DE10010706A1

DE10010706A1 - Hohlkathoden-Sputter-Ionenquelle zur Erzeugung von Ionenstrahlen hoher Intensität

Info

Publication number: DE10010706A1
Application number: DE2000110706
Authority: DE
Inventors: Michael Mueller
Original assignee: GSI Gesellschaft fuer Schwerionenforschung mbH
Current assignee: GSI Helmholtzzentrum fuer Schwerionenforschung GmbH
Priority date: 2000-03-04
Filing date: 2000-03-04
Publication date: 2001-09-13
Anticipated expiration: 2020-03-05
Also published as: AU2001237357A1; DE10010706C2; EP1261982A1; WO2001067482A1

Abstract

Die Sputter-Hohlkathoden Geometrie ist besonders für die Ökonomie und die Langzeitkonstanz des Ionenquellenbetriebs von Vorteil. Die gesputterten neutralen Teilchen gelangen in das Plasma und werden dort durch schnelle Elektronen ionisiert und können nun, ebenfalls im Kathodenfall beschleunigt, entweder die Elektrode durch das Emissionsfenster verlassen oder durch "Selfsputtering" oder auch durch "Sticking" an der Kanalwand den Ionenproduktionsprozess unterstützen. Nicht ionisierte neutrale Teilchen treffen ebenfalls auf die Innenwand der Elektrode und sind somit weiter im Produktionsprozess präsent. Dies stellt einen ökonomischen Vorteil dar gegenüber der herkömmlichen Sputter-Penningquelle, in welcher die meisten Teilchen, welche nicht als Ionen extrahiert werden, für weitere Ionenerzeugung verloren sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Ionenquelle zur Erzeugung von Ionen strahlen hoher Intensität und mittlerer Ladung bei Strahlspan nungen um 25 kV. Die Ionenerzeugung erfolgt durch Sputtering des jeweiligen Materials, vorzugsweise Metalle, mit Hilfe des Plas mas einer Penning-Entladung (Penning or Philips Ionization Va cuum Gauge, PIG).

Zum Betrieb der Penning-Entladung werden Edelgase verwendet; für höhere Ladungszustände ist Neon günstig aber auch schwerere Edelgase finden Anwendung.

In Penning-Ionenquellen werden mehrfach geladene Ionen erzeugt; sie dienen u. a. als interne Ionenquellen für Zyklotrone und als leistungsfähige Ionenquellen für lineare Schwerionen-Beschleuni ger, z. B. UNILAC, GSI-Darmstadt¹⁾.

Bekannt sind Ionenquellen, welche die Verdampfung der Materia lien zur Erzeugung freier Teilchen benutzen (siehe ¹⁾, S 331 ff) Damit werden Ionenstrahlen mit geringer Energiestreuung der Strahlteilchen erzeugt. Ein Beispiel ist die Oberflächenionen quelle für Cäsium-Ionen-Strahlen mit thermischer Energievertei lung, da hier wegen der geringen Bindung des Leuchtelektrons und der Wechselwirkung mit dem Trägermaterial Wolfram direkt positiv geladene Cs-Ionen abgedampft werden. Verdampfungsionenquellen sind für eine große Anzahl von Anwendungen seit dem Beginn der Ionenbeschleunigertechnik hergestellt worden. Antrieb dazu waren spezielle Ausrichtungen in der Zielsetzung, wie Massenspektros kopie, Kernphysik, Implantationstechnik und Oberflächenphysik. Häufig waren große technische Schwierigkeiten, wie sie mit der Beherrschung hoher Temperaturen verbunden sind zu bewältigen.

