DE1233955B - Ionenquelle - Google Patents

Description

DEUTSCHES 'MTW> PATENTAMT DeutscheKl.: 21g-21/01

AUSLEGESCHRIFT ~

Aktenzeichen: H 47471 VIII c/21 g 1 233 955 Anmeldetag: 22.November 1962

Auslegetag: 9. Februar 1967

Die Erfindung bezieht sich auf eine Ionenquelle mit einem Glühdraht, der innerhalb einer an ihrer Stirnfläche mit einer engen Öffnung versehenen Zwischenelektrode liegt, die sich gegenüber diesem Glühdraht auf einem positiven Potential befindet, ferner mit einer Anode, die sich gegenüber der Zwischenelektrode auf einem positiven Potential befindet, und schließlich mit einer Absaugelektrode, die gegenüber der Anode auf stark negativem Potential liegt.

Ionenquellen der hier behandelten Art erzeugen die Ionen durch die von einem Glühdraht in Wasserstoff oder einem anderen geeigneten ionisierbaren Gas ausgehende Entladung. Die für diesen Zweck übliche Anordnung enthält eine Ionisierungskammer, welcher eine ausreichende Menge des zu ionisierenden Gases zugeführt wird. Eine Zwischenelektrode, innerhalb derer sich der Glühdraht befindet, wird in unmittelbarer Nähe einer Anode angebracht, wobei diese Anode gleichzeitig die Stirnwand und die Öffnung der Ionisierungskammer darstellt. Die zwei in der Zwischenelektrode und der Anode befindlichen Öffnungen liegen in der gemeinsamen Achse. Mittels einer geeigneten Spannung wird eine Entladung zwischen dem Glühdraht und der Anode hervorgerufen. Das zwischen diesen Elektroden befindliche Gas wird dabei ionisiert. Die erzeugten Ionen treten durch die Öffnung der Anode hindurch. Eine Absaugelektrode von verhältnismäßig hohem negativem Potential gegenüber der Anode, nämlich auf einem Potential von 10 bis 60 kV, zieht die Ionen durch die Anodenöffnung in eine evakuierte Kammer hinein, wo sie in den Wirkungsbereich einer Absaugelektrode gelangen. (»Nuclear Instruments and Methods«, Bd. 10 [1961], S. 263 bis 271.)

Ein Nachteil derartiger Ionenquellen besteht in der Raumladung hinter dem Austritt aus der Anodenöffnung. Diese Raumladung begrenzt die Bildung eines scharfen Strahles von hoher Ionendichte. Wenn keine Fokussierungskräfte wirksam sind, so stoßen sich die Ionen gegenseitig ab, und zwar so weitgehend, daß der aus den Ionen bestehende Strahl schnell divergiert und sich somit vollständig zerstreut. Dieses Problem besteht insbesondere dann, wenn man einen intensiven Strahl mit einer Stromdichte von mehr als 500 mA/cm² herzustellen bestrebt ist. Zwar kann man mit den in der obengenannten Literaturstelle beschriebenen IonenqueIlen Ionenstrahlen dieser und noch höherer Stromdichte herstellen, jedoch lassen sich diese Strahlen in dem zum Absaugen und zur Beschleunigung dienenden Teil der Anordnung mit Rücksicht auf die Raumladungskräfte selbst bei den höchsten Potentialgradienten, Ionenquelle

Anmelder:

High Voltage Engineering Corporation,
Burlington, Mass. (V. St. A.)

Vertreter:

Dr.-Ing. Ε. Sommerfeld und Dr. D. v. Bezold,
Patentanwälte, München 23, Dunantstr. 6

Als Erfinder benannt:
Andrew B. Wittkower, London

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 11. Dezember 1961
(158 206),

vom 18. Juni 1962 (205 168) ■

die bei gut polierten Elektroden im Vakuum anwendbar sind, nicht aufrechterhalten. Es ist daher bisher nicht möglich gewesen, diese Ionenquellen zu verwenden und Strahlen entsprechend hoher Stromdichte herzustellen, ohne Fokussierungsschwierigkeiten zu begegnen.

Die Wirksamkeit von elektrostatischen Linsen ist durch einen Verlust an Strahlqualität infolge der sphärischen Aberration begrenzt, welche von der dritten Potenz des Divergenzwinkels beim Eintritt des Strahles in die Linse abhängt.

