CN100369529C - 离子加速器系统 - Google Patents

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Abstract

一种离子加速器系统，具有特殊磁场结构，其具有主要沿纵向交替和横向行进的磁力线。本发明提出了一种电离室的几何形状，它具有可以与磁力线行进适配的非圆柱形室壁。

Description

离子加速器系统
技术领域
本发明涉及离子加速器系统。
背景技术
离子加速器系统用于，例如，表面处理，尤其是半导体技术中，或者用于驱动空间导弹。离子一般从中性工作气体中产生，由于考虑激励效果，离子特别地由惰性气体产生，并被加速。更具体地，有两条构造原则证明有助于产生和加速离子。
在栅格(lattice)加速器的情形中，带正电荷的离子是由等离子体产生，其做法是采用一种栅格(grid)系统，在其中，与等离子体室相接的第一栅格处于阳极电位，而偏离离子束引出方向的第二栅格处于更负的阴极电位。例如，从美国专利3,613,370可以了解这种系统。由于空间电荷效应，这种加速器系统局限于产生低密度的离子流。
另一种构造形式提供了一个等离子体室，一方面有一个穿过该等离子体室的电场沿着离子束引出开口的方向加速带正电荷的离子，另一方面有一个穿过该等离子体室的磁场来引导电子，而电子使中性的工作气体电离。特别，加速器系统具有一个环形的等离子体室，在该室中，磁场主要沿径向，而电子在电场和磁场的影响下在一个闭合的漂移路径上移动，使用这种在闭合漂移路径上的电场和磁场已经有相当长的时间了。例如，从美国专利5,847,493可以知道这种加速器装置。
在等离子体室具有电场和磁场的新型离子加速器的情形中，磁场显示出一种特殊的磁力线行进结构，在第二类纵向段中，它具有主要与纵向平行行进的磁力线，而在第一类纵向段中，它具有主要与纵向垂直(特别是沿径向)行进的磁力线，特别是，该磁场也显示出一种称之为波峰(cusp)行进的磁力线。该系统最好以多级的形式来构造，相互交替地设置第一类的和第二类的纵向段。例如，从德国专利10014033A1或19828704A1可以了解这种离子加速器系统。在从德国专利10130464A1得知的等离子体加速器系统的情形中，在其内壁中设置着沿径向向内突出的电极。
日本专利61066868A示出了一种高频(HF)离子发生器，它具有设置在等离子体室的侧壁上的激励线圈。永久磁铁装置产生磁场，它具有在线圈绕组周围弯曲的磁力线，以使等离子体远离线圈绕组。美国专利6,060,836A描述了一种等离子体发生器，它具有沿轴向突入等离子体室的中空导体，向其提供磁控管的HF功率，并且其内导体在突入等离子体室中的端部之处带有永久磁铁装置。
发明内容
本发明基于进一步提高离子加速器系统的有效性程度的任务。
在权利要求1中描述了本发明。从属权利要求包含了本发明的有利的实施例及其进一步的设计。
本发明从由德国专利10014033A1得知的磁场结构出发，在系统的纵向，在电离(或等离子体)室中，该磁场结构在第二类段中具有主要平行于纵向的磁场方向，而在第一类段中，该磁场结构则具有比较强的场分量，特别是主要垂直于纵向的磁场分量。磁场连续地并且单调地从第一类段切换至与其相邻的第二类段，反之亦然，由此相邻的第一类段和第二类段能够沿着纵向隔开一段距离或者直接互相相邻。离子加速器系统的纵向基本上与被加速离子的平均运动方向(即电离室的对称轴)一致。
与壁之间具有恒定距离、并且同时工作气体集中于相向的壁表面之间的中心的实施例相比，通过在第二类纵向段中减小相互面对面竖立、与限定电离室的壁的纵向垂直的壁表面之间的距离，来减小在此段中的工作气体的可用体积。
其结果令人惊讶地显示，该系统的总有效性程度(它特别包括电离的有效性程度和电气的有效性程度)明显增加。
较佳的是，与邻接的第一类纵向段的壁之间的距离(不仅相对于相互之间，还相对于至中心线或中心表面，特别是至平行于纵向的中心线或中心表面的距离)相比，减小了第二类段中的相向的壁表面之间的距离。
