aufgetrennt, und ihre radialen Abmessungen nehmen in der aus F i g. 5 ersichtlichen Weise von dem dem Schlitz 17" diametral gegenüberliegenden Teil 15 a zum Schlitz 17' hin in der in F i g. 5 dargestellten Weise ab. Der eine Rand 19' des Schlitzes 17' ist mit dem Innenleiter 41 und der andere Rand 29' mit einem schräg abgeschnittenen Außenleiter 43 verbunden. Der abgesehrägte Teil des Außenleiters verjüngt sich außerdem kegelstumpfartig in Richtung auf die Ansatzstelle des Schlitzes 5a. Die Koaxialleitung 41,. 43 kann in einer Anschlußkupplung 25' enden und vakuumdicht durch die Wand eines nur teilweise dargestellten Vakuumgefäßes 45 durchgeführt sein. Der Zwischenraum zwischen Innenleiter und Außenleiter kann durch einen oder mehrere Isolatoren 47 abgedichtet sein. Mit 49 ist eine Stütze angedeutet, die. die Platte 15' an der der Anschlußkupplung 25' gegenüberliegenden Seite des Vakuumgefäßes 45 abstützt.F i g. 5 shows how the entrance slot 5 a of a waveguide arrangement of the FIG. 1 can be coupled to a coaxial line. The waveguide arrangement again contains a slotted hollow cylinder 1, as shown in FIG. 1 , the lower end of which is connected to a conductive plate 15 ' . The kreisringförTnige first approximation plate 15 'in continuation of the entry slot 5a by a radial slit 17' is separated, and their radial dimensions to take in g of F i. Of the 17 "diametrically opposed to part 15 a 'manner shown 5 g out in the in F i. Ex. The one edge 19' 5 manner shown in the slot to the slot 17 of the slot 17 'is connected to the inner conductor 41 and the other edge 29 ' connected to an obliquely cut outer conductor 43. The sawn-off part of the outer conductor also tapers in the manner of a truncated cone in the direction of the attachment point of the slot 5a. The coaxial line 41, 43 can end in a connection coupling 25' and vacuum-tight through the wall of a vacuum vessel which is only partially shown 45. The space between the inner conductor and outer conductor can be sealed by one or more insulators 47. 49 indicates a support which supports the plate 15 ' on the side of the vacuum vessel 45 opposite the connection coupling 25'.

F i g. 6 zeigt stark vereinfacht einen anderen Plasmagenerator. Er enthält eine Wellenleiteranordnung 1, die über eine Hochfrequenzleitung 51 mit einem Hochfrequenzgenerator 53 gekoppelt ist. Die Wellenleiteranordnung 1 ist in einem Vakuumgefäß 45 angeordnet, das mit einem Gaseinlaß 55 versehen ist und über eine Leitung 57 mit einer Vakuumanlage 59 verbunden ist. Das zylindrische Vakuumgefäß wird von einer Magnetspulenanordnung 61 umgeben, die aus einer Reihe von koaxialen, ringförmigen und gegebenenfalls wassergekühlten Magnetspulen besteht, die so bemessen und angeordnet sind, daß im Inneren 63 des Vakuumgefäßes 45 ein achsparalleles homogenes magnetisches Gleichfeld H herrscht. Im Betrieb entsteht eine Plasmasäule 65, die sich längs der Achse der Wellenleiteranordnung 1 über die ganze Länge des Vakuumgefäßes 45 erstreckt, die im vorliegenden Fall beispielsweise 180 cm betragen kann. Der Durchmesser des Vakuumgefäßes 45 betrug 21 cm.F i g. 6 shows another plasma generator in a greatly simplified manner. It contains a waveguide arrangement 1 which is coupled to a high-frequency generator 53 via a high-frequency line 51. The waveguide arrangement 1 is arranged in a vacuum vessel 45 which is provided with a gas inlet 55 and is connected to a vacuum system 59 via a line 57 . The cylindrical vacuum vessel is surrounded by a magnetic coil arrangement 61 , which consists of a number of coaxial, ring-shaped and optionally water-cooled magnetic coils, which are dimensioned and arranged in such a way that an axially parallel, homogeneous magnetic constant field H prevails in the interior 63 of the vacuum vessel 45. During operation, a plasma column 65 arises which extends along the axis of the waveguide arrangement 1 over the entire length of the vacuum vessel 45, which in the present case can be 180 cm, for example. The diameter of the vacuum vessel 45 was 21 cm.

