DE19821802A1 - Ion or electron beam source for e.g. for multi-cusp ion source - Google Patents

Ion or electron beam source for e.g. for multi-cusp ion source

Info

Publication number
DE19821802A1
DE19821802A1 DE1998121802 DE19821802A DE19821802A1 DE 19821802 A1 DE19821802 A1 DE 19821802A1 DE 1998121802 DE1998121802 DE 1998121802 DE 19821802 A DE19821802 A DE 19821802A DE 19821802 A1 DE19821802 A1 DE 19821802A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
magnetic
plasma
dipole
gas discharge
strips
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
DE1998121802
Other languages
German (de)
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Individual
Original Assignee
Individual
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Individual filed Critical Individual
Priority to DE1998121802 priority Critical patent/DE19821802A1/en
Publication of DE19821802A1 publication Critical patent/DE19821802A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J37/00—Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
    • H01J37/02—Details
    • H01J37/04—Arrangements of electrodes and associated parts for generating or controlling the discharge, e.g. electron-optical arrangement or ion-optical arrangement
    • H01J37/06—Electron sources; Electron guns
    • H01J37/077—Electron guns using discharge in gases or vapours as electron sources
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J37/00—Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
    • H01J37/02—Details
    • H01J37/04—Arrangements of electrodes and associated parts for generating or controlling the discharge, e.g. electron-optical arrangement or ion-optical arrangement
    • H01J37/08—Ion sources; Ion guns

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Electron Sources, Ion Sources (AREA)
  • Plasma Technology (AREA)

Abstract

Permanent magnets are built into the electrode grating structure, so that the charged particles of the plasma are deflected away from the grating structure into extraction holes, so that the grating structure is protected against wear. By localizing gas discharge in the region of the extraction magnetic fields, the extraction surfaces can be made by a combination of repeated individual elements including magnet structures, mechanical carrying structures, local gas discharge structures and extraction openings.

Description

Plasma-Ionenquellen sind bis auf wenige Ausnahmen der weitverbreitete Standard für die Erzeugung von Ionenstrahlen [Siehe Ref. 1: I.G. Brown, "The Physics and Technology of Ion Sources", John Wiley & Sons, New York, 1989, ISBN 0-471-85708-4 und Ref. 2: B. Wolf, "Handbook of Ion Sources", CRC Press, Boca Raton, 1995, ISBN 0-8493-2502-1]. In diesen Ionenquellen wird fast immer das Prinzip der Elektronenerzeugung und Heizung (Beschleu­ nigung) befolgt, die durch Stoßionisation von Neutralteilchen Ionen oder durch Stoßionisation von Ionen höher geladene Ionen erzeugen. Dadurch entsteht ein Plasma aus Ionen, Elektronen und je nach Ionisationsgrad auch Neutralteilchen, wobei der Ionisationsgrad das Verhältnis aus gesamter positiver Ladung und der Gesamtzahl positiver und neutraler Teilchen angibt. Das mit Plasma gefüllte Volumen wird auf der Extraktionsseite, d. h. auf der Seite auf der Ionen(Elektronen) aus dem Plasma extrahiert werden, durch eine Plasmaelektrode mit einer(vielen) Plasmaelektrodenöffnung(en) abgeschlossen. In Extraktionsrichtung gesehen hinter der Plasmaelektrode wird eine Extraktionselektrode mit Extraktionsöffnung(en), die mit der(n) Plasmaelektrodenöffnung(en) teilchenoptisch fluchtet(en), angebracht und auf nega­ tives(positives) Potential gegenüber der Plasmaelektrode aufgeladen. Dadurch entsteht ein elektrisches Ziehfeld zwischen der Extraktions- und der Plasmaelektrode, das mit seinem Ziehfelddurchgriff der in das Plasmavolumen hineinreicht, positive Ionen (negative Elek­ tronen) aus dem Plasma zieht, beschleunigt und so einen Ionen(Elektronen)strahl erzeugt, während die Elektronen(Ionen) in das Plasma zurückgedrückt werden. Für die Extraktion negativ geladener Ionen gelten die Potentialverhältnisse wie für Elektronen.With few exceptions, plasma ion sources are the widespread standard for the Generation of ion beams [See Ref. 1: I.G. Brown, "The Physics and Technology of Ion Sources ", John Wiley & Sons, New York, 1989, ISBN 0-471-85708-4 and Ref. 2: B. Wolf, "Handbook of Ion Sources", CRC Press, Boca Raton, 1995, ISBN 0-8493-2502-1]. In these Ion sources almost always use the principle of electron generation and heating (acceler inclination), which is caused by impact ionization of neutral ions or by impact ionization generate ions with higher charges. This creates a plasma of ions, electrons and depending on the degree of ionization also neutral particles, the degree of ionization being the ratio total positive charge and the total number of positive and neutral particles. The Volume filled with plasma is on the extraction side, i.e. H. on the side on the Ions (electrons) are extracted from the plasma by using a plasma electrode one (many) plasma electrode opening (s) closed. Seen in the extraction direction behind the plasma electrode is an extraction electrode with extraction opening (s), which with the (n) plasma electrode opening (s) is aligned optically and attached to nega tive (positive) potential charged against the plasma electrode. This creates a electric pulling field between the extraction and the plasma electrode, which with its Pull-through area reaching into the plasma volume, positive ions (negative elec tronen) pulls out of the plasma, accelerates and thus generates an ion (electron) beam, while the electrons (ions) are pushed back into the plasma. For the extraction negatively charged ions have the same potential relationships as for electrons.

Strahlen mit großem Querschnitt werden dadurch erhalten, daß großflächige Plasma- und Extraktions-Elektroden mit ionenoptisch fluchtenden Lochmustern mit dem Ziel verwendet werden, die elektrischen Potentialverhältnisse über die gewünschte große Fläche festzulegen und gleichzeitig eine möglichst große Transmission dieser Elektrodengitter zu erreichen, d. h. die Lochflächen sollen groß gegenüber den Flächen der Trägerstruktur sein. Mit dieser Konzeption erhält man in Entfernungen groß im Vergleich zu den Lochabständen einen echten Flächenstrahl. Bei sehr starken Gasentladungen mit hohem Ionisationsgrad und großer Gas­ dichte sind diese Elektrodengitter sehr starkem Verschleiß durch Ionenzerstäubung und durch sog. heiße Flecken (engl. "hot spots") ausgesetzt so daß letztlich die Elektrodengitter den limitierenden Faktor für die Erzeugung großer Strahlstromdichten darstellen. Die Temperatur­ belastung könnte durch ein Kühlsystem in der Trägerstruktur beseitigt werden, wodurch aber die Transmission des Gesamtgitters in unzulässiger Weise reduziert würde. Diese Extrak­ tionsgitter sind deshalb wartungsintensiv und begrenzen die Wirtschaftlichkeit der damit aus­ gerüsteten Anlagen.Beams with a large cross-section are obtained in that large-area plasma and Extraction electrodes with ion-optically aligned hole patterns are used with the aim to determine the electrical potential relationships over the desired large area and at the same time to achieve the greatest possible transmission of these electrode grids, d. H. the perforated areas should be large compared to the areas of the support structure. With this Concept you get a real one at great distances compared to the hole spacing Area jet. With very strong gas discharges with a high degree of ionization and large gas These electrode grids are very heavy wear due to ion sputtering and through So-called "hot spots" exposed so that ultimately the electrode grid the represent the limiting factor for the generation of large beam current densities. The temperature load could be removed by a cooling system in the support structure, but this the transmission of the entire grid would be reduced in an impermissible manner. This Extrak tion grids are therefore maintenance-intensive and thus limit the efficiency of the equipped systems.

Diese Probleme werden erfindungsmäßig dadurch gelöst, daß in die Extraktionsgitterkon­ struktion Permanentmagnete oder entsprechende Stromführungen so eingebaut werden, daß die geladenen Teilchen der Gasentladung unter dem Einfluß der erzeugten Magnetfelder von den Trägerstrukturen weg in die Plasmaelektrodenlöcher hineingelenkt werden. Dadurch ent­ steht trotz des Platzbedarfs für die Magnete oder Stromführungen eine große effektive Extraktionsfläche, so daß auch ein Kühlsystem in den Trägerstrukturen untergebracht werden kann.According to the invention, these problems are solved in that in the extraction grid struction Permanent magnets or corresponding current guides are installed so that  the charged particles of the gas discharge under the influence of the magnetic fields generated by the support structures are directed away into the plasma electrode holes. This ent stands in spite of the space required for the magnets or current guides a large effective one Extraction area so that a cooling system can also be accommodated in the support structures can.