在第二类纵向段中的壁之间的最小距离比在相邻的第一类段中的壁之间的最大距离至少小15％，较佳的是至少小20％，最好是至少小25％。如果在第二类段中，相向的壁表面的至少一个表面，最好两个表面朝着电离室偏离，特别是以具有连续地沿纵向延伸的壁表面的弯曲形式(最好是单调弯曲的形式)，是有利的。
相互面对面竖立的壁表面可以由电介质材料以绝缘的方式，或者以金属或部分金属的形式组成，特别是以这样的方式组成，在第二类段中呈现金属壁表面，其表面形成了处于固定或变化电位的中间电极，并且由绝缘壁段沿着纵向定出界限，而在第一类段中的壁表面是电绝缘的。
如果以多级形式按等离子体室的纵向轮廓线来构造离子加速器系统，则是有利的。其做法是，数个第一类段相互跟随，与数个第二类段交替，较佳的是，在被第一类段隔开的第二类段中的纵向分量交替地相反；因此当通过第一类段时磁场的纵向分量改变方向。实际上从所述的背景技术可以知道这种多级磁场结构。本发明的要点是能够在仅仅一个、数个或所有的第二类段中呈现减小壁之间的距离。如果相对于相邻的第一类段，减小壁之间的距离在数个或所有的第二类段中呈现，则相对减少的定量程度也能逐段改变。较佳的是，至少在与阳极相邻的第二类段中呈现壁之间的距离沿纵向的减小，和/或如果有在数段中的定量变化，则在此段中减小得最厉害。
最好把阳极安排在沿纵向的、与引出开口面对面的电离室的端部。最好把阴极配置为初始电子源，初始电子从它通过离子引出开口被引入等离子体室，和/或电子用于中和从电离室引出的离子或等离子体束，并且最好把它安排在电离室的外面，横向偏离引出开口。
按照本发明的离子加速器系统能够用来发出带正电的离子束以及，特别是在驱动空间运载工具的首选使用中，发出中性的等离子体束。在另一种使用中，能够特别地用被加速的离子来处理固体表面以及接近表面的层。
附图说明
下面将使用较佳的例示的实施例参照附图详细说明本发明。这些附图示出：
图1是本发明的电离室中的磁力线行进的示意图；
图2是本发明的多级磁场结构系统示意图。
具体实施方式
图1所示的系统示意性地显示了本发明所假定的电离室IK中的磁力线行进情况。假定电离室是环形的，具有关于位于系统的纵向LR的中心纵轴SA的旋转对称性。径向地位于内侧的磁铁装置MGi和径向地位于外侧的磁铁装置MGe在电离室IK中产生磁场，该磁场具有至少一个第一类纵向段MA1N和至少一个与前者相邻的第二类纵向段MA2N。较佳的是，磁场具有数个第一类的和第二类的纵向段，它们如在图2所示的例子中那样沿纵向相互交替地相随，并且如在图1中由附加的纵向段MA2N+1指出的那样。
在第二类纵向段MA2N中，其磁场显示出主要平行于纵轴SA的磁场分量，而在第一类纵向段MA1N中，磁场具有较大的径向分量，即，磁场分量指向与纵轴垂直磁场。在例子中，如此选择第一类纵向段MA1N，从而径向磁场分量明显地占优。能够确定第一类和第二类纵向段，以直接地相互跟随，但在所示的例子中，为了清楚地用在段MA2N中占优的纵向分量和在纵向段MA1N中占优的径向分量来区分它们，用了一个过渡段来隔开它们(图中未详细指明)。在第二类纵向段MA2N中，磁通的数量从室的侧壁向中心减小，此情形正如在第一类纵向段中，在室壁处的磁通要比在相向的壁表面之间的中心处的磁通大。例如，从DE10014033A1，迄今为止描述的磁场结构实际上以产生这种磁场结构的磁铁装置而闻名。在图1中的磁场的场分布应理解为仅仅是示意性的，而非定量的。
本发明的实质是，在第二类纵向段MA2N区域中相互面对面竖立的壁表面WF2iN WF2eN之间与纵轴SA垂直的径向距离小于在第一类纵向段MA1N中的壁表面WF1iN和WF1eN之间的径向距离。因此，与第一类纵向段MA1N相比，电离室的净径向宽度在第二类纵向段MA2N中减小。较佳的是，与沿纵轴的相邻的壁表面WF1iN和WF1eN相比，在纵向段MA2N区域中相互面对面竖立的两个壁表面WF2iN WF2eN朝着电离室的中心径向地位移。与在第一类的和第二类的段中具有相同的壁间径向距离的室的几何形状相比，因此在段MA2N中的径向内区(该处有较高的电子密度)受迫地发生工作气体尤其是未电离的原子的集中，由于磁通较低，故呈现较大的电离可能性。