Die Penning-Entladung findet auf einer Achse parallel zu den Feldlinien eines Magnetfeldes zwischen zwei massiven Kathoden, aus z. B. W, Ta oder Mo, innerhalb einer Hohlanode statt, wobei normalerweise eine der Kathoden zum leichteren Zünden der Entla dung und zur Steigerung der Entladungsstromdichte indirekt durch Elektronenbombardement auf Emissionstemperatur geheizt wird. Der Raum zwischen diesen beiden Kathoden wird von der positiven Säule des Plasmas erfüllt und von der Hohlanode eingeschlossen. Aus der Hohlanode wird der Ionenstrahl über ein schlitzförmiges Fenster extrahiert.

In einer Hochleistungs-Penning-Entladung²⁾, bis 30 kW im Puls, werden auch Ionen des Kathodenmaterials erzeugt. Das ist ein bisweilen unerwünschter aber unvermeidbarer Nebeneffekt bei der für die Entladung lebenswichtigen Sekundärelektronenerzeugung durch das Ionenbombardement der Kathoden, über die beiden Katho denfälle der Entladung. Für die Penning-Quelle sind konstruktive Maßnahmen getroffen, um zu verhindern, dass das gesputterte Ka thodenmaterial in das extrahierbare Aodenplasma gelangt.

Grundsätzlich ist es mit Penning-Ionenquellen möglich auch nied rig geladene Ionen zu erzeugen, jedoch tendiert die Penning-Ent ladung typisch zur Bildung höherer Ladungszustände besonders dann, wenn zur Erzeugung hoher Strahlströme auch hohe Entla dungsleistungen erforderlich werden.

Ionenquellen, bei denen der Sputtereffekt zur Erzeugung freier Teilchen benutzt wird, haben den Vorteil, dass die Erzeugung freier Teilchen praktisch bei Zimmertemperatur unter weitgehen der Umgehung der Metallchemie bei hohen Temperaturen erfolgt. Nachteilig ist die relativ große Energiestreuung der Teilchen im extrahierten Strahl. Ein Beispiel für eine typische Sputterio nenquelle ist die Ionenquelle nach dem Müller-Hortig-Prinzip³⁾. Sie dient zur Erzeugung von Strahlen einfach geladener, negati ver Tonen fast aller Elemente und einer Vielzahl chemischer Mo lekülfragmente, z. B. Anionen, für die Anwendung an Tandern-Van- DeGraaff-Beschleunigern.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, intensive Ionenstrah len von Festkörperelementen besonders von Metallen zu erzeugen und gleichzeitig im Hinblick auf den Materialverbrauch eine bessere Ökonomie als die der Sputter-Penning-Ionenquellen oder Duo pigatron-Ionenquellen⁴⁾ zu erreichen.

Die Aufgabe wird durch eine Hohlkathoden-Sputter-Ionenquelle mit den Merkmalen des Anspruchs 1 (Half-PIG-Geometrie) oder An spruchs 2 (Full-PIG-Geometrie) gelöst.

Der weiterführenden Erläuterung der Ansprüche wird zur Hinfüh rung auf die Vorteile der Hohlkathoden-Sputter-Ionenquelle die Beschreibung des Ionenerzeugungsprozesses vorangestellt. Am Bei spiel der noch zu erläuternden Half-PIG Geometrie werden die physikalischen Zusammenhänge des Entstehungsvorgangs der Ionen dargestellt:

In der Half-PIG Ionenquelle bildet sich zunächst ein Penning- Plasma in der Edelgasathmosphäre. Das Plasma, geführt durch das Magnetfeld, dringt in den axial verlaufenden Kanal in der Anti kathode ein, und es bildet sich eine Grenzschicht zwischen Ka nalwand und Plasma aus. Über dieser Grenzschicht liegt die Po tentialdifferenz des Kathodenfalls, welche ungefähr der Entla dungsspannung entspricht. Mit der im Kathodenfall gewonnenen Energie treffen positive Ionen des Plasmas auf die Kanalwand und setzen dort durch Sputtering u. a. neutrale Atome des Wandmateri als frei. Diese gelangen ungehindert in das Plasma und werden dort durch schnelle Elektronen ionisiert. Die schnellen Elektro nen werden sowohl durch die heiße Kathode der Penning-Entladung als auch durch das Ionenbombardement der Kanalwand erzeugt und in den Kathodenfällen in das Plasma hinein beschleunigt.