Eine den Lochmasken angepaßte Magnetstruktur wird zum Beispiel durch eine regelmäßige, sich wiederholende, quadratische Anordnung von gleich ausgerichteten Dipolmagneten mit ihrer geometrischen und Magnetisierungsachse parallel zur Extraktionsrichtung erreicht, die für das Weitere als z-Achse bezeichnet wird. Alle Dipole haben also ihren Nordpol entweder in + oder -z-Richtung, wobei hier als Beispiel die -z-Richtung gewählt wird. Magne­ tische Feldlinien treten aus den Nordpolen aus und laufen zwischen den Dipolen in z-Richtung zu den Südpolen. An den Nordpolen und in der Symmetrieebene zwischen Nord- und Süd­ polen, im weiteren als x-y-Ebene bezeichnet, wird auf den Diagonalen zwischen den Dipolen ein relatives Maximum der z-Komponenete Bz des Magnetfeldes erhalten.A magnetic structure adapted to the shadow masks is achieved, for example, by a regular, repetitive, square arrangement of identically oriented dipole magnets with their geometric and magnetization axes parallel to the extraction direction, which for the rest is referred to as the z-axis. All dipoles therefore have their north pole either in the + or -z direction, with the -z direction being selected here as an example. Magnetic field lines emerge from the north poles and run between the dipoles in the z direction to the south poles. A relative maximum of the z component B z of the magnetic field is obtained on the diagonals between the dipoles at the north poles and in the plane of symmetry between north and south poles, hereinafter referred to as the xy plane.

Durch Wahl der Positionen x = ±na und y = ±mb mit n,m = 0, 1, 2,. . . der Dipole der Ab­ messungen Δx = c, Δy = d, Δz = 1, wobei c < a und d < b gelte, kann man auf den Diagonalen zwischen den Dipolen, d. h. an den Stellen x = ±(2n+1)a/2 und y = ±(2m+1)b/2 das Magnet­ feldmaximum mit schwächerem reinen Bz-Feld erhalten als an den Nordpolen. Da geladene Partikel um Magnetfeldlinien rotierend den Magnetfeldlinien folgen und aus Magnetfeld­ maxima auf Grund der sogenannten magnetischen Gradientenkraft F= -grad(µB) herausge­ drängt werden (µ= lokaler, magnetischer Momentenvektor des rotierenden Partikels, B= loka­ ler Magnetfeldvektor) entsteht also an den Nordpolen ein sehr starker und in der x-y-Ebene auf den Diagonalen zwischen den Dipolmagneten ein schwächerer magnetischer Verschluß, so daß die Partikel an letzteren Stellen am leichtesten die Gasentladung verlassen können. An diesen Stellen sind also die Plasmaelektrodenlöcher in der x,y-Ebene oder bis zu l darüber oder darunter anzubringen, durch die mit Unterstützung eines elektrischen Ziehfeldes die geladenen Partikel aus der Gasentladung extrahiert werden, wobei die magnetische Gradientenkraft durch das elektrische Ziehfeld überwunden wird. Durch diese Konzeption werden also geladene Teilchen durch die Magnetfelder vor der Trägerstruktur in die Gasentladung zurückgedrängt, teilweise zu den Plasmaelektrodenlöchern umgelenkt und durch diese mit dem elektrischen Ziehfeld aus der Gasentladung abgesaugt. Das Verhältnis der magnetischen und elektrischen Kräfte auf die geladenen Partikel an den Plasmaelektrodenlöchern bestimmt den Gesamtein­ schluß der Partikel in der Gasentladung. Da bekanntermaßen [Ref. 3 R. Geller, "Electron Cy­ clotron Resonance Ion Sources and ECR-Plasmas", Institute of Physics Publishing, Bristol and Philadelphia, 1996, ISBN 0 7503 0107 4] der relative Anteil an höher geladenen, extrahierten Partikeln von diesem Einschluß abhängt, kann also dieser höher geladene Anteil an extrahierten Partikeln neben der Gasentladungsstärke und dem Druck in der Plasmakammer durch die mag­ netische Dipolstärke die Größen a, b, c, d und die z-Position der Plasmaelektrodenlöcher bezüglich der x,y-Ebene beeinflußt werden. Da eine effektiv viel größere Extraktionsfläche durch die Magnetfeldführung der zu extrahierenden Partikel entsteht, können die geometri­ schen Plasmaelektrodenlochflächen kleiner als die Trägerstrukturfläche werden und es bleibt ausreichend Platz, um in der Trägerstruktur die Permanentdipolmagnete und deren Kühlung unterzubringen.By choosing the positions x = ± na and y = ± mb with n, m = 0, 1, 2 ,. . . the dipoles of the dimensions Δx = c, Δy = d, Δz = 1, where c <a and d <b apply, you can on the diagonals between the dipoles, ie at the points x = ± (2n + 1) a / 2 and y = ± (2m + 1) b / 2 receive the magnetic field maximum with a weaker pure B z field than at the north poles. Since charged particles follow the magnetic field lines rotating around magnetic field lines and are pushed out of the magnetic field maxima due to the so-called magnetic gradient force F = degree (µB) (µ = local, magnetic moment vector of the rotating particle, B = local magnetic field vector) North Poland is a very strong and in the xy plane on the diagonals between the dipole magnets a weaker magnetic shutter, so that the particles in the latter places are the easiest to leave the gas discharge. At these points, the plasma electrode holes in the x, y plane or up to l above or below are to be made, through which the charged particles are extracted from the gas discharge with the help of an electrical pulling field, the magnetic gradient force being overcome by the electrical pulling field. With this conception, charged particles are pushed back into the gas discharge by the magnetic fields in front of the carrier structure, partially deflected to the plasma electrode holes and sucked out of the gas discharge by the electric pulling field. The ratio of the magnetic and electrical forces on the charged particles at the plasma electrode holes determines the overall inclusion of the particles in the gas discharge. As is known [Ref. 3 R. Geller, "Electron Cyclotron Resonance Ion Sources and ECR-Plasmas", Institute of Physics Publishing, Bristol and Philadelphia, 1996, ISBN 0 7503 0107 4] the relative proportion of more highly charged, extracted particles can depend on this inclusion So this more highly charged proportion of extracted particles in addition to the gas discharge intensity and the pressure in the plasma chamber are influenced by the magnetic dipole strength, the sizes a, b, c, d and the z position of the plasma electrode holes with respect to the x, y plane. Since an effectively much larger extraction area is created by the magnetic field guidance of the particles to be extracted, the geometrical plasma electrode hole areas can become smaller than the support structure area and there is sufficient space to accommodate the permanent dipole magnets and their cooling in the support structure.

Eine mechanisch und wirtschaftlich günstige Trägerstruktur ist eine Anordnung aus Träger­ streifen an den Stellen x = ±na mit ±y-Ausdehnung bis zu den Gasentladungsumrandungen, in denen die magnetischen Permanentmagnetdipole und ein Kühlsystem eingebettet sind. Zwischen diesen Trägerstreifen können Plasmaelektrodenlochstreifen und Extraktionselektro­ denlochstreifen angebracht werden. Statt Plasmaelektrodenlöchern können bei dieser Träger­ streifenkonstruktion auch Plasmaelektrodenspalte an den Positionen x = ±(2n+1)a/2 mit ±y- Ausdehnung bis zu den Gasentladungsumrandungen mit entsprechend angepaßten Extraktions­ elektroden mit Spaltöffnungen angebracht werden. In diesem Fall erhält man längs der y-Achse periodisch schwankende Extraktionsstromstärken mit Maxima auf den Diagonalenmitten zwischen den Dipolen.A mechanically and economically favorable carrier structure is an arrangement of carriers streak at the points x = ± na with ± y-extension up to the gas discharge borders, in which the magnetic permanent magnet dipoles and a cooling system are embedded. Plasma electrode perforated strips and extraction electrodes can be placed between these carrier strips perforated strips are attached. Instead of plasma electrode holes you can use this support strip construction also plasma electrode gaps at the positions x = ± (2n + 1) a / 2 with ± y- Extension to the gas discharge borders with appropriately adapted extraction electrodes with stomata are attached. In this case you get along the y-axis periodically fluctuating extraction currents with maxima on the diagonal centers between the dipoles.

Läßt man den Abstand b bis auf d schrumpfen, erhält man mit Trägerstreifen eine mecha­ nisch einfache, physikalisch effiziente und wirtschaftliche Dipolmagnetstreifenanordnung. Damit werden, der Argumentation von oben folgend, geladene Partikel aus der Gasentladung von den starken Magnetfeldmaxima an den Nordpolen der Dipolmagnetstreifen in die Gasentladung zurückgedrängt und teilweise umgelenkt in die Bereiche mit schwächeren Mag­ netfeldmaxima zwischen den Dipolstreifen, wo sie am ehesten aus der Gasentladung austreten können. In Analogie zu oben werden Plasmaelektrodenspalte mit entsprechenden Ziehfeldern zwischen den Dipolstreifen angebracht, wobei hier eine konstante Extraktionsstromstärke längs der y-Achse erwartet wird, wenn die Gasentladung selbst homogen ist.If the distance b is reduced to d, a mecha is obtained with carrier strips nisch simple, physically efficient and economical dipole magnetic stripe arrangement. In this way, following the argument from above, charged particles become gas discharge from the strong magnetic field maxima at the north poles of the dipole magnetic strips into the Gas discharge pushed back and partially redirected to areas with weaker mag net field maxima between the dipole strips, where they most likely emerge from the gas discharge can. Analogous to the above are plasma electrode columns with corresponding pull fields attached between the dipole strips, here a constant extraction current along the y-axis is expected when the gas discharge itself is homogeneous.