在每个场合，壁表面沿纵向的行进可以平行于纵轴SA，以台阶或斜坡作为过渡.然而，较佳的是，至少在第二类纵向段MA2N中，行进不与纵轴SA平行，该行进较佳地近似在此纵向段中的磁力线之行进以及平行于SA的壁行进。特别，壁表面WF2iN和/或WF2eN能够朝电离室的径向中心弯曲，其最小的壁距离是D2L，该距离沿纵向朝着相邻的第一类段MA1N增加。特别，壁表面WF2iN和/或WF2eN的行进能够单调弯曲，或者能够接近这样一种形状，例如由数个直的轮廓线部分构成的形状。
在相应的方式中，壁表面WF1iN和/或WFG1eN沿纵向能够具有直的或弯曲的轮廓线，由此在这些表面的情形中，为了简化制造起见，平行于纵轴的直的轮廓线是典型的并且一般是有利的。
在第二类纵向段中的壁之间的径向距离，即，在壁轮廓线不平行于SA的情形中，那里的最小径向壁距离D2L比相邻的第一类的壁之间的距离较佳的是至少小15％，较佳的是至少小20％，最好是至少小25％，即，在轮廓线不平行于SA的情形中，对于那里的最大的壁距离D1M，分别有D2L≤0.85DIM或0.8D1M或0.75D1M。
室壁的壁表面可以由电绝缘材料，或者由导电材料，或者一部分由导电材料(特别是不能被磁化的金属)组成。在较佳实施例中，壁表面WF2iN、WF2eN是金属的，而壁表面WF1iN、WF1eN是绝缘的。于是金属壁表面可以作为电极装置的部件构成处于在阳极电位和阴极电位之间的中间电位的中间电极，由此能够预先确定中间电位，或者，在绝缘的不接触的中间电极的情形中，能够对它们在工作中以变化的方式进行调节。特别，在金属壁表面WF2iN、WF2eN的情形中也能如此，只要把金属电极设置在基本上是圆柱形的绝缘的室套筒(sleeve)之上或其中，并且固定在那里，或者用它们的从室套筒移开并且朝向电离室以及对面的壁表面的表面分别形成壁表面WF2iN和WF2eN。
图2示出沿纵向的多级安排，其中数个第一类和第二类纵向段实际上以已知的方式(例如来自DE 10014033A1的方式)沿纵向交替地相互跟随，由此在两个第二类纵向段(图1中的MA2N、MA2N+1)中呈现出磁场的相反纵向分量，这两个第二类纵向段与位于它们中间第一类纵向段(图1中的MA1N)相邻。虽然在图1中给出了关于中心纵轴SA对称的环形的电离室的几何形状以及内磁铁装置和外磁铁装置Mgi、Mge，但图2基于一种较佳的电离室室几何形状，它具有简单地结合在一起的电离室IKZ(它含有中心纵轴SAZ)的横截面表面，特别，该电离室可以基本上具有关于中心纵轴SAZ(它与纵向平行)的旋转对称性。在此情形中，又以已知的方式组成磁铁装置，它仅仅包括围绕室套筒的外磁铁装置MG。
于是相互面对面竖立的两个壁表面属于同一个室壁，该室壁关于中心纵轴SAZ闭合，并且在边上围绕电离室。电离室呈现一个束引出开口，从该开口引出通常略有发散的离子束或者等离子体束PB，其平均离子移动沿纵向LR。在电离室外部有作为电极装置一部分的阴极KA，它在引出开口AU处，并且相对于该引出开口横向偏离，该阴极处于阴极电位并且发射电子。由电极装置的电场把这些电子的一部分IE导入电离室，并且它们在那里用来以已知的方式电离工作气体，以及还产生次级电子。由阴极发射的电子的另一部分NE可以用来中和带正电的粒子流PB。
在另一个有利的实施例中，不提供外部电子源来产生初级电子用来电离气体和/或中和具有过剩正电荷的等离子体束。于是特别地能够用围绕着电离室引出开口并且处于阴极电位的外壳部分来提供阴极。