Die Fokussierung läßt sich jedoch für jeden Ionenstrahl von gegebenen Abmessungen nennenswert verbessern, wenn der Durchmesser und die Divergenz dieses Strahles beim Eintritt in die Absaugelektrode ein Minimum sind.

Basierend auf dieser Erkenntnis liegt erfindungsgemäß bei der eingangs bezeichneten Ionenquelle zwischen der Anode und der Absaugelektrode noch eine auf dem gleichen Potential wie die Anode befindliche Steuerelektrode. Dadurch wird eine wirksame Beeinflussung des Strahls beim Austritt aus der Anode ermöglicht, so daß man nicht nur eine verbesserte Fokussierung erreicht, sondern auch intensivere Strahlen erhält, weniger Ionen an die Absaug-

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elektrode verliert und weniger Gas in den Vakuumraum abfließt.

Der Erfindung liegt somit die Erkenntnis zugrunde, daß bei einem gegebenen Abstand von der Anode der Ionenquelle die Neigung des Ionenstrahls zur Divergenz eine inverse Funktion des Öffnungsdurchmessers ist. Innerhalb gewisser durch Rechnung zu ermittelnder Grenzen führt bei einem Ionenstrahl von gegebener Energie und Intensität eine Zunahme des Durchmessers der Anodenöffnung zu einer Abnahme der Strahldivergenz bei einem gegebenen Abstand von der Anodenöffnung. Bei einem bestimmten Wert dieses Öffnungsradius ist der Ionenstrahlradius in einem bestimmten Abstand ein Minimum. Es wurden Gleichungen entwickelt, welche die Öffnung der Anode mit dem axialen Abstand und dem Radius des Ionenstrahls für gegebene Strahlparameter verknüpfen, aus denen die Ionenquellengeometrie zur Lieferung optimaler Strahlabmessungen zuverlässig berechnet werden kann.

Bei diesem Weg zur wirksameren Beeinflussung des Plasmas, welches aus der Anodenöffnung austritt, entstehen aber zwei weitere Probleme. Eine große Anodenöffnung läßt nämlich eine verhältnismäßig große Gasmenge hindurchtreten, so daß das Vakuumsystem verunreinigt wird. Außerdem kann es vorkommen, daß der Mindestwert des Stromes, der aus einer derartigen vergrößerten Öffnung abgezogen wird, größer ist als derjenige Strom, der in dem System verarbeitet werden kann.

Durch die Erfindung werden auch diese Probleme gelöst, indem die obenerwähnte Steuerelektrode es erleichtert, den Raum zwischen der Anode und der Absaugelektrode zu evakuieren und es ermöglicht, den aus der Anode austretenden Ionenstrom zu beeinflussen.

Fig. 1 ist eine kurvenmäßige Darstellung der funktionellen Verknüpfung zwischen dem Durchmesser und der Raumladung von Ionenstrahlen für Ionenquellen verschiedener Anodenöffnung;

F i g. 2 stellt einen Längsschnitt durch eine Ionenquelle dar;

F i g. 3 ist eine vergrößerte Darstellung der Ionenquelle in F i g. 2 und

F i g. 4 ein Schnitt durch eine andere Ausf ührungsform.

Bei einer Ionenquelle der bekannten Art wird die Divergenz des Ionenstrahls vorwiegend durch Raumladungskräfte bestimmt. Wenn die Stromstärke, die Spannung und die Masse der Ionen dieselbe ist, so existiert ein bestimmter Wert des anfänglichen Strahldurchmessers r₀ (Ordinate), für welchen der Strahldurchmesser r in einem bestimmten Abstand ζ (Abszisse) ein Minimum ist. Die Eigenschaften dreier derartiger Strahlen sind in F i g. 1 durch die Kurven 31, 32, 33 dargestellt. Diese drei verschiedenen Strahlen haben gleiche Energie und Stromstärke, jedoch verschiedene anfängliche Radien r₀. Man sieht, daß beim Anfangsradius r₀₂ ein noch sehr kleiner Strahlenradius im Abstandz₁ vorliegt. Beim anfänglichen Radius r₀₃ ist noch im Abstand Z₂ ein verhältnismäßig kleiner Strahlenradius vorhanden. Es kann eine ganze Schar von Kurven nach Art der Kurven 31, 32 und 33 aufgezeichnet werden. Ein optimaler Radius der Austrittsöffnung der Ionenquelle kann dann in jedem praktischen Anwendungsfall als Funktion des Stromes, der Energie und des minimalen Fleckdurchmessers in einem bestimmten