Werden die Plasmaelektrodenlöcher(spalte) deutlich unterhalb der x,y-Ebene, d. h. unter­ halb des Bz-Maximums gelegt, dann wird ein maximaler magnetischer Verschluß für die gela­ denen Teilchen erreicht, die aus der Gasentladung in z-Richtung austreten wollen. Neutrale Teilchen, insbesondere Wasserstoffisotopenatome, können diese magnetische Barriere ohne weiteres überwinden und in den räumlichen Bereich unterhalb des Bz-Maximums und oberhalb der Plasmaelektrodenlöcher(spalte) vordringen. Wird dieser Bereich mit Alkali- oder Erdalkali-, vorzugsweise Cäsiumdampf beschickt, der sich teilweise auf den umgebenden Wänden und auf den Plasmelektrodenloch(spalt)rändern niederschlägt, dann werden dort im Volumen und vor allem an den Cs-bedeckten Flächen aus den Neutralteilchen negative Ionen gebildet, die von dort mit entsprechend gepoltem Ziehfeld sehr effizient extrahiert werden können.If the plasma electrode holes (column) are placed clearly below the x, y plane, ie below half the B z maximum, then a maximum magnetic closure is achieved for the charged particles that want to emerge from the gas discharge in the z direction. Neutral particles, in particular hydrogen isotope atoms, can easily overcome this magnetic barrier and penetrate into the spatial area below the B z maximum and above the plasma electrode holes (gaps). If this area is fed with alkali or alkaline earth, preferably cesium vapor, which partly precipitates on the surrounding walls and on the plasma electrode hole (gap), then in the volume and above all on the Cs-covered surfaces, the neutral particles become negative ions formed, which can be extracted very efficiently from there with a correspondingly poled drawing field.

Diese neuartigen Extraktionsstrukturen für großflächige Gasentladungen können besonders gut an sogenannte Multicusp-Ionenquellen angepaßt werden, da in Multicusp-Ionenquellen bereits die übrigen Gasentladungskammerwände mit Dipolmagneten, allerdings mit perio­ dischem Polaritätswechsel, gegen Partikelaufprall geschützt werden [siehe Ref. 2, Seiten 93 bis 100]. Unter Berücksichtigung der günstigsten Polaritäten der Dipolstreifen der Extraktions­ struktur relativ zu den Dipolumrandungen einer Multicusp-Ionenquelle lassen sich Gasentladungen mit magnetischem Gesamteinschluß so konstruieren, daß der Betrag des Mag­ netfeldes vom Inneren der Entladung überall zu ihren Umrandungen hin ansteigt.These new types of extraction structures for large-scale gas discharges can be particularly special well adapted to so-called multicusp ion sources, since in multicusp ion sources already the other gas discharge chamber walls with dipole magnets, but with perio polarity change, be protected against particle impact [see ref. 2, pages 93 to  100]. Taking into account the most favorable polarities of the dipole strips of the extraction structure relative to the dipole borders of a multicusp ion source Design gas discharges with total magnetic inclusion so that the amount of the mag netfeldes rises from the inside of the discharge everywhere to its borders.

Bei streifenartiger Anordnung der Extraktionsmagnetstruktur können auch Magnetisier­ ungsrichtungen in der x-y-Ebene verwendet werden. Eine Möglichkeit sind y-Streifen an den Positionen z = 0 und x = ±na mit x-Magnetisierung, deren Polarität sich von Streifen zu Streifen ändert, so daß sich in x-Richtung immer gleiche, freie Dipolenden gegenüberstehen. Durch diese Magnetisierung werden die Trägerstreifen sehr gut vor Partikelaufprall geschützt, da die Magnetfeldlinien auf der Gasentladungsseite in ±x-Richtung verlaufen und die geladenen Partikel diesen Feldlinien folgen. Der magnetische Einschluß ist wieder zwischen den Dipol­ streifen am geringsten, hier sogar null, so daß die Plasmaelektrodenlöcher oder -spalte dort anzubringen sind. Die z-Position dieser Löcher oder Spalte kann wieder je nach Anwendung relativ zur x-y-Ebene gewählt werden.In the case of a strip-like arrangement of the extraction magnet structure, magnetisers can also be used directions in the x-y plane can be used. One possibility are y-stripes on the Positions z = 0 and x = ± na with x magnetization, the polarity of which stripes The stripe changes so that the same free dipole ends are always opposite in the x direction. This magnetization protects the carrier strips very well against particle impact, since the magnetic field lines on the gas discharge side run in the ± x direction and the charged ones Particles follow these field lines. The magnetic confinement is again between the dipoles strip the least, even zero here, so that the plasma electrode holes or gaps there are to be attached. The z position of these holes or gaps can again vary depending on the application can be chosen relative to the x-y plane.

Sehr guter Schutz streifenförmiger, in y-Richtung ausgedehnter und sich in x-Richtung pe­ riodisch wiederholender Trägerstrukturen läßt sich durch stromführende Leiterbündel in y- Richtung erreichen, die in die Trägerstrukturen eingebettet sind und deren Stromrichtung von Streifen zu Streifen das Vorzeichen wechselt. Die Trägerstreifen sind dann von nahezu kreisförmigen Magnetfeldlinien umgeben und damit optimal gegen geladene Teilchen der Gasentladung geschützt. Zwischen den Streifen existieren vorwiegend z-Komponenten des Magnetfeldes, so daß dort durch Plasmaelektrodenöffnungen geladene Teilchen in z-Richtung extrahiert werden können. An den y-Enden dieser Streifenstrukturen müssen kurze Leiter­ bündel in x-Richtung mit entsprechenden Stromrichtungen für den Abschluß der Magnet­ struktur sorgen.Very good protection stripe-shaped, extended in the y-direction and pe in the x-direction periodically repeating carrier structures can be Reach direction that are embedded in the support structures and their current direction from The sign changes from strip to strip. The carrier strips are then almost circular Magnetic field lines surround and thus optimally against charged particles of the Gas discharge protected. There are predominantly z components of the between the stripes Magnetic field, so that there charged particles in the z-direction through plasma electrode openings can be extracted. Short conductors must be provided at the y ends of these stripe structures bundle in the x-direction with corresponding current directions for the termination of the magnet structure.

Mit den bisher vorgestellten Anordnungen lassen sich beliebig große Extraktionsflächen re­ alisieren, wobei die bisherige x-y-Ebene auch in konkave oder konvexe Flächen gebogen wer­ den kann. Die Ionenstrahlhomogenität wird bei großen Extraktionsflächen aber von der be­ grenzten Homogenität von Gasentladungen in großen Plasmakammern abhängen. Für großflächige Extraktion sollte deshalb die Gasentladung an die hier vorgestellten, neuartigen Extraktionsmagnetstrukturen angepaßt werden, die dafür sehr gute Voraussetzungen bieten.With the arrangements presented so far, extraction areas of any size can be re alize, whereby the previous x-y plane is also bent into concave or convex surfaces that can. However, the ion beam homogeneity is dependent on the be limited homogeneity depend on gas discharges in large plasma chambers. For Large-scale extraction should therefore gas discharge to the new types presented here Extraction magnet structures are adapted, which offer very good conditions for this.

