DE2016038A1 - Ionenquelle - Google Patents
IonenquelleInfo
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- H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
- H01J27/00—Ion beam tubes
- H01J27/02—Ion sources; Ion guns
- H01J27/08—Ion sources; Ion guns using arc discharge
- H01J27/10—Duoplasmatrons ; Duopigatrons
- H01J27/12—Duoplasmatrons ; Duopigatrons provided with an expansion cup
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- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Combustion & Propulsion (AREA)
- Electron Sources, Ion Sources (AREA)
Description
Dlpl.-Ing. Π. Π Λ HC TZ sen.
Dlpl-tn--. K. LAMPaECHT
Dr.-lv3. F.1. D U ti T Z jr.
8 München 22, Steinsdorfstr. 10
8 München 22, Steinsdorfstr. 10
-'■ 410-15.575P . 3.4.1970
Commissariat ä I1Energie Atomique, Paris (Frankreich)
Ionenquelle
Die Erfindung hat eine Ionenquelle mit gleichmäßiger Verteilung der austretenden Ionen in radialer Richtung zum
Gegenstand. '
Ein wichtiger Parameter, der beim Bau einer Ionenquelle in Betracht zu ziehen ist, ist die Erzielung einer großen
Anzahl am Ausgang der Ionenquelle verfügbarer Ionen. Diese Ionen sind im allgemeinen beschleunigte Ionen, und es ist
daher zur Verminderung der Verluste an geladenen Teilchen unabdingbar, daß der aus der Ionenquelle austretende Ionenstrahl
bestimmten Forderungen genügt, die durch theoretische undexperimentelle Untersuchungen festgelegt sind. So muß beispielsweise
der aus der Ionenquelle austretende Ionenstrahl einerseits einen erheblichen Durchmesser und andererseits eine
gleichförmige Dichteverteilung in radialer Richtung aufweisen.
.009941/1374
Die Erzielung eines großen Durchmessers läßt sich dadurch erreichen, daß man das Ione'nplasma sich bei seiner Bildung
in der Ionenquelle ausdehnen läßt. Anschließend muß man dann die Ionen in der Weise extrahieren, daß sie am Ausgang
der Ionenquelle einen* parallelen Ionenstrahl mit gleichförmiger radialer Dichteverteilung ergeben.
Die Parallelität und der große Durchmesser des Ionenstrahls lassen sich durch Einsatz von Ionenquellen der Bauart
"Duoplasmatron" erreichen, bei denen ein Plasma mit hoher Ionen- und Elektronendichte zwischen einer Elektrode und einer
Anode gebildet wird, die ein Loch aufweist, durch das hindurch die gebildeten Ionen mit Hilfe einer Extraktionselektrode
extrahiert werden, die auf einem negativen elektrischen Potential von einigen zehn kV gehalten wird. Auf der Austrittseite
des Loches in der Anode ermöglicht eine aus gleichförmigem Potential gehaltene zylindrische Elektrode, die als
Steuerelektrode für die Plasmaexpansion bezeichnet und auf dem gleichen Potential wie die Anode gehalten wird, eine Ausdehnung
des Plasmas. Diese Ionenquellen arbeiten Jedoch nur dann befriedigend, wenn es nicht zu einer Oxydation der
inneren Oberfläche der Steuerelektrode für die Plasmaexpansion kommt, die zu einer gewissen Polarisation dieser Oberfläche
führt. Praktische Versuche, die mit einer solchen Ionenquelle durchgeführt wurden, bei der die innere Oberfläche
der Steuerelektrode zur Vermeidung einer Oxydation mit einer Qoldschicht überzogen war, haben gezeigt« daß eine solche Ionenquelle
nur einen Ionenstrahl von geringen Durchmesser emittieren kann. Wenn man eine solche Ionenquelle mit OberflMshenpolarisation
betreibt, werden die Arbeitsbedir^un^en willkürlich
und zufällig, da diese Polarisation nio'Vi, steuerbar
ist.
BAD ORIGINAL
009841/1374
Die Erfindung zielt auf eine Ionenquelle, die den verschiedenen Forderungen der Praxis besser entspricht als die
bisher bekannten Ionenquellen und insbesondere den oben erwähnten Nachteil nämlich eine Inhomogenität der radialen
Dichteverteilung in dem Ionenstrahl> nicht aufweist.