Durch den axial stark verlängerten Kanal in der Antikathode ist die Grenzschicht entsprechend groß, etwa die Fläche der Innen wand des Kanals, so dass durch einen Durchbruch in der Kanalwand ausreichend Ionen des Plasmas in den Extraktionsbereich eines außerhalb der Entladungsgeometrie installierten, starken elekt rischen Feldes gelangen, um einen Ionenstrahl zu bilden. Diese Ionen müssen ebenfalls den Kathodenfall passieren und werden da bei aus dem Plasma heraus in Strahlrichtung beschleunigt.

Wie allen Plasma-Ionenquellen gemeinsam, sind höchste Ionenströ me von leichteren Elementen sowie von den Elementen mit hoher Sputterrate und niedrigem Ionisationspotential zu erwarten.

Das Material, aus der die Sputter-Hohlkathode besteht, bzw. de ren Innenwand für den Zweck damit hinreichend beschichtet ist, muß ein festes Material sein und unter Ionenbombardement hinrei chend Sekundärelektronen emittieren können. Die meisten festen Elemente sind Metalle. Jedoch ist auch Kohlenstoff, ein festes Material aber kein Metall. Verwandte Elemente, wie Ni, Cr, Fe, Ti, Mo, usw., zeigen ein relativ einheitliches Verhalten hin sichtlich des Ionenquellenbetriebs und der Ionenausbeute. Blei in elementarer Form ist problematisch, es hat eine hohe Sputter rate, ist aber als Kathodenmaterial offenbar ungeeignet. Unter schiedliche Kristallformationen des gleichen Elements, z. B. Si- Einkristall, können sehr unterschiedliche Sputtereigenschaften haben, die dann die Ionenausbeute begünstigen bzw. herabsetzen.

Bei der Hohlkathoden-Sputter-Ionenquelle werden für die Erzeu gung freier Teilchen und für deren Ionisation ein Penning-Plasma (Anspruch 1) oder zwei Penning Plasmen (Anspruch 2) benutzt. Penning-Plasmen sind dafür wegen ihrer hohen Teilchendichte (< 10¹³/cm³) und wegen der erhöhten Ionisierungswahrscheinlichkeit durch den für Penning-Plasmen charakteristischen Elektronen- Pendel-ffekt besonders gut geeignet. Die Formierung des Ionenstrahls erfolgt durch radiale Extraktion aus einer Kathode, mittels eines senkrecht zur magnetischen Achse bzw Ionenquellenachse gerichteten elektrischen Feldes der Stärke um 100 kV/cm.

Wenn die kalte Kathode, die Antikathode der Penning-Entla dung/en, als solche mit einem zylinderförmigem Hohlraum ausge bildet ist, können durch einen schlitzförmigen, vorzugsweise achsparallelen Durchbruch in der Wand, dem Emissionsspalt, Ionen aus dem im Inneren befindlichen Plasma extrahiert werden. Die Anordnung aus einer heißen Kathode, einer kurzen Anode und einer Antikathode mit zylindrischem Hohlraum hat den fachinternen Ar beitsnamen Half-PIG (halbe Penning oder Philips Ionization Va cuum Gauge, PIG) (Anspruch 1).