Bei der zuletzt beschriebenen Magnetanordnung wird das Magnetfeld zwischen den Dipol­ streifen an den Positionen z = 0 und x = ±(2n+1)a/2 gleich null. Es handelt sich bezüglich der x-z-Ebene um ein echtes Minimum des Betrags des Magnetfeldes, um eine sog. MinB-Mag­ netfeldkonfiguration (MBMK). Sie ist aber zunächst in y-Richtung offen und muß durch mindestens einen Dipol mit Magnetisierung in y-Richtung in der x-y-Ebene am Ende der y-Di­ polstreifen mit gleichem Pol in Richtung Magnetfeldminimum (Bmin) wie die Dipolstreifen geschlossen werden. Geladene Partikel werden bis zu einer Grenzenergie in einer solchen MinB-Magnetfeldkonfiguration eingeschlossen, da der Betrag des Magnetfeldes vom Bmin aus in alle Richtungen ansteigt. Energiereiche Elektronen einer Gasentladung in diesem Bereich können also lange Zeit Gasatome ionisieren, bevor sie auf eine Wand treffen. Damit kann also eine effiziente Ionenquelle betrieben werden, wenn dort eine Gasentladung unterhalten wird und ein Plasmaelektrodenspalt im Bereich des Maximums des Magnetfeldes in z-Richtung un­ terhalb der x-y-Ebene in der Mitte zwischen den Dipolstreifen angebracht wird. Die Gasentladung kann eine Kaltkathoden-, Heißkathoden-, Elektronenstrahl-, Laserstrahl-, Plasmatron-, Magnetron-, Penning-, Bogen-, Funken- oder Mikrowellenentladung sein. Be­ sonders attraktiv wird die Mikrowellengasentladung durch Ausnutzen der Mikrowellenreso­ nanz für Elektronen, die bei einem gegebenen Resonanzmagnetfeld Bres mit der gleichen Fre­ quenz um das lokale Bres rotieren wie die eingestrahlte Mikrowelle, wodurch die Elektronen sehr effektiv beschleunigt, bzw. geheizt werden. Die Mikrowellengasentladung in einer rota­ tionssymmetrischen MBMK dieser Art ist für Einzelstrahlextraktion bekannt [siehe Ref. 3, Seite 346] und wird hier in vielfach-streifenförmiger Form für großflächige Ionenquellen vorgeschla­ gen. Die eben genannten Gasentladungsformen lassen sich an alle vorher erwähnten großflächigen Magnetfeldstrukturen anpassen, indem z. B. Kaltkathoden, Heißkathoden, Elek­ tronenstrahlen, Laserstrahlen, Radiofrequenz- oder Mikrowellenzuführen auf die Gesamtfläche mit Konzentration zwischen den Dipolen verteilt werden.In the magnet arrangement described last, the magnetic field between the dipole strips at the positions z = 0 and x = ± (2n + 1) a / 2 is zero. With regard to the xz plane, it is a real minimum of the amount of the magnetic field, a so-called MinB magnetic field configuration (MBMK). However, it is initially open in the y direction and must be closed by at least one dipole with magnetization in the y direction in the xy plane at the end of the y dipole strips with the same pole in the direction of the magnetic field minimum (B min ) as the dipole strips. Charged particles are trapped up to a limit energy in such a MinB magnetic field configuration, since the magnitude of the magnetic field increases in all directions from the B min . Energy-rich electrons of a gas discharge in this area can ionize gas atoms for a long time before they hit a wall. An efficient ion source can thus be operated if a gas discharge is maintained there and a plasma electrode gap in the area of the maximum of the magnetic field in the z direction below the xy plane is provided in the middle between the dipole strips. The gas discharge can be a cold cathode, hot cathode, electron beam, laser beam, plasmatron, magnetron, Penning, arc, spark or microwave discharge. The microwave gas discharge is particularly attractive by utilizing the microwave resonance for electrons which rotate at a given resonance magnetic field B res with the same frequency around the local B res as the irradiated microwave, whereby the electrons are accelerated or heated very effectively. The microwave gas discharge in a rotation-symmetrical MBMK of this type is known for single-beam extraction [see ref. 3, page 346] and is proposed here in multiple strips for large-area ion sources. The gas discharge forms just mentioned can be adapted to all the large-area magnetic field structures mentioned above, by z. B. cold cathodes, hot cathodes, electron beams, laser beams, radio frequency or microwave supply to the total area with concentration between the dipoles are distributed.

Ebenfalls in Analogie zu rotationssymmetrischen Elektronen-Zyklotron-Resonanz-Ionen­ quellen (EZRIQ) mit einer komplexeren MBMK aus Permanentmagneten [Ref. 4: A Heinen, M. Rüther, J. Ducrée, J. Leuker, J. Mrogenda, H.W. Ortjohann, Ch. Vitt, E. Reckels, and H.J. Andrä, Review of Scientific Instruments, 69, Seite 729 ff., (1998)], die vor allem für die Erzeugung höher geladener Ionen Verwendung findet, kann eine vielfach-streifenförmige EZRIQ für großflächige Erzeugung höher geladener Ionen aufgebaut werden. Dazu wird eine zweite Ebene von gleichen, aber entgegengesetzt gepolten magnetischen Dipolstreifen bei der z-Position z = -h < -a angeordnet. Auf der z-Achse erhält man damit ein Bmin von Bz in der Mitte zwischen den beiden Dipolmagnetstreifenlagen, das allerdings in x-Richtung ein Maxi­ mum von Bz darstellt. Damit auch in x-Richtung ein Minimum des Betrags des Magnetfeldes B erhalten wird, können in x-Richtung magnetisierte Magnete der Abmessungen Δx = c' mit c/8 < c' <c /2, Δy = d' mit c/8 < d' < c/2, Δz < h-l' an den Positionen z = h/2, x = ±na ±c/2 -(± c'/2) mit wechselnden Polaritäten mit der Periode a und y = ±md' mit wechselnden Polaritäten mit Periode d' angebracht werden. Diese in der x-z-Ebene erzeugte MBMK ist in y-Richtung be­ liebig ausdehnbar und muß an den y-Grenzen durch rotierende Fortsetzung der Magnetanord­ nung um die z-Achse abgeschlossen werden. Neben der EZR-Entladung kann auch eine der anderen oben genannten Gasentladungen in dieser nun abgeschlossenen MBMK aufrechter­ halten werden, wobei Vorteile dadurch erreicht werden, daß die Plasma-Wand-Wechsel­ wirkung in einer MBMK stark unterdrückt und damit lange Standzeiten von MBMK-Quellen möglich werden. Also in analogy to rotationally symmetrical electron cyclotron resonance ions (EZRIQ) with a more complex MBMK made of permanent magnets [Ref. 4: A Heinen, M. Rüther, J. Ducrée, J. Leuker, J. Mrogenda, HW Ortjohann, Ch. Vitt, E. Reckels, and HJ Andrä, Review of Scientific Instruments, 69, page 729 ff., (1998 )], which is mainly used for the generation of highly charged ions, a multi-strip EZRIQ can be built for large-scale generation of highly charged ions. For this purpose, a second plane of the same, but oppositely polarized magnetic dipole strips is arranged at the z position z = -h <-a. On the z-axis, one obtains a B min of B z in the middle between the two dipole magnetic strip layers, which, however, represents a maximum of B z in the x-direction. So that a minimum of the magnitude of the magnetic field B is also obtained in the x direction, magnets magnetized in the x direction with the dimensions Δx = c 'with c / 8 <c'<c / 2, Δy = d 'with c / 8 < d '<c / 2, Δz <hl' at positions z = h / 2, x = ± na ± c / 2 - (± c '/ 2) with changing polarities with the period a and y = ± md' with changing polarities with period d 'are attached. This MBMK generated in the xz plane is expandable in the y direction and must be completed at the y limits by rotating the magnet arrangement around the z axis. In addition to the EZR discharge, one of the other gas discharges mentioned above can also be maintained in this now closed MBMK, advantages being achieved in that the plasma-wall interaction in a MBMK is strongly suppressed and long service lives of MBMK sources are possible will.

Zwischen den weiter oben vorgestellten Dipolstreifen mit Magnetisierung in z-Richtung lassen sich ebenfalls magnetfeldunterstützte Gasentladungen aufrechterhalten, so daß eine be­ liebig großflächige Erzeugung von Elektronen und Ionen mit streifenförmigen Extraktions­ geometrien möglich werden. Durch eine zweite in z-Richtung versetzte Schicht solcher Dipol­ streifen können wieder eine Vielfalt von günstigen Magnetfeldstrukturen für die verschiedenen Gasentladungsformen erzeugt werden. Insbesondere wenn die zweite Schicht im Vergleich zur ersten eine umgekehrte Magnetisierung besitzt, wird zwischen den Schichten wieder eine weit ausgedehnte MBMK durch zusätzliche Magnete mit Magnetisierung in x-Richtung, wie im vorigen Paragraphen beschrieben, möglich.Between the dipole strips with magnetization in the z direction presented above Magnetic field-assisted gas discharges can also be maintained, so that a be generous generation of electrons and ions with strip-shaped extraction geometries become possible. By means of a second layer of such dipoles offset in the z direction Again, a variety of cheap magnetic field structures for the different can strip Forms of gas discharge are generated. Especially when the second layer compared to the the first one has a reverse magnetization, another becomes wide between the layers Extended MBMK through additional magnets with magnetization in the x direction, as in the described previous paragraphs, possible.