Bei der in F i g. 7 dargestellten Ausführungsform ist die Magnetspulenanordnung 61' unsymmetrisch bezüglich der Wellenleiteranordnung 1 angeordnet. Das Magnetfeld ist daher am Ort der Wellenleiteranordnung 1 inhomogen, es divergiert in F i g. 7 nach links, wie durch die gestrichelten Linien angedeutet ist. Bei einer solchen Anordnung wird der Plasmastrahl aus der Wellenleiteranordnung 1 bevorzugt in Richtung abnehmender magnetischer Feldstärke ausgestoßen, wie durch einen Pfeil 65' angedeutet ist. Die Richtung des Plasmastrahles kann der des durch die Leitung 55 zugeführten Gasstromes gleichgerichtet oder entgegengesetzt gerichtet sein.In the case of the in FIG. 7 , the magnet coil arrangement 61 ′ is arranged asymmetrically with respect to the waveguide arrangement 1. The magnetic field is therefore inhomogeneous at the location of the waveguide arrangement 1 ; it diverges in FIG. 7 to the left, as indicated by the dashed lines. With such an arrangement, the plasma jet is preferably ejected from the waveguide arrangement 1 in the direction of decreasing magnetic field strength, as indicated by an arrow 65 ' . The direction of the plasma jet can be directed in the same direction or in the opposite direction to that of the gas flow supplied through the line 55.

F i g. 8 zeigt eine Ausführungsforin, die zwei einander koaxial gegenüberliegende Anordnungen der in F i g. 7 dargestellten Art enthält. Die von den Wellenleiteranordnungen la, lb ausgestoßenen Plasmastrahlen65a, 65b sind wegen des durch die gestrichelten Linien angedeuteten Verlaufes des Magnetfeldes H, das in der Mitte zwischen den Plasmaquellen am schwächsten ist, aufeinander zu gerichtet, so daß in der Mitte der Anordnung ein gut begrenztes eingeschlossenes Plasma 65 c entsteht. Die Plasmaquellen la, 1 b können mit Hochfrequenzleistung gleicher oder verschiedener Frequenz ge-_ speist werden.F i g. FIG. 8 shows an embodiment which comprises two coaxially opposed arrangements of the arrangements shown in FIG. 7 contains the type shown. The plasma jets 65a, 65b ejected by the waveguide arrangements la, lb are directed towards one another because of the course of the magnetic field H indicated by the dashed lines, which is weakest in the middle between the plasma sources, so that a well-delimited, enclosed Plasma 65 c arises. The plasma sources 1 a , 1 b can be fed with high-frequency power of the same or different frequencies.

F i g. 9 zeigt eine Schnittansicht einer Wellenleiteranordnung, die zwei koaxial ineinander angeordnete geschlitzte Hohlkörper l', V' enthält. Die durch die zylindrischen Hohlkörper l', l" gebildeten Wellenleiteranordnungen werden über zwei Hochfrequenzleitungen 21', 21" mit Hochfrequenzleistung gespeist,- wie beispielsweise an. Hand von F i g. 1 und 4 erläutert wurde. Die Speisung kann mit Hochfrequenzleistung gleicher oder verschiedener Frequenz erfolgen. Bei ausreichend niedrigem Druck und genügend hoher Hochfrequenzleistung entsteht praktisch nur innerhalb der inneren Wellenleiteranordnung ein Plasma 65. Selbstverständlich können auch mehr als zwei koaxiale Wellenleiteranordnungen der in F i g. 1 dargestellten Art verwendet werden.F i g. 9 shows a sectional view of a waveguide arrangement which contains two slotted hollow bodies 1 ', V' arranged coaxially one inside the other. The waveguide arrangements formed by the cylindrical hollow bodies 1 ', 1 "are fed with high-frequency power via two high-frequency lines 21', 21" - such as an. Hand of fig. 1 and 4 has been explained. The supply can take place with high-frequency power of the same or different frequency. If the pressure is sufficiently low and the high-frequency power is sufficiently high, a plasma 65 is created practically only within the inner waveguide arrangement. Of course, more than two coaxial waveguide arrangements of the type shown in FIG. 1 can be used.

Durch die in F i g. 9 dargestellte, Verwendung mehrerer koaxialer Wellenleiteranordnungen läßt sich eine sehr hohe Leistungsdichte im Plasma 65 erzielen. Das an Hand von F i g. 9 erläuterte Prinzip kann selbstverständlich auch bei den anderen oben beschriebenen Ausführungsbeispielen angewendet werden.Through the in F i g. Using a plurality of coaxial waveguide arrangements shown in FIG. 9 , a very high power density can be achieved in the plasma 65. The on the basis of Fig. 9 can of course also be used in the other exemplary embodiments described above.