Abstand von der Ionenquelle angegeben werden. Die Verhältnisse lassen sich aus der Gleichung

^ro J

berechnen, in welcher

M⁴ I²

ζ ist der axiale Abstand von der Austrittsöffnung der Ionenquelle;

— ist das Verhältnis des Strahlenradius im Ab^r° stand ζ zum anfänglichen Strahlenradius;

M ist die Massenzahl der Ionen;

V ist die Strahlenenergie in Kilo-Elektronenvolt,

und

/ ist der Strahlstrom in Milliampere.

Der Wert des Integrals s⁽' dt kann aus dem Werk »Table of Functions« von Janke und Emde entnommen werden.

Im Anschluß an diese Bestimmung des optimalen Austrittsdurchroessers der Ionenquelle wurde nun eine Anordnung entwickelt, die sich zur wirksameren Beeinflussung des aus der Ionenquelle austretenden Ionenstroms eignet. Da der optimale Öffnungsdurchmesser häufig erheblich größer ist als derjenige der bisher üblichen Ionenquellen, muß man dafür sorgen, daß weder zu viel Strom erzeugt wird noch zu große Gasmengen aus der Ionenquelle in den Vakuumraum eintreten. Bei der vorliegenden Anordnung erreicht man dies durch den Einbau einer Steuerelektrode zwischen die Anode und die Absaugelektrode, welche sowohl den Gasstrom, der aus der Anode austritt, abzusaugen gestattet als auch eine Ausdehnung des Plasmas vor der Absaugelektrode erlaubt. Bei der nachfolgenden eingehenden Beschreibung wird eine Ionenquelle zur Erzeugung eines Wasserstoffionenstrahles zwischen 1 und 15 mA vorausgesetzt.

In Fig. 2 soll Wasserstoffgas in die Ionisierungskammer 36 über eine Leitung 6 eingeführt werden. Eine Zwischenelektrode 9 ist in einer Kammer 36 konzentrisch angebracht und umschließt einen Glühdraht 8. Durch einen geeigneten Spannungsanschluß einer Leitung 5 wird der Glühdraht auf einem Potential von etwa —200 V gegenüber einer Anode 11 gehalten. Die Zwischenelektrode 9 befindet sich auf einem Potential von etwa —100 V gegenüber der Anode 11. Durch Magnetspulen 7 werden der Lichtbogen und die in diesem Lichtbogen erzeugten Wasserstoffionen auf die Öffnung der Anode 11 konzentriert. Eine Steuerelektrode 12 für das erzeugte Plasma liegt sehr nahe an der Anode 11, und ihre Öffnung deckt sich mit der Öffnung in der Anode und der Zwischenelektrode. Zwischen der Anode 11 und der Steuerelektrode 12 befindet sich ein evakuierter Raum 19, in welchem das gewünschte Vakuum über eine Öffnung 18 mittels einer an eine Vakuumleitung 17 angeschlossenen Pumpe aufrechterhalten wird. Die Anode 11 und die Steuerelektrode 12 liegen auf 0 Volt. Die in der Ionisierungskammer 36 erzeugten Ionen werden durch eine Absaugelektrode

Claims (5)

