DE2913769C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Ionenquelle mit einer zylindri­ schen Kammer mit einem darin ausgebildeten Längsaustritts­ schlitz und zwei parallelen Anodendrähten nach dem Oberbe­ griff des Anspruches 1.

Eine derartige Ionenquelle mit einer zylindrischen Kammer ist aus der US-PS 37 84 858 bekannt. Bei dieser bekannten Ionen­ quelle ist ebenfalls in der zylindrischen Kammer ein Längs­ austrittsschlitz ausgebildet und im Inneren der Kammer sind zwei parallele Anodendrähte angeordnet, die sich in dem mitt­ leren Bereich der zylindrischen Kammer über deren Länge er­ strecken und symmetrisch bezüglich der Längsachse der Kammer und des Austrittsschlitzes angeordnet sind. Gemäß einer Aus­ führungsform dieser bekannten Konstruktion kann die Länge des Austrittsschlitzes kleiner ausgeführt sein als die Länge der zylindrischen Kammer.

Eine derartige Ionenquelle erzeugt einen Ionenstrahl, der von den Anodendrähten abgehend radial zu dem Austritts­ schlitz hin verläuft. Der vorhandene Austrittsschlitz führt jedoch zu Verzerrungen des elektrischen Feldes, insbesonde­ re in der Nähe des äußeren Grenzbereiches der Kammer und verursacht dadurch Abweichungen des Ionenstrahlverlaufs, wenn diese durch den Austrittsschlitz hindurch treten. Der­ artige Verzerrungen der Ionenbahn treten insbesondere an den Endbereichen des Austrittsschlitzes auf, was zu einem unerwünschten Effekt führt. Feldstörungen an diesen Berei­ chen bewirken nämlich, daß die Ionen solche Ionen mit Ge­ schwindigkeitskomponenten aufweisen, welche parallel zum Schlitz verlaufen. Die Enden des Ionenstrahls können daher diffus verlaufen und ferner kann auch die Ionendichte ent­ lang dem Ionenstrahl sehr verschieden sein. Der Ausgleich dieser Effekte mit Hilfe von externen Elektroden ist äu­ ßerst schwierig. Selbst wenn ein Versuch gemacht wird, einen unendlich langen Schlitz zu imitieren, indem man bei­ spielsweise den Schlitz über den Bereich hinaus verlängert, in welchem von den Anodendrähten Ionen erzeugt werden, führt dies dazu, daß sich verlängerte Endbereiche oder End­ strahlen im Ionenstrahl ergeben. Obwohl diese Erscheinungen extern abgeschirmt werden können, stellen sie doch eine er­ hebliche Störung dar, insbesondere auch dann, wenn ein wei­ teres Beschleunigungsfeld zur Anwendung gelangt.

Aus J. Phys. D., Appl. Phys., Vol. 3, Nr. 9, 1970, Seiten 1399 bis 1402, ist eine ähnlich aufgebaute Ionenquelle mit einer zylindrischen Kammer und zwei sich zentral in Längs­ richtung der Kammer erstreckender Anodendrähte bekannt.

Aus Japanese J. Appl. Phys. Suppl. Vol. 2, PT. 1, 1974, Seiten 411 bis 414, ist eine weitere Ionenquelle mit einer zylindrischen Kammer bekannt, wobei jedoch in der Kammer an der Zylinderwand eine kreisförmige Austrittsöffnung ausge­ bildet ist. Diese kreisförmige Austrittsöffnung besitzt eine dickere Wandstärke als vergleichsweise die Wandstärke der zylindrischen Kammer und ist daher kaminartig gestal­ tet. Im Abstand von dieser kreisförmigen Öffnung ist eine Be­ schleunigungselektrode angeordnet. Mit dieser kaminartigen Kon­ struktion wird versucht, daß die Äquipotentiallinien durch die Austrittsöffnung sich nicht nach außen ausbeulen und zu Ablen­ kungen der aus der Öffnung austretenden Elektronen führen.

Die Zonenverteilung im Zonenstrahlquerschnitt wird bei dieser bekannten Konstruktion wesentlich durch die Sammeleigenschaf­ ten der langen kaminartigen Austrittsöffnung bestimmt.

Aus der US-PS 34 84 602 ist eine Ionenquelle mit einer zylind­ rischen Kammer bekannt, in der zwei parallele Anodendrähte in Längsrichtung verlaufen.