Als 1. Ausführungsbeispiel kann eine Multicusp-Ionenquelle mit in x-Richtung periodisch angeordneten Dipolmagnetstreifen gleicher Polarität und mit ±y-Abmessungen bis zu den Gasentladungsumrandungen aufgebaut werden, die in Fig. 1 gezeigt wird. Sie besteht aus einer Plasmakammer (1), die hier beispielsweise als Quader ausgeführt ist, in der das für die Plasma­ erzeugung erforderliche Vakuum erzeugt und der Restdruck des gewünschten Gases durch einen Gas- und oder Feststoffverdampfereinlaß (2) aufrechterhalten wird, und in die entweder Radio- oder Mikrowellen (3) für Radio- oder Mikrowellenentladungen eingekoppelt werden oder Kaltkathoden, Heißkathoden, Elektronenstrahlen oder Laserstrahlen für Plasmatron-, Magnetron-, Penning-, Bogen- oder Funkenentladungen eingebracht werden. Auf der Ionenextraktionsseite ist die Plasmakammer mit einer Plasmaelektrode (4) abgeschlossen, der in Extraktionsrichtung (5) eine Extraktionselektrode (6) folgt. Durch die Öffnungen der Plasma- und Extraktionselektroden werden die im Plasma (7) erzeugten Ionen aus dem Plasma extra­ hiert, wobei durch eine Spannungsdifferenz zwischen der Plasma- und der Extraktionselek­ trode ein sogenanntes Ziehfeld aufgebaut wird. Die Extraktionselektrode muß dabei negativer als die Plasmaelektrode für die Extraktion positiver Ionen sein und positiver als die Plasma­ elektrode für die Extraktion negativer Ionen oder Elektronen. Die Plasmakammer ist von quadratischen Ringen von permanenten Dipolmagneten (8) umgeben, deren Magnetisierungs­ richtung senkrecht auf der z-Achse (9) liegt, und die sich von Ring zu benachbartem Ring um­ kehrt. Auf der Rückseite (10) der Plasmakammer sind ebenfalls quadratische Ringe permanen­ ter Dipolmagnete (11) angebracht, deren Magnetisierung parallel zur z-Achse ist, und die sich von Ring zu benachbartem Ring umkehrt. Auf der Extraktionsseite werden in die Trägerstruk­ tur der Plasmaelektrode (4) permanente Dipolmagnete (12) beliebiger Form, hier Quaderform mit Abmessungen Δx = c, Δy = d, Δz = 1, in Streifen längs der y-Achse mit y-Ausdehnung gleich der um a verkürzten y-Abmessung der Plasmakammer im Abstand dx = a (13) eingelas­ sen, deren Magnetisierung parallel zur z-Achse liegt und für alle Streifen die gleiche Richtung besitzt. In die Trägerstruktur aus gut wärmeleitendem Material werden zum Schutz der Perma­ nentmagnete Kühlmittelkanäle (14) eingelassen. Die relative Magnetisierung der Ringe (8), (11) und der Dipolmagnete (12) ist wie z. B. in Fig. 1 durch Angabe der Magnetpole so zu wählen, daß die Plasmakammerecken durch viertelkreisartige Magnetfeldlinien (15) geschützt werden. Von den Nordpolen der Dipolreihen zurückgedrängte, geladene Teilchen des Plasmas (7) werden längs der Magnetfeldlinien (16) zu den Plasmaelektrodenspalten (17) geführt und von dort durch das zwischen Extraktionselektrode (6) und Plasmaelektrode erzeugte Ziehfeld durch die Extraktionselektrodenspalte (18) hindurch in Form bandförmiger Strahlen (19) ex­ trahiert. Durch Wahl der Abmessungen c, l, a kann die Zahl und Dichte dieser Bandstrahlen bezüglich der x-Achse festgelegt werden. Durch Wahl der z-Position der Plasmaelektro­ denspalte bezüglich der x-y-Ebene wird die Extraktion der gewünschten Teilchen optimiert. Für die Extraktion negativer Ionen ist diese Position deutlich unterhalb der x-y-Ebene zu wählen, wobei z. B. unterhalb der Dipolmagnetreihen angebrachte Cäsium-Dispenser für die Erzeugung des dort benötigten Cäsium-Dampfs sorgen. Die in Fig. 1 gezeigten Dipolmagne­ treihen lassen sich durch Bündel elektrischer Strombahnen in y-Richtung ersetzten, deren Stromrichtung sich von Bündel zum in x-Richtung benachbarten Bündel umkehrt. Dadurch entstehen einerseits beste magnetische Extraktionsbedingungen, andererseits aber an den y- Grenzen der Plasmakammer gewisse magnetische Einschlußprobleme, die jedoch durch zusätzliche Strombündel in x-Richtung am y-Rand der Gasentladung vermieden oder bei großen y-Abmessungen der Plasmakammer vernachlässigt werden können.As a first exemplary embodiment, a multicusp ion source can be constructed with dipole magnetic strips of the same polarity periodically arranged in the x direction and with ± y dimensions up to the gas discharge borders, which is shown in FIG. 1. It consists of a plasma chamber ( 1 ), which is designed here, for example, as a cuboid, in which the vacuum required for plasma generation is generated and the residual pressure of the desired gas is maintained through a gas and or solid evaporator inlet ( 2 ), and in which either Radio or microwaves ( 3 ) for radio or microwave discharges can be coupled in or cold cathodes, hot cathodes, electron beams or laser beams for plasmatron, magnetron, Penning, arc or spark discharges can be introduced. On the ion extraction side, the plasma chamber is closed off with a plasma electrode ( 4 ), which is followed by an extraction electrode ( 6 ) in the extraction direction ( 5 ). Through the openings of the plasma and extraction electrodes, the ions generated in the plasma ( 7 ) are extracted from the plasma, a so-called pulling field being built up by a voltage difference between the plasma and the extraction electrode. The extraction electrode must be more negative than the plasma electrode for the extraction of positive ions and more positive than the plasma electrode for the extraction of negative ions or electrons. The plasma chamber is surrounded by square rings of permanent dipole magnets ( 8 ), the magnetization direction of which is perpendicular to the z-axis ( 9 ), and which is reversed from ring to adjacent ring. On the back ( 10 ) of the plasma chamber, square rings of permanent dipole magnets ( 11 ) are also attached, the magnetization of which is parallel to the z-axis, and which is reversed from ring to adjacent ring. On the extraction side in the support structure of the plasma electrode ( 4 ) permanent dipole magnets ( 12 ) of any shape, here cuboid shape with dimensions Δx = c, Δy = d, Δz = 1, in strips along the y-axis with y-extension equal to Shortened by a y dimension of the plasma chamber at a distance dx = a ( 13 ) whose magnetization is parallel to the z-axis and has the same direction for all strips. In the support structure made of a good heat-conducting material, coolant channels ( 14 ) are embedded to protect the permanent magnets. The relative magnetization of the rings ( 8 ), ( 11 ) and the dipole magnets ( 12 ) is such. B. in Fig. 1 by specifying the magnetic poles so that the plasma chamber corners are protected by quarter-circle magnetic field lines ( 15 ). Charged particles of the plasma ( 7 ) pushed back from the north poles of the dipole rows are guided along the magnetic field lines ( 16 ) to the plasma electrode columns ( 17 ) and from there through the pulling field generated between the extraction electrode ( 6 ) and the plasma electrode through the extraction electrode column ( 18 ) Form of ribbon-shaped rays ( 19 ) ex tracted. The number and density of these band beams with respect to the x-axis can be determined by choosing the dimensions c, l, a. The extraction of the desired particles is optimized by selecting the z position of the plasma electrode column with respect to the xy plane. For the extraction of negative ions, this position should be chosen well below the xy plane. B. below the dipole magnet rows attached cesium dispenser for the generation of the cesium vapor required there. The dipole magnets shown in FIG. 1 can be replaced by bundles of electrical current paths in the y direction, the current direction of which reverses from the bundle to the bundle adjacent in the x direction. This creates the best magnetic extraction conditions on the one hand, but on the other hand certain magnetic inclusion problems at the y limits of the plasma chamber, which, however, can be avoided by additional current bundles in the x direction at the y edge of the gas discharge or can be neglected in the case of large y dimensions of the plasma chamber.

