DE2016038A1 - Ionenquelle - Google Patents

Description

Patentanwälte .

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

-'■ 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.

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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

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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.

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Claims (4)

1. Patentansprüche

   Ionenquelle, 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. 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.
3. >· Ionenquelle nach Anspruch 2„ dadurch gekennzeichnet/daß die innere Oberfläche der Steuerelektrode (10) für die . Plasmaexpansion mit einem überzug aus Gold versehen ist.
4. 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.

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