Bei dieser bekannten Konstruktion werden Ionen auch durch Zer­ stäuben des Materials der Kammerwand erzeugt.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht darin, eine Ionenquelle mit einer zylindrischen Kammer der angegebenen Gattung derart zu verbessern, daß bei einfacher Konstruktion ein exakt ausgerichteter Ionenstrahl mit gleichmäßiger Inten­ sitätsverteilung über die Länge des Austrittsschlitzes hinweg erzeugt werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Kennzeich­ nungsteil des Anspruches 1 aufgeführten Merkmale gelöst.

Erfindungsgemäß wird der von einem elektrischen Feld freie Bereich auf der Grundlage einer Wechselwirkung des im Inne­ ren der zylindrischen Kammer wirkenden elektrischen Feldes, durch welches die Ionenerzeugung bewirkt wird, und dem exter­ nen elektrischen Feld realisiert, welches zur Ionenbeschleu­ nigung dient. Als Ergebnis der sich dabei einstellenden Rand­ effekte verlaufen die beiden Felder durch den Austrittsschlitz der Kammer hindurch, und zwar in entgegengesetztem Sinn. Es entsteht daher im Schlitzbereich ein im wesentlichen vom elektrischen Feld freier Bereich. Durch geeignete Wahl der Wanddicke der Wand der Ionenkammer kann erreicht werden, daß dieser feldfreie Bereich innerhalb der Dicke des freiliegen­ den Teiles der Ionenkammer an Stellen auftritt, die den Enden des Austrittsschlitzes entsprechen.

Besonders vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen 2 bis 9.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbei­ spielen unter Hinweis auf die Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine herkömmliche Ionen­ quelle mit Zweifachelektrode, die gewünschte Form des Ionenstrahls und die Form, wie sie tatsächlich von der Quelle emittiert wird;

Fig. 2 einen Längsschnitt durch eine Ionenquelle mit Merkmalen nach der Erfindung und die Form des von der Quelle ge­ schaffenen Ionenstrahls;

Fig. 3 Längs- und Querschnittsdarstellungen einer Ionen­ quelle mit Merkmalen nach der Erfindung, bei welcher eine äußere Beschleunigungselektrode verwendet ist;

Fig. 4 einen Längsschnitt durch eine andere Ionenquelle mit Merkmalen nach der Erfindung; und

Fig. 5 einen Längsschnitt einer abgewandelten Form der Ionenquelle der Fig. 4.

In Fig. 1 weist eine herkömmliche Ionenquelle mit einer Zwei­ fachelektrode eine zylindrische Kammer 1 auf, die durch ein Metallrohr 2 mit in dieses eingesetzten isolierenden Endteile 3 gebildet ist. Zwei Anodendrähte 4, von denen nur einer dargestellt ist, werden von den isolierenden End­ teilen 3 getragen und sind symmetrisch bezüglich der Längs­ achse der Kammer 1 und eines Austrittsschlitzes 5 angeordnet, dessen axiale Länge die nominelle Breite eines Strahles von durch die Quelle erzeugten Ionen 6 festlegt.

Eine Kurve der geforderten Dichteverteilung in dem Ionen­ strahl 6 ist unter der Abbildung der Ionenquelle dargestellt, und eine Kurve der tatsächlich geschaffenen Ionendichtever­ teilung ist unter der Kurve für die gewünschte Ionendichte­ verteilung dargestellt. Die vorher erwähnte Wirkung an den Enden des Austrittsschlitzes 5 tritt dabei deutlich hervor.

In Fig. 2 ist eine Ionenquelle mit Zweifachanode mit Merkmalen nach der Erfindung dargestellt. Die Quelle weist eine Kammer 31 aus einem rostfreien Rohr 32 auf, in dessen Enden isolieren­ de Endteile 33 eingepaßt sind, welche zwei mittlere Anodendrähte 34 wie in einer herkömmlichen Ionen­ quelle mit Zweifachanode tragen. Das Rohr 32 ist etwa 12,5 cm lang, hat einen Innendurchmesser von 5 cm und eine Wanddicke von etwa 3 mm. Ein 3 mm breiter Schlitz 35 erstreckt sich über die Länge des Rohrs 32. An jedem Ende des Rohrs 32 ist ein Ring 36 aus rostfreiem Stahl vorgesehen, der eine Dicke von 0,38 mm hat und sich in axialer Richtung ein Stück erstreckt, das gleich dem Innenradius der Kammer 31 ist. Die Ringe 36 und der Schlitz 35 legen einen Austrittsschlitz 37 fest. Die angegebenen Abmessungen stellen sicher, daß die Enden der durch die Ringe 36 gebildeten Masken sich in dem feldfreien Bereich befinden, wenn die Quelle in Betrieb ist. Die Enden des Rohrs 32 sind hinterdreht bzw. ausgespart, um die Ringe 36 aufzunehmen, so daß der Außendurchmesser des Rohrs 32 über die ganze Länge der Quelle derselbe ist.