Anspruch 2 kennzeichnet grundsätzlich die Anordnung zweier Ka thoden mit jeweils zugeordneten Anoden. Mindestens eine der bei den Kathoden ist beheizt. Zwischen den beiden Anoden liegt die Sputter-Hohlkathode mit zylindrischem Hohlraum, die hinsichtlich der beiden Penning-Entladungen eine gemeinsame Antikathode ist. Die Längsachse des Hohlraums geht durch die beiden Kathoden und liegt parallel zur Achse des Magnetfelds. Für die grundsätzliche Anordnung gemäß Anspruch 2 und der darin enthaltenen Spiegelsym metrie, wie in Anspruch 3 hervorgehoben, bezüglich der Mitten ebene wird der ebenfalls fachinterne Arbeitsname Full-PIG (ganze Penning oder Philips Ionization Vacuum Gauge, PIG) verwendet. In der FULL-PIG Version arbeiten somit zwei Penning-Entladungen auf eine gemeinsame Antikathode, die Sputter-Hohlkathode. In der Full-PIG Version ist die Dichteverteilung längs der Plasmaachse und somit auch die Intensitätsverteilung im Ionenstrahl in ver tikaler Richtung aus Symmetriegründen gleichförmiger. Es ist für den Betrieb nicht erforderlich, die Kathode der "gespiegelten" Penning-Entladung extern zu beheizen.

Je nach Einsatzumgebung ist Half-PIG eine echte Alternative, denn es wird 1/3 weniger magnetischer Spalt benötigt. Half-PIG liefert von den gesputterten Materialien hohe Ionenströme in der gleichen Größenordnung wie Full-PIG. Bei beiden Versionen wird der Ionenstrahl aus der Sputter-Hohlkathode radial durch den achsparallelen Durchbruch hindurch extrahiert.

Im Penning-Entladungskreis sind die beiden Kathoden normalerwei se galvanisch verbunden(Fig. 3), so auch im normalen Betriebs fall der Half-IG oder Full-PIG-Ionenquelle.

In Anspruch 4 wird beschrieben, daß der Stromkreis, gebildet aus Sputterhohlkathode - Antikathode in beiden Versionen - und Anode durch ein eigenes, unabhängig triggerbares und einstellbares Netzgerät versorgt wird, mit dem Vorteil, durch diesen zusätzli chen Parameter auf die Strahlverteilung in Richtung Spaltlängs achse Einfluß nehmen zu können. Die Bedeutsamkeit dieses Parame ters hängt jedoch sehr von den Forderungen an den Ionenstrahl ab und kommt nur im komplexen Betrieb einer Anlage zur Geltung. Auch der/die Stromkreis/e gebildet aus der/den heißen bzw. kal ten Kathode/n und den/der Anode/n der Penning-Entladung/en wer den/wird von einem separaten unabhängig triggerbaren Netzgerät versorgt (Anspruch 5).

Für den Fall der Full-PIG-Geometrie, Ansprüche 2 und 3, wird es beispielsweise möglich, durch geeignete Pulsverzögerung und Puls-Triggerung der separaten Stromquellen zwischen den Be triebsmodi:

a) Hohlkathoden-Sputter-Ionenquelle und
b) Penning-Ionenquelle

in beliebiger Abfolge hin und her zu schalten.

In den Ansprüchen 6 und 7 wird jeweils eine gebräuchliche Quer schnittsform der Hohlkathode aufgeführt, nämlich ein runder und ein polygonaler Querschnitt.

Anspruch 8 beschreibt einen möglichen Aufbau der Sputter-Hohlka thode. Das ist üblicherweise ein gut die Wärme leitender, mit Kühlmittel durchströmter Träger aus z. B. Kupfer, auf welchem die eigentliche Elektrode, die Sputter-Hohlkathode, mit gutem Wärme übergang befestigt ist. Die Innenwand des z. B. rohrförmigen Hohlraums besteht entweder aus dem gewünschten Element, wovon die Strahlionen gewonnen werden sollen, oder ist damit beschich tet. Letztere Art der Elektroden-Herstellung kommt dann in Frage, wenn Ionenstrahlen von sehr teuren oder seltenen Elemen ten erzeugt werden sollen, wie z. B. angereicherte oder reine Isotope. Dabei wird von Fall zu Fall geprüft, ob das Aufbringen auf die Innenwand der Sputter-Hohlkathode auf galvanischem Wege oder per Drahtexplosion oder durch Aufdampfen oder durch Einklemmen eines dünnwandigen Röhrchens aus z. B. gerolltem Blech, erfolgen soll.