' Genauer gesagt, hat die vorliegende Erfindung eine Ionenquelle mit quasi gleichförmiger radialer Dichteverteilung
sum Gegenstand, die eine Ionisationskammer, in die das zu ionisierende Gas eingeführt wird, eine im Zentrum einer mit
einer Durchtrittsöffnung für die Elektronen versehenen Zwischenelektrode angeordnete Kathode, eine mit einem Durchtrittsloch für den Durchgang der Ionen versehene Anode,
eine elektrisch von der Anode isolierte und auf einem
negativeren Potential als diese gehaltene Steuerelektrode für die Plasmaexpansion und eine Extraktionselektrode zum
Extrahieren der Ionen aufweist.
Zur weiteren Erläuterung der Erfindung ist im folgenden
ein Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemäß ausgebildete Ionenquelle beschrieben, das in der Zeichnung veranschaulicht 1st, Jedoch nur eine von vielen Baumöglichkeiten wiedergibt und keinerlei Einschränkung für den Bereich
der Erfindung bedeutet..Dabei zeigen in der Zeichnung:
Fig. 1 einen Schnitt durch eine erfindungsgemäß
ausgebildete Ionenquelle;
Fig» 2 einen vergrößerten Ausschnitt aus der Darstellung von Fig. 1 und
Fig» 5 und k Kurven zur Veranschaulichung der radialen
Dichteverteilung für die Ionen in Abhängigkeit von der Entfernung von der Achse des Ionenstrahls
für eine erfindungsgemäß ausgebildete Ionenquelle und für eine in bekannter Weise ausgeführte
Ionenquelle« wobei die Extraktionselektroden in beiden Fällen auf dem gleichen Potential liegt.
Q09841/.1374
Die in Pig. 1 und 2 dargestellte Ionenquelle ist,speziell
für die Erzeugung eines Protonenstrahls eingerichtet. In die Kammern 1 und 15 wird daher durch eine in Fig. 1 und 2 nicht
sichtbare öffnung Wasserstoff eingeführt. Die Kammer 1 enthält eine Kathode 2 und die Anschlüsse 3 zu deren Versorgung
mit elektrischem Strom. Die Kammer 1 wird durch eine hohlzylindrische Hülle 4 begrenzt, die. an einem Ende in
einen koaxialen Kegelstumpf ausläuft und am anderen Ende durch eine mit zwei voneinander isolierten Stromdurchführungen versehenen
Scheibe abgeschlossen wird. Eine große Menge an Elektronen tritt aus der Kammer 1 durch eine Austrittsöffnung 5 aus und führt zu einer starken Ionisation in der
Kammer 15. Eine Magnetspule 6 hält das Plasma in der Umgebung des Loches 8 in der Anode 7 zusammen. Die Anode 7 ist senkrecht
zur Achse der hohlzylinderförmigen Hülle 4 angeordnet· Eine entweder torusförmige oder zylindrische Dichtung 9 aus
einem elektrisch isolierendem Material isoliert die Anode 7 elektrisch gegenüber der Kammer 1. Ein Zylinder 10, der die
Steuerelektrode für die Plasmaexpansion darstellt, 1st gegenüber der Anode 7 durch eine Isolation 11 elektrisch isoliert.
Eine Leitung 12 ermöglicht es, den Zylinder 10 auf einem anderen Potential zu halten als die Anode 7* und zwar entspricht
das Potential des Zylinders 10 im allgemeinen dem Nullpotential. Eine auf sehr hoher negativer Spannung gehaltene
Extraktionselektrode 13 führt zu einer Beschleunigung
der gebildeten Ionen. Eine in Fig. 1 und 2 nicht dargestellte Vakuumpumpe hält das Vakuum in dem nach der Anode 7 gelegenen
Teil der Ionenquelle aufrecht. Die Bezugszahl 14 bezeichnet eine elektrisch mit dem Zylinder 10 verbundene Elektrode.
In dem in Fig. 1 und 2 veranschaulichten Falle einer Protonenquelle
haben die an den verschiedenen Elektronen anliegenden
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Potentiale folgende Werte:
Potential der Kathode 2 : - 120 V Potential der Anode 7:0V
Potential der Steuerelektrode 10 für die Plasmaexpansion:
- 6o V
Potential der zylindrischen Elektrode 4 : - 60 V
Potential der Extraktionselektrode 13 : 45 kV.
Die Anschlüsse für die Potentialzuführung zu den Elektroden^, 7 und 13 sind der Übersichtlichkeit halber in
Fig. 1 und 2 nicht dargestellt. .