Die äußere Beschleunigungselektrode ist hierbei nicht dargestellt.

Die Ionenverteilung des von der Quelle erzeugten Ionenstrahls ist ebenfalls in Fig. 2 dargestellt. Dieser Kurve ist zu ent­ nehmen, daß eine beträchtliche Verbesserung erreicht worden ist.

Wenn eine solche Ionenquelle, wie sie beschrieben worden ist, bei einem System mit koaxialen, zylindrischen Beschleunigungs­ elektroden verwendet wird, dann geht das elektrische Feld zumindest infolge der am nächsten liegenden Beschleunigungs­ elektrode durch den Austrittsschlitz 37 der Ionenquelle hin­ durch. Das elektrische Feld wird infolge der Beschleunigungs­ elektrode viel größer als in der Kammer 31 infolge der Zweifach-Anodendrähte 34.

In Fig. 3 sind zwei Ansichten einer Ionenquelle mit Merkmalen nach der Erfindung mit äußeren Beschleunigungselektroden dargestellt. Die Wanddicke der Kammer 31 ist auf eine solche Dicke vergrößert, daß es einen feldfreien Bereich etwa auf halbem Weg d. h. etwa in der Mitte der Wand der Kammer 31 gibt, und die Masken 36 sind, wie vorher, in diesem Bereich angeordnet. Hierbei ist es am zweckmäßigsten und sehr vorteilhaft, eine Quelle zu nehmen, wie sie beispielsweise anhand von Fig. 2 beschrieben worden ist, und sie in ein eng anliegendes Außen­ rohr 41 entsprechender Dicke einzusetzen, das einen Schlitz 42 hat, welcher entsprechend übereinstimmend mit dem Schlitz 37 der Quelle angeordnet ist. Der Schlitz 42 kann län­ ger gemacht werden als der Austrittsschlitz 37.

Eine vorteilhafte fokussierende Wirkung auf den Ionenstrahl kann erreicht werden, wenn die Breite des Schlitzes 42 größer als die des Schlitzes 37 gemacht wird. Um sicherzu­ stellen, daß der Zwischenraumbereich am äußeren Rand des Schlitzes 37 verhältnismäßig feldfrei ist, sollte die Breite des Schlitzes 42 nicht größer als etwa die zweifache Wand­ stärke des Außenrohrs 41 sein.

Bei der Anwendung und während des Betriebs gibt die Ionen­ quelle mit Zweifachanode zwei innere Ionenstrahlen ab. Einer von diesen verläuft auf den Austrittsschlitz 37 zu und durch diesen hindurch. Der andere verläuft in der diametral ent­ gegengesetzten Richtung und trifft auf die Innenwand des Rohrs 32 auf, wo er Wärme erzeugt und das Material des Rohrs 32 angreift. Außerdem greift der austretende Ionen­ strahl die Kanten des Austrittsschlitzes 37 an. In Fig. 4 ist eine Ionenquelle mit Merkmalen nach der Erfindung dargestellt, in welcher eine lose, abnehmbare Auskleidung 51 vorgesehen ist, welche ohne weiteres ausgewechselt werden kann, wenn sie durch den Betrieb beschädigt wird. Die Auskleidung 51 kann aus demselben Material wie das Rohr 32 hergestellt sein, das die Wand der Kammer 31 bildet, oder es kann aus einem Material hergestellt sein, das wegen seiner besonderen Eigenschaften ausgesucht ist. Beispielsweise kann es wider­ standsfähiger gegenüber einer Abnutzung sein als das Material, aus welchem das Rohr 32 hergestellt ist, oder kann aus einem Material hergestellt sein, das durch die Ionen zer­ stäubt wird, die auf ihm auftreffen, um Ionen dieses Materials in dem von der Quelle abgegebenen Ionenstrahl zu erzeugen. Auch kann es aus einem Material hergestellt sein, das nor­ malerweise fest ist, aber einen entsprechenden Dampfdruck bei den Temperaturen hat, die während des Betriebs von der Quelle erreicht worden sind, wodurch wieder Ionen des Ma­ terials in dem von der Quelle erzeugten Ionenstrahl erzeugt werden. Die in Fig. 4 dargestellte Auskleidung 51 kann auf diese Weise wirken. Um sicherzustellen, daß die Aus­ kleidung 51 die geforderte Temperatur erreicht, ist ihre Dicke über den Hauptteil ihrer Länge verringert, so daß der thermische Kontakt zwischen der Auskleidung 51 und der Wand des Rohrs 32 geringer ist.