Je nach Größe, Geometrie und Forderungen zu der Stärke des Mag netfelds der Anlage wird das Magnetfeld über einen Permanentmag neten (Anspruch 9), einen Elektromagneten (Anspruch 10 oder über eine supraleitenden Magneten (Anspruch 11) erzeugt.

Das Material der Kanalwand muß neben guten Sputtereigenschaften auch gute Eigenschaften hinsichtlich der Sekundärelektronenemis sion aufweisen, zusätzlich muß es ausreichend thermisch belast bar sein.

Die Hohlkathoden-Sputter-Ionenquelle, zeichnet sich aus durch:

a) die zur Hohlraumachse radiale Extraktion des Ionenstrahls aus der Sputter-Hohlkathode durch den achsparallelen Durchbruch hindurch,
b) die hohen Ionenstrahl-Intensitäten, siehe Tabelle der Er gebnisse unten, im Einzelimpuls bis zu Repetitionsraten um 100/sec,
c) die hohe Effizienz des Materialverbrauchs, ca. 2% gegen über der Penning-Ionenquelle von nur ca. 0,02%
d) den im Vergleich zu klassischen Penning-Ionenquelle ge ringen Oszillationsanteil im Ionenstrahl-Signal, auch Hash oder Rauschen genannt.

Dadurch, dass die Ionen den Kathodenfall passieren und dabei in Vorwärtsrichtung beschleunigt werden, profitiert die Brillianz des Ionenstrahls. Vergleichende Messungen der Emittanz gleicher Ionenstrahlen aus der herkömmlichen Penning-Quelle und der neuen Ionenquelle am UNILAC, GSI-Darmstadt, bestätigen dies.

Die Sputter-Hohlkathoden Geometrie ist besonders für die Ökono mie und die Langzeitkonstanz des Ionenquellenbetriebs von Vor teil. Die gesputterten neutralen Teilchen gelangen in das Plasma und werden dort durch schnelle Elektronen ionisiert und können nun, ebenfalls im Kathodenfall beschleunigt, entweder die Elektrode durch das Emissionsfenster verlassen oder durch "Selfsput tering", oder auch durch "Sticking" an der Kanalwand den Io nenproduktionsprozess unterstützen. Nicht ionisierte neutrale Teilchen treffen ebenfalls auf die Innenwand der Elektrode und sind somit weiter im Produktionsprozess präsent. Dies stellt ei nen beträchtlichen ökonomischen Vorteil dar gegenüber der her kömmlichen Sputter-Penningquelle, in welcher die meisten Teil chen, welche nicht als Ionen extrahiert werden, für weitere Io nenerzeugung verloren sind. Lediglich die neutralen Teilchen, welche den Innenzylinder der Sputter-Hohlkathode an den Zylin derenden und durch den Emissionsspalt verlassen, sind verloren. Ein weiterer kleiner Verlustbeitrag kommt von Ionen des gesput terten Materials, welche über den Kathodenfall in die Kathode/n implantiert werden.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnungen mit den Fig. 1 bis 4 näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 die Half-PIG-Konfiguration,

Fig. 2 die Full-PIG-Konfiguration,

Fig. 3 das Prinzipschaltbild der Half-PIG-Konfiguration,

Fig. 4 das Prinzipschaltbild der Full-PIG-Konfiguration.

Für die Realisation der Mechanik des Prototyps der neuen Ionen quelle wurde auf das modulare, mechanische Konzept der GSI- Penning-Ionenquelle zurückgegriffen. Dieses Konzept ist ein nicht publizierter GSI-interner Standard des Entwicklungsstandes vom Dezember 1989.