F i g. 10 zeigt schematisch eine unter dem Namen O-Careinotron bekannte Rückwärtswellenröhre, die Ihnlich wie ein Magnetron zur Erzeugung elektronagnetischer Schwingungen dienen kann. Die Röhre 71 enthält ein Vakuumgefäß 73, in dem eine Art Jerzögerungsleitung angeordnet ist, die ein nicht Jurchbrochenes, inneres Element 75 und ein dieses konzentrisch umgebendes äußeres geschlitztes Element 77 enthält. Zwischen den Elementen 75, 77 der Verzögerungsleitung befinden sich eine Kathode 79 und eine Anode 81, die einen Elektronenstrahl 83 aussenden bzw. aufnehmen. Der Elektronenstrahl wird durch ein axiales Magnetfeld H auf eine Kreisbahn zwischen den Elementen 75, 77 gezwungen und erzeugt in der Wellenleiteranordnung elektromagnetische Schwingungen, die auf nicht dargestellte, bekannte Weise ausgekoppelt werden können.F i g. 10 shows schematically a reverse wave tube known under the name O-Careinotron, which can be used to generate electron-magnetic oscillations in a manner similar to a magnetron. The tube 71 contains a vacuum vessel 73 in which a type of delay line is arranged which contains an uninterrupted inner element 75 and an outer slotted element 77 concentrically surrounding it. A cathode 79 and an anode 81, which emit and receive an electron beam 83, are located between the elements 75, 77 of the delay line. The electron beam is forced onto a circular path between the elements 75, 77 by an axial magnetic field H and generates electromagnetic oscillations in the waveguide arrangement which can be coupled out in a known manner, not shown.

Bei der in Fig. 11 dargestellten Ausführungsforrn wird die Hochfrequenzleistung zur Speisung der Plasmaquelle, bei dieser selbst durch einen Hochfrequenzgenerator erzeugt, der auf dem Prinzip eines Q-Carcinotrons arbeitet. Bei Fig. 11 ist die Anordnung jedoch gerade umgekehrt wie bei dem in F i g. 10 dargestellten bekannten Carcinotron, d. h., das nicht durchbrochene Element 75' der Wellenleitung liegt außen und umschließt das geschlitzte Element 77' konzentrisch. Zwischen den Elementen 75', 77 sind wieder eine Kathode 79' und eine Anode 81' angeordnet, die einen Elektronenstrahl 83' aussenden bzw. aufnehmen, der durch ein axiales Magnetfeld H auf eine Kreisbahn zwischen den Elementen 75', 77' gezwungen wird. KoaxW innerhalb des Elements 77' befindet sich nun noch eine Wellenleiteranordnung 1 der in F i g. 1 dargestellten Art, die durch die von der O-Carcinotron-Anordnung 75', 77', 79', 81' erzeugte Hochfrequenzleistung erregt wird, so daß im Inneren der Anordnung --in Plasma 65 entsteht.In the embodiment shown in FIG. 11 , the high-frequency power for supplying the plasma source is itself generated by a high-frequency generator which works on the principle of a Q-Carcinotron. In FIG. 11 , however, the arrangement is exactly the opposite of that in FIG. 10 shown known carcinotron, i. That is, the uninterrupted element 75 'of the waveguide is on the outside and concentrically surrounds the slotted element 77'. Between the elements 75 ', 77 a cathode 79' and an anode 81 ' are again arranged, which emit or receive an electron beam 83' which is forced by an axial magnetic field H onto a circular path between the elements 75 ', 77'. CoaxW within the element 77 ' there is now also a waveguide arrangement 1 of the type shown in FIG. 1 , which is excited by the high-frequency power generated by the O-Carcinotron arrangement 75 ', 77', 79 ', 81' , so that inside the arrangement - in plasma 65 arises.