Das Arbeitsprinzip der erfindungsgemäßen Ionenquelle läßt
sich aus folgenden Überlegungen verstehen. Wenn die Steuerelektrode
10 für die Plasmaexpansion sich auf dem gleichen Potential befindet wie die Anode 7, also im allgemeinen auf
dem Nullpotential, wie dies bei den Jonenquellen bekannter
Art der Fall ist, werden alle Elektronen in dem in der
Ionisationskammer 15 gebildeten Plasma von der Anode 7 und der Steuerelektrode 10 gesammelt. Diese Elektronen sind auf
die Wände der Steuerelektrode 10 gerichtet und nehmen die
Ionen mit, die in Berührung mit ihnen rekombinieren. Daraus
ergibt sich eine Verringerung der Ionendichte, die für die Expansion eines lonenstrahls aus der gesamten Kammer zur
Verfügung steht, und diese Verringerung wird besonders groß, außerhalb der Kammerachse. Die radiale Dichteverteilung
innerhalb eines auf diese Weise erhaltenen Ionenstrahls ist daher nicht gleichförmig.
Hält man dagegen die Steuerelektrode 10 für die Plasmaexpansion
auf einem negativen Potential, wie dies bei der
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erfindungsgemäß ausgebildeten Ionenquelle der Pail ist, so
erhalten die Elektronen, die anfänglich mit hoher Geschwindigkeit auf die Innenwand der Steuerelektrode 10 gerichtet
sind, und die Ionen mitnehmen, eine wesentlich geringere Diffusionsgeschwindigiceit. Daraus ergibt sich eine Vergrößerung
der Elektronendichte und damit auch der Ionendichte sowie eine Vergleichmäßigung der Dichte des Plasmas.
In Fig. 3 und 4 ist die radiale Dichteverteilung innerhalb eines Ionenstrahls ausgedrückt in mAmm in Abhängigkeit
von dem Abstand von der Strahlachse für eine erfindungsgemäß ausgebildete Ionenquelle (Pig. 3) bzw. für eine Ionenquelle
bekannter Bauart (Fig. 4) dargestellt. Die Kurven von Fig. und 4 sind mit Hilfe einer Expansionselektrode 13 erhalten
worden, die mit einer Treffplatte versehen war, die auf einem Durchmesser Löcher von Ijmm Abstand und 0,2 mm Durchmesser
aufwies. Jedes der so erhaltenen Ionenbündel wurde mit Hilfe eines senkrecht zur optischen Achse des Ionenstrahls verschieblichen
Schlitzes analysiert. Ein Vergleich der Kurven in Fig. 3 und Fig. 4 zeigt deutlich die durch die Erfindung
erzielbaren Verbesserungen. Einerseits wird die radiale Dichteverteilung innerhalb des Ionenstrahls vergleichmäßigt,
und andererseits ergibt sich eine höhere Gesamtzahl an Ionen, was eine erhebliche Verminderung der Verluste an
Ionen anzeigt.
009841/1374
Claims (4)
- PatentansprücheIonenquelle, gekennzeichnet durch eine Ionisationskammer (l) zum Einführen eines zu ionisierenden Gases, durch eine im Zentrum einer mit einer Durchtrittsöffnung (5) für Elektronen versehenen Zwischenelektrode angeordnete Kathode (2), durch eine mit einem Durchtrittsloch (8) für den Durchtritt von ionen versehene. Anode (7), durch eine elektrisch von der Anode (7) isolierte und auf negativerem Potential als diese gehaltene Steuerelektrode (10) für die Plasmaexpansion und durch eine Extraktionselektrode (13) zum Extrahieren der Ionen. .
- 2. Ionenquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerelektrode (10)für die Plasmaexpansion aus einem eine parasitäre Polarisation ihrer inneren Oberfläche verhindernden Material besteht.
- >· Ionenquelle nach Anspruch 2„ dadurch gekennzeichnet/daß die innere Oberfläche der Steuerelektrode (10) für die . Plasmaexpansion mit einem überzug aus Gold versehen ist.
- 4. Ionenquelle nach einem der Ansprüche l bis Z>, dadurch gekennzeichnet, daß das negative elektrische Potential der inneren Oberfläche der Expansionselektrode (lO) den gleichen Wert hat wie das Potential der Zwischenelektrode.009041/137
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C3 | Grant after two publication steps (3rd publication) | ||
E77 | Valid patent as to the heymanns-index 1977 |