Zu Fig. 1 und Fig. 3(Half-PIG):

Die obere Kathode der Ionenquelle ist indirekt beheizt. Auf der Achse nach unten hin folgt die intensiv gekühlte kurze Anode. An einer isolierten Durchführung mit gutem Wärmeübergang, ist die Elektrode der Sputter-Hohlkathode, die Antikathode, eingesetzt. Die folgende Anode ist in der Half-PIG-Version grundsätzlich nicht erforderlich ist aber für den gleichförmigen Gashaushalt der Entladung vorteilhaft.

Der Stromkreis heiße Kathode-Anode wird über des Netzgerät NG1 gebildet. Die Hohlkathode ist galvanisch mit der heißen Kathode verbunden. Bezugspotential ist die Anode (plus). Das Potential ist für optimalen Betrieb, d. h. gute Ionenstrahl-Qualität und - Ausbeute einstellbar. Die Tastverhältnisse sind in weiten Gren zen einstellbar. Typisch für Hochstrom-Linearbeschleuniger als Injektoren für Synchrotrons sind Repetitionsraten von 1/s bis 10/s bei 0.5 ms bis 2 ms Pulslänge.

Die nachstehenden Ergebnisse wurden für den Fall des homogenen magnetischen Feldes mit der Einstellung: 50/s und 1 ms, für den Fall des inhomogenen magnetischen Feldes mit der Einstellung: 10/s und 1 ms gewonnen.

In Fig. 1 ist die Half-PIG-Geometrie dargestellt, in welcher das asymmetrische Ionenquellen-Gebilde Half-PIG bei Betrieb nur einen Teil des Volumens des Hohlzylinders der Sputter-Hohlka thode nutzt. Für praktische Anwendung kann die Länge der Sput ter-Hohlkathode den technischen Gegebenheiten angepasst werden. Der aus dem achsparallelen Schlitz oder Durchbruch in der Wand der Sputter-Hohlkathode extrahierte bandförmige Ionenstrahl po sitiv geladener Ionen, hat im wesentlichen die Breite der durch den Durchbruch sichtbaren Länge, hier 45 mm, der Plasmasäule. Die Elektrodenkörper der Hohlkathode hat hier eine Länge von 60 mm, die Anodenlänge beträgt hier 18 mm, um die Kontur einer von vie len möglichen, maschinenspezifischen Geometrien aufzuzeigen,

Fig. 1 zeigt den Fall des Betriebs der Ionenquelle im inhomoge nen Magnetfeld des Ionenquellenmagneten der Compact-PIG- Ionenquelle⁵⁾. Für den Fall des Betriebs der Ionenquelle im homogenen Magnetfeld spielt die Ausdehnung des Magnetfeldes für die Entladung keine Rolle, ist aber ionenoptisch für den Ionenstrahltransport bedeutungsvoll.

Die Magnetfeldachse liegt parallel zur Längsachse des Hohlzylin ders der Sputter-Hohlkathode. Die Magnetfeldform ähnelt einer magnetischen Flasche mit dem Verhältnis der Kraftflußdichte:

Flaschenhals : Flaschenbauch = 2 : 1,

wobei die Kathoden (Full-PIG-Version s. u.) in den Flaschenhälsen angeordnet sind und die Sputter-Hohlkathode im Bereich des Fla schenbauchs installiert ist. Für die u. s. Meßwerte war die Mag netfeldachse mit der Längsachse des Hohlzylinders zusammenge legt. Beide Achsen können nach Bedarf zur Strahloptimierung zu einander parallel verschoben werden, was aber mit einigem tech nischen Aufwand verbunden ist.

Zu Fig. 2:

Die Geometrie in Fig. 2 kann man sich durch Spiegelung der Half-PIG-Geometrie an einer senkrecht zur Achse der Sputter- Hohlkathode verlaufenden Ebene entstanden denken. Es entsteht das symmetrische Ionenquellengebilde Full-PIG, bestehend aus zwei Penning-Entladungsgeometrien welche, auf einer gemeinsamen Achse angeordnet, eine gemeinsame Antikathode nutzen.