In Fig. 5 ist eine Abwandlung einer Ionenquelle der Fig. 4 dargestellt, in welcher die Auskleidung 51 verdickte, ein Feld festlegende Endplatten 61 hat. Hierbei sind Hohlräume 62 in die Endplatten 61 gebohrt, um ein bestimmtes zu ver­ dampfendes Material auf der Temperatur zu halten, auf welcher die Quelle arbeitet.

Claims (9)

1. Ionenquelle mit einer zylindrischen Kammer mit einem darin ausgebildeten Längsaustrittsschlitz und zwei paralle­ len Anodendrähten, die sich in dem mittleren Bereich der Kammer über deren Länge erstrecken und symmetrisch bezüg­ lich der Längsachse der Kammer und des Austrittsschlitzes angeordnet sind, wobei die Länge des Austrittsschlitzes kleiner ist als die Länge der zylindrischen Kammer, dadurch gekennzeichnet, daß

• a) eine koaxiale äußere Beschleunigungselektrode vorgesehen ist,
• b) die Dicke der Wand (32, 41) der Kammer (31) so bemessen ist, daß ein im wesentlichen von einem elektrischen Feld freier Bereich im Austrittsschlitz (37) über die Dicke der Wand (32, 41) der Kammer (31) erzeugt wird, und
• c) an jedem Ende des Austrittsschlitzes (37) in dem feld­ freien Bereich eine Maske (36) mit einer im Vergleich zur Kammerwandstärke dünnen Wandstärke angeordnet ist, wobei der Abstand der inneren Enden der Masken (36) die Breite des von der Quelle emittierten Ionenstrahls fest­ legt.

2. Ionenquelle nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Querschnitt des Austritts­ schlitzes (37) abgestuft ausgebildet ist, wobei der brei­ tere Teil (42) des Schlitzes (37) an der Außenseite der Wand (32, 41) der Kammer (31) liegt, und daß die Breite des breiteren Teils (42) des Austrittsschlitzes (37) nicht wesentlich größer ist als die radiale Tiefe des äußeren Teils (42) des Austrittsschlitzes (37).

3. Ionenquelle nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der breitere Teil (42) des Aus­ trittsschlitzes (37) eine Breite von der zweifachen radia­ len Tiefe dieses Teils des Austrittsschlitzes (37) hat.

4. Ionenquelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Wand (32, 41) der Kammer (31) aus einem äußeren Zylinderteil (41) und einem inneren Zylinderteil (32) hergestellt ist, und daß die Masken (36) zwischen den inneren und äußeren Zylinder­ teilen (32, 41) angeordnet sind.

5. Ionenquelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Ausklei­ dung (51) vorgesehen ist, welche auswechselbar ist, damit irgendeine Abnutzung oder ein Verschleiß während des Be­ triebs ausgeglichen und korrigiert werden kann.

6. Ionenquelle nach Anspruch 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zumindest ein Teil der Auskleidung (51) aus einem Material hergestellt ist, dessen Ionen von der Quelle erzeugt werden.

7. Ionenquelle nach Anspruch 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Ionen durch die Verdampfung oder Zerstäubung des Materials erzeugt werden.

8. Ionenquelle nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Auskleidung (51) Endstücke (61) aufweist, die radial nach innen vorstehen und welche das elektrische Feld in der Kammer (31) der Ionenquelle festlegen.

9. Ionenquelle nach Anspruch 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Endstücke (61) angepaßt (62) sind, um ein Material zu umschließen, dessen Ionen von der Quelle erzeugt werden.