作为电极装置的一部分，把阳极AO设置在沿纵向LR与引出开口面对面的电离室的端部，并且处于阳极电位。对于用于驱动目的的中性气体，最好将诸如氙(Xe)等较重的惰性气体引入电离室，为此，在图中，在阳极一侧加入了中心馈线。以阴影线画出了在电离室中由电子和正的气体离子组成的等离子体的典型分布。
磁铁装置在电离室IKZ中形成磁场，该磁场具有第一类纵向段MA11、MA12和第二类纵向段MA21、MA22、MA23，它们沿纵向交替地相互跟随。让我们设想，如图所示，相向的壁表面之间的距离(在此情形中，它等于电离室的直径)相等，并且在所有的第一类纵向段中以及在可能有的任何过渡段中等于DZ。
在所示的例子中，为了提供较好的说明，图中示出了第二类纵向段MA21、MA22、MA23的几种构造变形。在纵向段MA21中，用环状凸的弯曲部分(具有壁表面WF21)围绕中心纵轴，使电离室变窄至最小直径D21L。让我们设想壁表面WF21是电绝缘的。在纵向段MA22中，电离室的直径减小到值D22L，由此，与第一级相比，可以计及自第二级中的任何等离子体的膨胀，这是由于D22L的尺寸比D21L大，因而壁损耗(它对电的有效性程度产生负面影响)可以保持较低。让在此距离处变窄的壁表面WF22或者整个直径是金属的，并且形成处于固定中间电位的第一中间电极A1。最后，在纵向段MA23中，提供具有较薄径向厚度的电极A2，与DZ相比，它在此段中一点也不缩小或者只是可以忽略地缩小直径D23L，并且设想它在工作中以不接触的变化方式处于中间电位。在电极装置沿纵向的划分中，它可以偏离第一类的和第二类的纵向段的磁场的划分。
在上面和在权利要求书中指出的(从附图也是很显然的)特征可以有利地单独实施或以各种组合的方式实施。发明不限于已经描述的实施例，而是能够在熟悉本领域的人员的能力范围内以许多不同的方式更改。特别，在第二类纵向段中的壁表面能够以不同的其他方式形成，因此，就此而论，可以是绝缘的、导电的、或者仅在部分的区域中是导电的。各个纵向段的尺寸和/或中间电极的尺寸可以逐级改变。已知离子加速器的特征可以与本发明的本质的特征相组合。电离室的截面也可以偏离于具有旋转对称性的形状，而能够设想一种伸长的形状。

Claims (8)

1.一种离子加速器系统，具有一电离室、一电极装置和一磁铁装置，其中：
该电离室具有一沿纵向的离子引出开口，并且该电离室由至少一个与纵向交叉的侧壁划定界限，其通过引入开口将工作气体引入电离室，该引入开口与引出开口相隔一段距离，
该电极装置包含至少一个阴极和一个阳极，并且产生用于沿引出开口的方向加速带正电荷的工作气体离子的电场，
该磁铁装置位于电离室中，其产生一磁场，该磁场沿纵向具有至少一个第二类纵向段和一个相邻的第一类纵向段，该第二类纵向段具有基本上与纵向平行的磁场方向，而该第一类纵向段则具有与纵向垂直的较高比例的磁场分量，
在第二类纵向段中面对面竖立的壁表面之间的壁距离小于在第一类纵向段中面对面竖立的壁表面之间的壁距离，
其特征在于，在第二类纵向段中的壁的轮廓线具有沿纵向朝电离室的单调弯曲的曲率。
2.按照权利要求1所述的系统，其特征在于，在第二类纵向段的壁之间的最小距离比第一类纵向段的壁之间的最大距离至少小15％。
3.按照权利要求1或2所述的系统，其特征在于，第一类纵向段和第二类纵向段交替地相互跟随。
4.按照权利要求1所述的系统，其特征在于，在第一类纵向段发生方向相反的磁场纵向分量。
5.按照权利要求1所述的系统，其特征在于，在第二类纵向段中，该电离室室壁至少部分地由一中间电极构成。
6.按照权利要求1所述的系统，其特征在于，该阳极沿纵向设置在电离室的面对引出开口的端部。
7.按照权利要求1所述的系统，其特征在于，该阴极配置为初级电子源，并且设置在电离室的外部，横向偏离引出开口。
8.按照权利要求1所述的系统，其特征在于，没有提供外部电子源作为中和剂或初级电子源。
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