Die beiden Penning-Plasmen zusammen, im Volumen von der jeweili gen heißen Kathode/kalten Kathode ausgehend, bis zur Mitte des zylindrischen Hohlraums der Sputter-Hohlkathode als Antikathode reichend, da diese hier spiegelbildlich zur Mitteneben liegt, erfüllen den ganzen zylindrischen Zwischenraum zwischen den Ka thoden, den beiden Anoden und in der Sputter-Hohlkathode.

Der aus der Sputter-Hohlkathode radial extrahierte, bandförmige Ionenstrahl positiver Ionen hat eine Breite, die der Länge des axialen Durchbruchs in der Sputter-Hohlkathode entspricht und ist der Elektrodenposition und Elektrodengeometrie entsprechend ebenfalls symmetrisch zur Mittenebene des Magnetfeldes und der Entladungsgeometrie.

Beiden Konfigurationen, Half-PIG und Full-PIG, ist die radiale Extraktion eines Strahls positiv geladener Ionen in Form eines bandförmigen Strahls gemeinsam. Bei gleicher Spalt- bzw. Durchbruch-Geometrie in der Sputter-Hohlkathode unterscheiden sie sich in der Breite des Ionenstrahls und auch in der Intensität.

Unterschiedliche Magnetfeldstärken und -formen bedingen unter schiedliche Betriebsarten der Hohlkathoden-Sputter Ionenquelle. Höchste Ionenstrahlströme für niedrige Ladungszustände werden bislang im inhomogenen Magnetfeld erzielt.

Mit massiven Rohrelektroden aus z. B. Aluminium oder Molybdän als Sputter-Hohlkathoden werden in jeweils einem ununterbrochenen Betrieb bis zu 100 Stunden Strahlbetrieb mit hoher zeitlicher Stromkonstanz durchgeführt. Erste Abschätzungen des Material verbrauchs zeigen Effizienzwerte um 2% im Gegensatz zu Penning- Ionenquellen von ca. 0,02%.

Tabelle der Ergebnisse mit der Full-PIG Version in unterschied lichen Magnetfeldern

Literatur

1) "Handbook of Ion Sources" by Bernhard Wolf, GSI Center for Heavy Ion Research Darmstadt, Germany, Crc Press Boca Raton New York London Tokyo, 1995, P 69).
2) P. M. Morozow et. al., Atomnaya Energiya 3, 272, (1957)
3) M. Müller und G. Hortig, IEEE Trans. Nucl. Sci NS-16, 38, 1969
4) H. Winter, GSI-Bericht PB1-74, Darmstadt 1974
5) M. Müller, IEEE Trans. Nucl. Sci. NS-30 (1983) 1499

Claims

1. Hohlkathoden-Sputter-Ionenquelle zur Erzeugung von Ionen strahlen hoher Intensität, mittlerer Ladung bei niedriger Energie, bestehend aus:

- einem Elektromagneten zur Erzeugung eines rotationssym metrischen Magnetfelds,
- einer extern beheizbaren Kathode, die heiße Kathode, die mit ihrem elektrisch wirksamen Bereich auf der Achse des Magnetfelds in demselben liegt,
- einer mit Kühlmittel durchströmten Antikathode, der kal ten Kathode, einer Penning-Entladung mit zylindrischem Hohlraum, das ist die Sputter-Hohlkathode oder Sputter- Antikathode, wobei der Hohlraum mit seiner Hohlraum längsachse auf der oder parallel zu der Magnetfeldachse liegt und die Wand des Hohlraums aus dem sputterbarem Material des zu erzeugenden Ionenstrahls besteht oder dessen Innenwand mit diesem Material beschichtet ist, und die in ihrer Wand einen achsparallelen, schlitzför migen Durchbruch hat,
- einer mit Kühlmittel durchströmten Anode, zur Erzeugung eines Penning-Plasmas, das an der Kathode beginnt und in den Hohlraum der Sputter-Hohlkathode, welche die Antika thode der Penning-Entladung ist, hineinreicht, woraus die Ionen aus dem Innenwandmaterial durch den Durchbruch hindurch radial zur Hohlraumlängsachse extrahiert wer den.