Als 2. Ausführungsbeispiel wird eine Multi-Minimum-B-Magnetfeld-Konfiguration in Fig. 2 mit beliebiger y-Abmessung und sich periodisch wiederholenden MBMK in x-Richtung für Extraktion von Vielfachstreifenstrahlen (49) in z-Richtung (39) gezeigt. Sie besteht aus Plas­ makammern (31), die hier beispielsweise als Quader ausgeführt sind, in denen das für die Plas­ maerzeugung erforderliche Vakuum erzeugt und der Restdruck des gewünschten Gases durch Gas- und oder Feststoffverdampfereinlässe (32) aufrechterhalten wird, und in die entweder Radio- oder Mikrowellen (33) für Radio- oder Mikrowellenentladungen eingekoppelt werden oder Kaltkathoden, Heißkathoden, Elektronenstrahlen oder Laserstrahlen für Plasmatron-, Magnetron-, Penning-, Bogen- oder Funkenentladungen eingebracht werden. Auf der Extrak­ tionsseite sind die Plasmakammern mit Plasmaelektroden (34) abgeschlossen, denen in Extrak­ tionsrichtung (35) eine Extraktionselektrode (36) folgt. Durch die Öffnungen in den Plasma- und Extraktionselektroden werden die im Plasma (37) erzeugten Ionen(Elektronen) aus dem Plasma extrahiert, wobei die Spannungsdifferenz zwischen den Plasmaelektroden und der Ex­ traktionselektrode wie im Ausführungsbeispiel 1 zu wählen ist. Für die MBMK' s werden zwei Ebenen entgegengesetzt gepolter Dipolmagnetstreifen (38) mit beliebiger y-Abmessung, die in ±x-Richtung magnetisiert sind, angeordnet. Auf der z-Achse erhält man damit ein Bmin von Bz in der Mitte zwischen den beiden Dipolmagnetstreifenlagen, das allerdings in x-Richtung ein Maximum von Bz darstellt. Damit auch in x-Richtung ein Minimum des Betrags des Magnet­ feldes B erhalten wird, sind in ±x-Richtung magnetisierte Magnete (39) angebracht, die die Plasmakammern jeweils mit gleichen Magnetpolen einschließen und beim Fortschreiten in y- Richtung periodisch ihre Magnetisierungsrichtung ändern, wobei die Periode in y-Richtung einen Bruchteil von etwa 1/3 bis 1/8 der Plasmakammerbreiten in x-Richtung beträgt. Es ent­ stehen so MBMK's, die in y-Richtung beliebig ausdehnbar sind und an den y-Grenzen durch rotierende Fortsetzung der Magnetanordnung um die z-Achse abgeschlossen werden. In diesen MBMK's sind EZR-Entladungen besonders günstig, es können aber auch eine der anderen oben genannten Gasentladungen in dieser nun abgeschlossenen MBMK aufrechterhalten wer­ den, wobei Vorteile dadurch erreicht werden, daß die Plasma-Wand-Wechselwirkung in einer MBMK stark unterdrückt und damit lange Standzeiten von MBMK-Teilchen-Quellen möglich werden. Durch Wahl der Abmessungen kann die Zahl und Dichte der extrahierten Teilchen­ bandstrahlen (49) bezüglich der x-Achse festgelegt werden. Durch Wahl der z-Position der Plasmaelektrodenspalte bezüglich der x-y-Ebene wird die Extraktion der gewünschten Teilchen optimiert. Die in Fig. 2 gezeigten Dipolmagnetstreifen (38) lassen sich durch Bündel elektri­ scher Strombahnen in y-Richtung ersetzten. Die Dipolmagnete mit Magnetisierung in ±x- Richtung, deren Magnetisierung sich bei Fortschreiten in y-Richtung periodisch wechselt, kön­ nen dann durch Strombündel in z-Richtung ersetzt werden, wobei sich die Stromrichtung bei Fortschreiten in y-Richtung periodisch ändern muß. Für die Extraktion negativer Ionen gelten dieselben Ausführungen wie zum Ausführungsbeispiel 1.As a second exemplary embodiment, a multi-minimum B magnetic field configuration is shown in FIG. 2 with any y dimension and periodically repeating MBMK in the x direction for extraction of multiple stripe beams ( 49 ) in the z direction ( 39 ). It consists of plasma chambers ( 31 ), which are designed here, for example, as cuboids, in which the vacuum required for plasma generation is generated and the residual pressure of the desired gas is maintained by gas and or solid-state evaporator inlets ( 32 ), and in which either radio - Or microwaves ( 33 ) are coupled in for radio or microwave discharges or cold cathodes, hot cathodes, electron beams or laser beams for plasmatron, magnetron, Penning, arc or spark discharges are introduced. On the extraction side, the plasma chambers are closed with plasma electrodes ( 34 ), which are followed by an extraction electrode ( 36 ) in the extraction direction ( 35 ). The ions (electrons) generated in the plasma ( 37 ) are extracted from the plasma through the openings in the plasma and extraction electrodes, the voltage difference between the plasma electrodes and the extraction electrode being selected as in exemplary embodiment 1. For the MBMK 's, two planes of oppositely polarized dipole magnetic strips ( 38 ) with any y dimension, which are magnetized in the ± x direction, are arranged. On the z-axis, one obtains a B min of B z in the middle between the two dipole magnetic strip layers, which, however, represents a maximum of B z in the x direction. So that a minimum of the magnitude of the magnetic field B is also obtained in the x direction, magnets ( 39 ) magnetized in the ± x direction are attached, each enclosing the plasma chambers with the same magnetic poles and periodically changing their magnetization direction as they progress in the y direction. the period in the y direction being a fraction of about 1/3 to 1/8 of the plasma chamber widths in the x direction. This results in MBMKs, which can be expanded as required in the y direction and are closed at the y limits by rotating the magnet arrangement around the z axis. In these MBMKs, EZR discharges are particularly cheap, but one of the other gas discharges mentioned above can also be maintained in this now completed MBMK, the advantages being achieved in that the plasma-wall interaction in an MBMK is strongly suppressed and therefore long Service lives of MBMK particle sources become possible. By selecting the dimensions, the number and density of the extracted particle ribbon beam (49) with respect to the x-axis are defined. The extraction of the desired particles is optimized by choosing the z position of the plasma electrode column with respect to the xy plane. The dipole magnetic strips ( 38 ) shown in FIG. 2 can be replaced by bundles of electrical current paths in the y direction. The dipole magnets with magnetization in the ± x direction, the magnetization of which changes periodically when advancing in the y direction, can then be replaced by current bundles in the z direction, the current direction having to change periodically when advancing in the y direction. The same statements as for embodiment 1 apply to the extraction of negative ions.

Claims (12)