15 aus dieser Kammer abgesaugt, wobei diese Elektrode sich auf einem negativen Potential von 10 bis 50 kV gegenüber der Anode 11 befinden möge. Die Ionen werden dann einer Fokussierungselektrode 16 zugeleitet. Diese Elektroden sind alle innerhalb einer Strahlenkammer 4 angeordnet und durch die Isolatoren 10, 13 und 14 voneinander isoliert. Die F i g. 3 zeigt eine Ionenquelle vergrößert und im Schnitt. Die Größenverhältnisse eignen sich für einen Strahl von 10 mA. Die Öffnung 25 der Zwischenelektrode 9 hat einen Durchmesser d2 von 2,3 mm. Die Öffnung 26 der Anode 11 hat einen Durchmesser dt von 0,23 mm und liegt koaxial zu der Öffnung 25. Die Öffnung der Steuerelektrode 12, die einen Abstand ds von 2,5 mm von der Anode 11 besitzt, hat einen Durchmesser dt von 2,35 mm. Dabei ist wichtig, daß die Öffnung 26 nur sehr klein ist, um den Gasstrom klein zu halten und einen kleinen Strahlstrom sicherzustellen, so daß auf dem Wege d3 das Plasma expandieren kann und daß eine solche Öffnung di vorhanden ist, daß eine optimale Strahldivergenz erreicht wird. F i g. 4 zeigt eine andere Ausführungsform, die sich insbesondere für die Herstellung von Strahlen sehr hoher Ionendichte eignet. Bei der Anordnung nach as F i g. 4 erzeugt ein zylindrischer Körper 35 eine Driftstrecke d5, innerhalb derer sich der Ionenstrahl auf einen Durchmesser de erweitern kann. Die Plasmagrenze kann durch ein Gitter 37 gebildet werden, welches der Steuerelektrode 12 in F i g. 2 und 3 entspricht, oder das Plasma kann auch seine eigene Grenze bilden. Zwar kann in den meisten Anwendungsfällen mit einer gekrümmten natürlichen Plasmagrenze gearbeitet werden, jedoch ist die Verwendung eines Gitters insofern zu empfehlen, als eine definierte Grenze geschaffen wird, die auch einer Berechnung zugrunde gelegt werden kann. Eine Beschleunigungslinse, welche zwischen Plasmagrenze und einer Absaugelektrode 38 gebildet wird, bringt den Strahl in einem bestimmten Abstand hinter der Ionenquelle auf einen minimalen Durchmesser, und dieser Abstand kann durch Änderung der Krümmung der Plasmagrenze, durch Beeinflussung der Form des Beschleunigungsfeldes oder durch Änderung der Öffnungsgröße beinflußt werden. Es wurde beispielsweise gefunden, daß man bei einem Durchmesser dg von mehr als 3 cm die Raumladungskräfte, welche den Strahl zerstören, um zwei oder drei Größenordnungen vermindern konnte. Patentansprüche:

1. Ionenquelle mit einem Glühdraht, der innerhalb einer an ihrer Stirnfläche mit einer engen Öffnung versehenen Zwischenelektrode liegt, die sich gegenüber diesem Glühdraht auf einem positiven Potential befindet, ferner mit einer Anode, die sich gegenüber der Zwischenelektrode auf einem positiven Potential befindet, und schließlich mit einer Absaugelektrode, die gegenüber der Anode auf stark negativem Potential liegt, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Anode (11) und der Absaugelektrode (15) noch eine auf dem gleichen Potential wie die Anode befindliche Steuerelektrode (12) liegt.

2. Ionenquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerelektrode (12) eine konische Form besitzt und in eine konische Ausnehmung der Anode (11) hineinreicht.

3. Ionenquelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Raum zwischen der Anode (11) und der Steuerelektrode (12) über eine in der Steuerelektrode angebrachte Öffnung (18) evakuiert wird.

4. Ionenquelle mit einem Glühdraht, der innerhalb einer an ihrer Stirnfläche mit einer engen Öffnung versehenen Zwischenelektrode liegt, die sich gegenüber diesem Glühdraht auf einem positiven Potential befindet, ferner mit einer Anode, die sich gegenüber der Zwischenelektrode auf einem positiven Potential befindet, und schließlich mit einer Absaugelektrode, die gegenüber der Anode auf stark negativem Potential liegt, dadurch gekennzeichnet, daß sich an der Anode (11) ein in der Ionenflugrichtung erstreckender zylindrischer Ansatz (35) befindet und daß gegebenenfalls innerhalb dieses zylindrischen Ansatzes eine als Gitter (37) ausgebildete Steuerelektrode vorhanden ist.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Auslegeschriften Nr. 1001429,
671, 1059 581;

französische Patentschrift Nr. 1262136;
Zeitschrift für Physik, Bd. 152, 1958, S. 169;
Nukleonik, Bd. 1, 1959, H.

5, S. 183 bis 188;
L'Onde Electrique, Bd. 35,1955, S. 1064 bis 1068; Nuclear Instruments and Methods, Vol. 11, 1961, ;. 179 bis 184; Vol. 10, 1961, S. 263 bis 271.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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