2. Hohlkathoden-Sputter-Ionenquelle zur Erzeugung von Ionen strahlen hoher Intensität, mittlerer Ladung bei niedriger Energie, bestehend aus:

- einem Magneten zur Erzeugung eines rotationssymmetri schen Magnetfelds,
- zwei Kathoden, wovon zumindest eine extern beheizt ist, die mit ihrem elektrisch wirksamen Bereich auf der Achse des Magnetfelds in demselben liegen und dies- und jen seits der Mittenebene des Magnetfelds senkrecht durch die Magnetfeldachse positioniert sind,
- einer mit Kühlmittel durchströmten Antikathode mit zy lindrischem Hohlraum, der Sputter-Hohlkathode, die zwi schen den beiden Kathoden und zugehörigen Anoden mit ih rer Hohlraumlängsachse auf der oder parallel zu der Mag netfeldachse liegt, deren Wand aus dem Material des zu erzeugenden Ionenstrahls besteht oder deren Innenwand mit diesem Material beschichtet ist und die in ihrer Wand einen achsparallelen, schlitzförmigen Durchbruch hat,
- zwei mit Kühlmittel durchströmten Anoden, zur Erzeugung zweier in den Hohlraum der Sputter-Hohlkathode hinein reichender Penning-Plasmen, die jeweils an der zugehöri gen Kathode beginnen und in den Hohlraum der Sputter- Hohlkathode, die die gemeinsame Antikathode der beiden Penning-Entladungen ist, hineinreichen, woraus die Ionen aus dem Innenwandmaterial durch den Durchbruch hindurch radial zur Hohlraumlängsachse extrahiert werden.

3. Hohlkathoden-Sputter-Ionenquelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Kathoden spiegelbildlich zur Mittenebene des Hohl raums der Sputter-Hohlkathode, die die Richtung der Hohlraum achse hat, liegen.

4. Hohlkathoden-Sputter-Ionenquelle nach den Ansprüchen 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Sputter-Antikathode an eine eigene unabhängig triggerbare und einstellbare Stromquelle (NG2) angeschlossen ist.

5. Hohlkathoden-Sputter-Ionenquelle nach Anspruch 4, dadurch ge kennzeichnet, dass die heiße Kathode bzw. beiden heißen Ka thoden an eine eigene unabhängig triggerbare und einstellbare Stromquelle (NG1) angeschlossen ist bzw. sind.

6. Hohlkathoden-Sputter-Ionenquelle nach Anspruch 5, dadurch ge kennzeichnet, dass der Hohlraum der Sputter-Antikathode einen kreisförmigen Querschnitt hat.

7. Hohlkathoden-Sputter-Ionenquelle nach Anspruch 5, dadurch ge kennzeichnet, dass der Hohlraum der Sputter-Antikathode einen polygonalen Querschnitt hat.

8. Hohlkathoden-Sputter-Ionenquelle nach den Ansprüchen 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Sputter-Hohlkathode aus ei nem gut die Wärme leitenden, metallischen Trägermaterial, wie Edelstahl oder Kupfer, besteht und deren Innenwand mit dem Material der zu erzeugenden Ionen beschichtet ist.

9. Hohlkathoden-Sputter-Ionenquelle nach Anspruch 8, dadurch ge kennzeichnet, dass der Magnet ein Permanentmagnet ist.

10. Hohlkathoden-Sputter-Ionenquelle nach Anspruch 8, dadurch ge kennzeichnet, dass der Magnet ein Elektromagnet ist.

11. Hohlkathoden-Sputter-Ionenquelle nach Anspruch 8, dadurch ge kennzeichnet, dass der Magnet ein supraleitender Magnet ist.