Bei der in F i g. 11 dargestellten Ausführungsform ist keine Kopplungsleitung zwischen der O-Careinotron-Anordnung und der Wellenleiteranordnung 1 erforderlich, da sich das elektrische Feld, das sich in den Schlitzen des Verzögerungselementes 77' ausbildet, nach innen ausbreitet und die Wellenleitera-nordnung 1 erregt. Bei der Wellenleiteranordnung 1 in F i g. 11 hören daher beide Enden des Schlitzzuges im Abstand vor den Rändern des zylindrischen Hohlkörpers auf, wie es für den Schlitz 5 n in F i g. 2 dargestellt ist. Der erste Schlitz 5a geht also nicht bis zum Rand 9 durch, wie es in F i g. 2 gezeigt ist.In the case of the in FIG. 11 , no coupling line is required between the O-careinotron arrangement and the waveguide arrangement 1 , since the electric field that is formed in the slots of the delay element 77 ' propagates inward and excites the waveguide arrangement 1. In the case of the waveguide arrangement 1 in FIG. 11 therefore stop both ends of the train of slots at a distance from the edges of the cylindrical hollow body, as is the case for the slot 5 n in FIG. 2 is shown. The first slot 5a therefore does not go through to the edge 9 , as is shown in FIG. 2 is shown.

Bei allen oben beschriebenen Ausführungsbeispielen läßt sich das Plasma mit der geringsten Hochfrequenzenergie dann zünden, wenn die halbe Wellenlänge der erregenden Hochfrequenz gleich der Länge der Schlitze 5 (F i g. 1, 2) ist und das axiale Magnetfeld H so eingestellt ist, daß die Elektronencyclotronfrequenz gleich der erregenden Frequenz ist. Nach der Zündung kann die Stärke des Magrietfeldes gewünschtenfalls verringert werden, insbesondere bei höheren Hochfrequenzleistungen, was bei Verwendung von Elektromagneten aus Gründen des Leistungsverbrauchcs vorteilhaft ist.In all of the embodiments described above, the plasma can be ignited with the lowest high frequency energy when half the wavelength of the exciting high frequency is equal to the length of the slots 5 ( Fig. 1, 2) and the axial magnetic field H is set so that the Electron cyclotron frequency is equal to the exciting frequency. After ignition, the strength of the Magriet field can be reduced if desired, in particular at higher high-frequency powers, which is advantageous when using electromagnets for reasons of power consumption.

Da die beschriebenen Wellenleiteranordnungen sehr breitbandig sind, kann die Schlitzlänge beträchtlich von der halben Wellenlänge der anregenden Hochfrequenz abweichen, wie oben bereits erwähnt wurde. Es ist merkwürdigerweise auch möglich, mit Hochfrequenzleistung zu arbeiten, deren Frequenz dem Doppelten der Elektronencyclotronfrequenz entspricht. Vermutlich läßt sich eine Anregung auch noch mit höheren Vielfachen der Elektronencyclo tronfrequenz und gegebenenfalls sogar mit Untervielfachen dieser Frequenz bewirken.Since the waveguide arrangements described are very broadband, The slot length can be considerably different from half the wavelength of the exciting radio frequency differ, as mentioned above. Strangely enough, it is also possible to work with high frequency power, the frequency of which is twice the electron cyclotron frequency is equivalent to. Presumably, an excitation can also be made with higher multiples the electron cyclo tron frequency and possibly even with sub-multiples of this Effect frequency.

Der Abstand zwischen zwei benachbarten Schlitzen 5 (F i g. 1) kann in weiten Grenzen schwanken. An Stelle eines zylindrischen Hohlkörpers kann auch ein Hohlkörper anderer Form verwendet werden z. B. in Form einer Kegelstumpfmiantelfläche, eines Exponentialtrichters, eines Teiles einer Rotations-Ellipsoid-, Paraboloid- oder Hyperboloidfläche, Es können auch mehrere axial hintereinandergeschaltete Systeme verwendet werden, z. B. Systeme, wie sie in F i g. 1, 7, 9 und 11 dargestellt sind. Auch die in F i g. 8 dargestellte Anordnung kann durch weitere koaxiale Wellenleiteranordnungen ergänzt werden, die die Wellenleiteranordnungen. la, 1 b umfassen und/oder in axialem Abstand von diesen angeordnet sind.The distance between two adjacent slots 5 ( FIG. 1) can vary within wide limits. Instead of a cylindrical hollow body, a hollow body of a different shape can also be used, e.g. B. in the form of a truncated cone miantel area, an exponential funnel, part of a rotational ellipsoid, paraboloid or hyperboloid surface. It is also possible to use several axially series-connected systems, e.g. B. Systems as shown in FIG. 1, 7, 9 and 11 are shown. The in FIG. The arrangement shown in FIG. 8 can be supplemented by further coaxial waveguide arrangements, the waveguide arrangements. la, 1b comprise and / or are arranged at an axial distance therefrom.