1. Quelle zur Erzeugung von Strahlen beliebiger einfach positiver oder negativer, mehrfach positiver oder hoch geladener Ionen oder Elektronen durch die Erzeugung und Extraktion der geladenen Teilchen aus einem in einer Quellenvorrichtung enthaltenen Plasma, das durch Erzeugung und Heizung(Beschleunigung) von Elektronen aufrechterhalten wird, mit einer Plasmakammer (1), in der das für die Plasmaerzeugung erforderliche Vakuum erzeugt und der Restdruck des gewünschten Gases durch einen Gas- und oder einen Feststoffverdampfereinlaß (2) aufrechterhalten wird, mit einer Plasmaelektrode (4) als Abschluß der Plasmakammer und einer außerhalb der Plasmakammer liegenden Extraktionselektrode (5), die beide jeweils aus einer mechanischen Trägerstruktur und mindestens einer oder vielen Elektrodenöffnungen bestehen, durch deren beider ionenoptisch fluchtende Öffnungen hindurch die erzeugten Ionen aus dem Plasma extrahiert werden, wobei durch eine elektrische Spannungsdifferenz zwischen der Plasma- und der Extraktionselektrode ein sogenanntes Ziehfeld aufgebaut wird, das durch die Öffnung(en) der Plasmaelektrode hindurch einen Ziehfelddurchgriff in das Plasma hinein erzeugt, mit dem die Ionen aus dem Plasma gezogen werden, dadurch gekennzeichnet, daß in oder vor die Trägerstruktur der Plasmaelektrode mit ihren Plasmaelektrodenöffnun­ gen Permanentmagnete oder entsprechende Magnetfeld erzeugende Stromführungen so mit einer Kühlvorrichtung zwecks Vermeidung von Überhitzung eingebaut werden, daß die gela­ denen Teilchen der Gasentladung unter dem Einfluß der erzeugten Magnetfelder von den Trägerstrukturen weg in Richtung der Plasmaelektrodenöffnungen gelenkt werden, von wo sie extrahiert werden können, und daß die geladenen Teilchen der Gasentladung unter dem Einfluß der erzeugten Magnetfelder insgesamt magnetisch eingeschlossen werden, d. h. länger in der Gasentladung bleiben bevor sie auf eine Plasmakammerwand treffen oder extrahiert werden.1. Source for generating rays of any single positive or negative, multiply positive or highly charged ions or electrons by generating and extracting the charged particles from a plasma contained in a source device, which is maintained by generating and heating (accelerating) electrons, with a plasma chamber ( 1 ) in which the vacuum required for plasma generation is generated and the residual pressure of the desired gas is maintained by a gas and or a solid evaporator inlet ( 2 ), with a plasma electrode ( 4 ) as the end of the plasma chamber and one outside the Extraction electrode ( 5 ) lying in the plasma chamber, both of which each consist of a mechanical support structure and at least one or many electrode openings, through the two ion-optically aligned openings through which the ions generated are extracted from the plasma, with an electrical voltage difference between A so-called pulling field is built up in the plasma and the extraction electrode, which generates a pulling field penetration into the plasma through the opening (s) of the plasma electrode, with which the ions are drawn out of the plasma, characterized in that in or in front of the carrier structure the plasma electrode with its plasma electrode openings, permanent magnets or corresponding magnetic field-generating current guides are installed with a cooling device in order to avoid overheating, that the charged particles of the gas discharge are directed away from the support structures in the direction of the plasma electrode openings under the influence of the generated magnetic fields, from where they are can be extracted, and that the charged particles of the gas discharge are magnetically enclosed under the influence of the generated magnetic fields, ie remain longer in the gas discharge before they hit a plasma chamber wall or are extracted. 2. Ionenquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß gleich gerichtete, permanente Dipolmagnete mit ihrer geometrischen und Magnetisier­ ungsachse parallel oder antiparallel zur Extraktionsrichtung regelmäßig mit ihrer Mitte in der x-y-Extraktionsebene an Positionen angeordnet werden, die sich in x- und y- Richtung perio­ disch wiederholen, so daß eine Extraktion geladener Teilchen aus der Gasentladung durch Plasmaelektrodenlöcher günstig wird, die an den Diagonalmitten zwischen den Dipolen in der, oberhalb der oder unterhalb der x-y-Ebene angebracht werden. 2. ion source according to claim 1, characterized, that rectified, permanent dipole magnets with their geometric and magnetizing axis parallel or antiparallel to the extraction direction regularly with its center in the The x-y extraction plane can be arranged at positions that are perio in the x and y directions repeat ed, so that an extraction of charged particles from the gas discharge by Plasma electrode holes, which are located at the diagonal centers between the dipoles in the be placed above or below the x-y plane.   3. Ionenquelle nach Ansprüchen 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß die in Anspruch 2 beschriebenen Dipolmagnete in mechanische Trägerstreifen mit inte­ grierten Kühlmittelleitungen mit y-Ausdehnung bis zu den Gasentladungsumrandungen eingelassen sind, die sich in x-Richtung periodisch wiederholen, und daß die Plasmaelektroden­ löcher als Plasmaelektrodenlochstreifen oder als Plasmaelektrodenspaltstreifen, deren Längs­ ausdehung in Teilstücken oder ganz bis zu den Gasentladungsumrandungen reicht, zwischen den Trägerstreifen angebracht werden.3. ion source according to claims 1 to 2, characterized, that the dipole magnets described in claim 2 in mechanical carrier strips with inte grilled coolant lines with y-expansion up to the gas discharge borders are inserted, which are repeated periodically in the x direction, and that the plasma electrodes holes as plasma electrode strips or as plasma electrode gap strips, the longitudinal expansion in sections or all the way to the gas discharge borders, between the carrier strips are attached. 4. Ionenquelle nach Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die in Ansprüchen 1 bis 3 beschriebenen Dipolmagnete in Trägerstreifenrichtung zu Di­ polmagnetstreifen ohne Zwischenräume aneinandergefügt und in die Trägerstreifen mit Kühlvorrichtung eingebettet werden, wobei die Dipolmagnetstreifen eine Längsausdehnung bis zu den Gasentladungsumrandungen erreichen oder in kürzere Abschnitte aufgeteilt werden können und wobei die Zwischenräume zwischen den Dipolmagnetstreifen an den Gasentladungsumrandungen durch Dipolmagnete der selben Magnetisierung geschlossen wer­ den.4. ion source according to claims 1 to 3, characterized, that the dipole magnets described in claims 1 to 3 in the carrier strip direction to Di Magnetic stripes joined together without gaps and in the carrier strips with Cooling device are embedded, the dipole magnetic strips having a longitudinal extent to reach the gas discharge borders or be divided into shorter sections can and with the spaces between the dipole magnetic strips to the Gas discharge borders are closed by dipole magnets of the same magnetization the. 5. Ionenquelle nach Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß statt der Vielfachloch(spalt)extraktion aus einer gemeinsamen Gasentladung für jede Plas­ maelektrodenöffnung oder für Gruppen von Plasmaelektrodenöffnungen jeweils eine eigene Gasentladung lokal aufrechterhalten wird, aus der lokal extrahiert wird, wobei diese lokale Gasentladung durch entsprechende lokale Anbringung von Kaltkathoden, Heißkathoden, An­ odenelektroden, ganzen Elektronenstrahlern, Laserstrahlen, Radio- oder Mikrowellenfrequenz­ antennen, Mikrowellenresonatoren unter Ausnützung des lokalen Magnetfeldes eine der bekannten Entladungstypen wie Elektronenbeschuß-, Plasmatron-, Magnetron-, Penning-, Ra­ diofrequenz-, Mikrowellen-, Elektronenzyklotronresonanz oder Bogenentladung sein kann, so daß durch Aneinanderreihen in der x-y-Ebene vieler solcher lokaler Einheiten, die aus Dipol­ magneten, Plasmaelektrodenöffnungen mit korrespondierenden Extraktionselektrodenöffnun­ gen und den eben beschriebenen, lokalen Gasentladungserzeugungsbauelementen bestehen, ein Flächenstrahler beliebig großer x-y-Ausdehnung für geladene Teilchenstrahlen in z-Richtung zusammengesetzt werden kann. 5. ion source according to claims 1 to 4, characterized, that instead of the multi-hole (gap) extraction from a common gas discharge for each plas electrode or for groups of plasma electrode openings each has its own Gas discharge is maintained locally, from which is extracted locally, this being local Gas discharge through appropriate local attachment of cold cathodes, hot cathodes, an electrode electrodes, whole electron emitters, laser beams, radio or microwave frequency antennas, microwave resonators using the local magnetic field one of the known discharge types such as electron bombardment, plasmatron, magnetron, Penning, Ra can be diofrequency, microwave, electron cyclotron resonance or arc discharge, so that by stringing together in the x-y plane many such local units made up of dipole magnets, plasma electrode openings with corresponding extraction electrode openings conditions and the local gas discharge generation components just described exist Area radiator of any size x-y extension for charged particle beams in the z direction can be put together.   6. Ionenquelle nach Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die x-y-Extraktionsebene in eine gekrümmte Fläche umgeformt ist, deren Krümmungsra­ dien groß gegenüber den tangentialen Dipolabständen in der Fläche sind.6. ion source according to claims 1 to 5, characterized, that the x-y extraction plane is transformed into a curved surface, the curvature which are large compared to the tangential dipole distances in the area. 7. Ionenquelle nach Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zur Unterstützung der in Anspruch 5 beschriebenen lokalen Gasentladungen eine zweite Schicht von gleichen Dipolmagnetanordnungen so in z-Richtung einer Entfernung von der x-y- Ebene angebracht ist, daß die Gasentladungen zwischen den beiden Magnetschichten brennen, wobei die die Gasentladung erzeugenden Bauelemente dieser erweiterten Magnetstruktur angepaßt werden.7. ion source according to claims 1 to 6, characterized, that to support the local gas discharges described in claim 5, a second Layer of the same dipole magnet arrangements so in the z-direction a distance from the x-y Level is that the gas discharges burn between the two magnetic layers, the components of this expanded magnetic structure that generate the gas discharge be adjusted. 8. Ionenquelle nach Ansprüchen 1, 5 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß lokale Gasentladungen auf das Volumen zwischen zwei Dipolmagnetstreifen und zwischen die beiden Magnetstreifenschichten dadurch begrenzt werden können, daß im Mittenbereich dieses Volumens ein Minimum des Betrages des Magnetfeldes erzeugt wird, von dem aus der Betrag des Magnetfeldes in alle Richtungen nach außen hin ansteigt, wofür die beiden Dipol­ magnetstreifenschichten durch Magnete ergänzt werden, die zwischen den Dipolmagnetstreifen der beiden Schichten mit Magnetisierung senkrecht zur Streifenrichtung und senkrecht zur Ex­ traktionsrichtung so angebracht werden, daß sie die Gasentladung mit gleichen, gegenüberlie­ genden Polen einschließt, wobei die Polarität dieser Magnetpaare, die in Dipolmagnetstreifen­ richtung eine Abmessung der Größenordnung von ein Achtel bis ein Viertel des Dipolmagnet­ streifenabstandes besitzen, das Vorzeichen beim Fortschreiten in Dipolmagnetstreifenrichtung periodisch wechselt, wobei diese Magnetstruktur an den Dipolmagnetstreifenenden durch rotierende Fortsetzung der Magnetstruktur um die Extraktionsrichtungsachse magnetisch geschlossen wird.8. ion source according to claims 1, 5 and 7, characterized, that local gas discharges on the volume between two dipole magnetic strips and between the two magnetic stripe layers can be limited by the fact that in the middle area this volume a minimum of the amount of the magnetic field is generated from which the Amount of the magnetic field increases in all directions outwards, for which the two dipoles Magnetic stripe layers are supplemented by magnets placed between the dipole magnetic stripes of the two layers with magnetization perpendicular to the direction of the strip and perpendicular to the Ex traction direction are attached so that they have the same gas discharge, opposite Including poles, the polarity of these magnet pairs being that in dipole magnetic strips direction a dimension of the order of one eighth to a quarter of the dipole magnet strip spacing, the sign when advancing in the dipole magnetic strip direction changes periodically, this magnetic structure passing through at the dipole magnetic strip ends rotating continuation of the magnetic structure around the extraction direction axis magnetic is closed. 9. Ionenquelle nach Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß Dipolmagnetstreifen mit Magnetisierung senkrecht zur Extraktionsrichtung verwendet werden, wobei benachbarte Streifen entgegengesetzte Magnetisierung besitzen, so daß sich in der Mitte zwischen den Dipolmagnetstreifen Orte mit Magnetfeld gleich null ausbilden, und wobei nach Anspruch 7 eine eventuelle zweite Schicht von Dipolmagnetstreifen gleiche oder entgegengesetzte Magnetisierung relativ zur ersten Schicht habe, damit letztere Anordnung mit Zusatzmagneten nach Anspruch 8 zu einer Magnetfeldstruktur mit einem Minimum des Betrags des Magnetfeldes im Bereich zwischen den Dipolmagnetstreifen und zwischen den Dipolmagnetschichten führt, die an den Dipolmagnetstreifenenden durch rotierende Fortsetzung der Magnetstruktur um die Extraktionsrichtungsachse magnetisch geschlossen wird, und an die die Gasentladung erzeugenden Bauelemente angepaßt werden.9. ion source according to claims 1 to 8, characterized, that dipole magnetic strips with magnetization used perpendicular to the extraction direction are, with adjacent strips having opposite magnetization, so that in form locations with a magnetic field equal to zero between the dipole magnetic strips, and wherein according to claim 7, a possible second layer of dipole magnetic strips the same or have opposite magnetization relative to the first layer, so that the latter arrangement with Additional magnet according to claim 8 to a magnetic field structure with a minimum of Amount of the magnetic field in the area between the dipole magnetic strips and between the  Dipole magnetic layers leads by rotating at the dipole magnetic strip ends Continuation of the magnetic structure around the extraction direction axis magnetically closed will, and be adapted to the components producing the gas discharge. 10. Ionenquelle nach Ansprüchen 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß dem magnetische Einschluß der Gasentladung durch ein Maximum des Magnetfeldes zwischen Gasentladung und Plasmaelektrodenöffnung dafür sorgt, daß vorwiegend nur Neu­ tralteilchen aus der Gasentladung diese Magnetfeldbarriere in das Volumen zwischen Magnet­ feldmaximum und Plasmaelektrodenöffnungen überwinden, in dem diese Neutralteilchen durch Alkali- oder Erdalkalidampfzufuhr durch Elektroneneinfang im Volumen, an den Wänden oder an den Plasmaelektrodenlochrändern in negative Ionen umgeladen werden, die dann durch ein entsprechend gepoltes Ziehfeld durch die Plasmaelektrodenöffnungen extrahiert werden.10. ion source according to claims 1 to 9, characterized, that the magnetic confinement of the gas discharge by a maximum of the magnetic field between gas discharge and plasma electrode opening ensures that predominantly only new particles from the gas discharge this magnetic field barrier into the volume between the magnet overcome field maximum and plasma electrode openings by passing through these neutral particles Alkaline or alkaline earth vapor supply by electron trapping in the volume, on the walls or at the plasma electrode hole edges are charged into negative ions, which are then replaced by a appropriately polarized pull field can be extracted through the plasma electrode openings. 11. Ionenquelle nach Ansprüchen 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Permanentmagnetstrukturen und oder die Trägerstrukturen durch Strukturen aus ferromagnetischem Material ergänzt werden.11. ion source according to claims 1 to 10, characterized in that the permanent magnet structures and or the support structures are supplemented by structures made of ferromagnetic material. 12. Ionenquelle nach Ansprüchen 1 bis 8 und 10 und 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Dipolmagnetstreifen teilweise oder ganz durch Streifenbündel gleichsinnig strom­ führender elektrischer Leiter ersetzt werden, wobei benachbarte Streifenbündel entgegenge­ setzte Stromrichtung besitzen und wobei an den Streifenenden kurze, quer liegende Streifen­ bündel mit angepaßter Stromrichtung dafür sorgen, daß geladene Teilchen magnetisch in den Bereich zwischen den Längsstreifenbündeln geführt werden, wo die Plasmaelektrodenöffnun­ gen angebracht werden.12. ion source according to claims 1 to 8 and 10 and 11, characterized, that the dipole magnetic strips flow partially or completely in the same direction through bundles of strips leading electrical conductor are replaced, with adjacent bundles of strips opposite set current direction and with short, transverse strips at the strip ends bundles with adapted current direction ensure that charged particles magnetically in the Area between the longitudinal strip bundles where the plasma electrode openings now be attached.
DE1998121802 1998-05-15 1998-05-15 Ion or electron beam source for e.g. for multi-cusp ion source Withdrawn DE19821802A1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE1998121802 DE19821802A1 (en) 1998-05-15 1998-05-15 Ion or electron beam source for e.g. for multi-cusp ion source

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE1998121802 DE19821802A1 (en) 1998-05-15 1998-05-15 Ion or electron beam source for e.g. for multi-cusp ion source

Publications (1)

Publication Number Publication Date
DE19821802A1 true DE19821802A1 (en) 1999-12-02

Family

ID=7867856

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE1998121802 Withdrawn DE19821802A1 (en) 1998-05-15 1998-05-15 Ion or electron beam source for e.g. for multi-cusp ion source

Country Status (1)

Country Link
DE (1) DE19821802A1 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2003049139A1 (en) * 2001-12-07 2003-06-12 Centre National De La Recherche Scientifique Electron source
DE102004011118A1 (en) * 2004-03-08 2005-10-06 Leybold Optics Gmbh External electrode for a plasma beam source preferably a high frequency source has hole pattern in a screen

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4559477A (en) * 1983-11-10 1985-12-17 The United States Of America As Represented By The United States Department Of Energy Three chamber negative ion source
JPH0845457A (en) * 1994-07-29 1996-02-16 Nissin Electric Co Ltd Ion source device

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4559477A (en) * 1983-11-10 1985-12-17 The United States Of America As Represented By The United States Department Of Energy Three chamber negative ion source
JPH0845457A (en) * 1994-07-29 1996-02-16 Nissin Electric Co Ltd Ion source device

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
JP-Abstr. 5-128984 (A) In: Pat. Abstr. of JP, E-1429 Sept. 9, 1993, Vol. 17/No. 501 *
JP-Abstr. 59-16255 (A) In: Pat. Abstr. of JP, E-243 May 10, 1984, Vol. 8/No. 99 *
JP-Abstr. 6-251737 (A) In: Pat. Abstr. of JP, E-1639 Dec. 6, 1994, Vol. 18/No. 641 *

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2003049139A1 (en) * 2001-12-07 2003-06-12 Centre National De La Recherche Scientifique Electron source
US7911120B2 (en) 2001-12-07 2011-03-22 Centre National De La Recherche Scientifique Source for providing an electron beam of settable power
DE102004011118A1 (en) * 2004-03-08 2005-10-06 Leybold Optics Gmbh External electrode for a plasma beam source preferably a high frequency source has hole pattern in a screen
DE102004011118B4 (en) * 2004-03-08 2009-09-24 Leybold Optics Gmbh Aperture-aperture extraction electrode for a plasma jet source

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US6094012A (en) Low energy spread ion source with a coaxial magnetic filter
DE69019741T2 (en) ION RAY CANNON.
US4486665A (en) Negative ion source
DE3784241T2 (en) FLUORESCENT LIGHTING SYSTEM.
DE60307609T2 (en) DEVICE FOR LIMITING A PLASMA IN A VOLUME
TW201535453A (en) A ribbon beam ion source of arbitrary length
Skalyga et al. High current proton source based on ECR discharge sustained by 37.5 GHz gyrotron radiation
US6985553B2 (en) Ultra-short ion and neutron pulse production
Takeiri et al. Development of an intense negative hydrogen ion source with an external magnetic filter
US3713967A (en) Energetic neutral particle injection system for controlled fusion reactor
DE3881579T2 (en) ION SOURCE.
DE3424449A1 (en) SOURCE FOR NEGATIVE IONS
US7723707B2 (en) Techniques for plasma injection
Wang et al. Mechanism of electron cloud clearing in the accumulator ring of the Spallation Neutron Source
Inoue et al. Multi-ampere negative hydrogen ion source for fusion application
DE19821802A1 (en) Ion or electron beam source for e.g. for multi-cusp ion source
Kutner Intense high charge state ion sources
US3611029A (en) Source for highly stripped ions
Oura et al. Experimental setups for photoionization of multiply charged ions by synchrotron radiation
Simonin et al. 70 keV neutral hydrogen beam injector with energy recovery for application in thermonuclear fusion research
Simonin et al. The drift source: A negative ion source module for direct current multiampere ion beams
Kuroda Development of high current negative ion source
JPH0589792A (en) Ion source having cyclotron resinance function
Hershkowitz et al. The effect of picket-fence surface magnetic fields at the end of a magnetized plasma
Alton Sources of low-charge-state positive-ion beams

Legal Events

Date Code Title Description
OP8 Request for examination as to paragraph 44 patent law
8122 Nonbinding interest in granting licenses declared
8139 Disposal/non-payment of the annual fee