Die Wellenleiteranordnung und die anderen leitenden Teile können aus irgendeinem geeigneten Werkstoff bestehen, der mindestens an der Oberfläche gut leiten soll. Beispiele sind Kupfer, Silber oder oberflächlich mit einem gut leitenden, z. B. aus Silber bestehenden Belag versehene Bauteile aus anderen Materialien, z. B. Keramik. Diese Materialien sollen vorzugsweise nicht feriomagnetisch sein, damit das axiale Magnetfeld nicht verzerrt wird. Es ist unter Umständen jedoch auch denkbar, den zylindrischen Hohlkörper aus einem Permamentmagnetmaterial herzustellen, so daß er sowohl als Wellenleiteranordnung wirkt als auch das in seinem Inneren benötigte axiale Magnetfeld liefert.The waveguide assembly and the other conductive parts can be made of any suitable material that is at least good on the surface should lead. Examples are copper, silver or on the surface with a good conductive, z. B. made of silver covering provided components made of other materials, z. B. Ceramic. These materials should preferably not be ferromagnetic so the axial magnetic field is not distorted. However, under certain circumstances it is also conceivable to produce the cylindrical hollow body from a permanent magnet material, so that it acts both as a waveguide arrangement and that required inside it axial magnetic field supplies.

Wie aus der Hochfrequenztechnik bekannt, kann die Wellenleiteranordnung auch komplementär ausgebildet sein, d. h., an die Stelle eines Schlitzes kann leitender Werkstoff und umgekehrt treten.As is known from high-frequency technology, the waveguide arrangement can also be designed in a complementary manner, i. That is, a slot can be replaced by a conductive material and vice versa.

Claims

Claims: 1. High-frequency plasma generator with a high-frequency line forming an approximately tubular hollow body, one end of which is connected to a high-frequency generator, d a - characterized in that the hollow body (1) extending in the direction of the tube axis (7), alternately at one and the other end of the hollow body has slots (5) which are connected to the other end of the hollow body and form at least one meander-shaped slot train, the length of which is at least approximately a whole multiple of half the wavelength of the high-frequency vibrations fed into the slot train. 2. Plasma generator according to claim 1, characterized in that the hollow body is cylindrical. 3. Plasma generator according spoke 1, characterized in that the hollow body is frustoconical. 4. Plasma generator according to claim 1, characterized in that the hollow body has the shape of an exponential funnel. 5. Plasma generator according to one or more of claims 1 to 4, characterized in that the first slot (5 a ) extends one of the meandering slots to one edge (9) of the hollow body (1) and that the last slot (5n) in Distance in front of the same edge of the hollow body next to the first slot (5a) ends. 6. Plasma generator according to claim 5, characterized in that the hollow body (1) is connected to the edge (9) up to which the first slot (5a) extends to a conductive plate (15) which has an at least approximately radially extending one Slot (17) in continuation of the first slot (5 a) of the hollow body (1) which is coupled to a high-frequency line (19). 7. Plasma generator according to one or more of claims 1 to 6, characterized in that an arrangement (61 ') for generating a magnetic field with an axial component supplies an inhomogeneous magnetic field at the location of the hollow body. 8. Plasma generator according to claim 7, characterized by two axially spaced apart coaxially arranged hollow bodies (la, 1 b), which are each provided with an arrangement (61 a, 61 b) for generating axially directed magnetic fields, the intensity of which in the direction decreases on each other. 9. Plasma generator according to one or more of claims 1 to 7, characterized by at least two hollow bodies (Y, r ') arranged concentrically to one another. 10. Plasma generator according to one or more of claims 1 to 9, characterized in that the slotted hollow body are concentrically surrounded by a non-perforated, electrically conductive cylinder (35) . 11. Plasma generator according to claim 10, characterized in that the uninterrupted cylinder (35) together with the adjacent hollow body forms parts of a high-frequency generator in the manner of a reverse wave tube. 12. Plasma generator according to spoke 8, 9 or 10, characterized in that all hollow bodies are fed with high-frequency power of the same frequency. 13. Plasma generator according to claim 8, 9 or 10, characterized in that at least two of the hollow bodies are fed with high-frequency power of different frequencies. 14. Plasma generator according to one of the preceding claims, characterized in that the length of the slots (5) is equal to half the wavelength of the exciting high-frequency oscillations. Publications considered: Electronic Rundschau, No. 11, 1959, pp. 404 to 406.