DE2425184A1

DE2425184A1 - Verfahren und anordnung zur erzeugung von ionen

Info

Publication number: DE2425184A1
Application number: DE19742425184
Authority: DE
Inventors: Russell Warren Dreyfus; Rodney Trevor Hodgson
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1973-06-28
Filing date: 1974-05-24
Publication date: 1975-01-16
Also published as: FR2235474A1; GB1422307A; US3914655A; FR2235474B1; JPS5022999A

Description

Böblingen, den 17. Mai 1974 pr/se

Anmelderin: International Business Machines

Corporation, Armonk, N.Y. 10504

Amtliches Aktenzeichen: Neuanmeldung Aktenzeichen der Anmelderin: YO 972 083

Verfahren und Anordnung zur Erzeugung von Ionen

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur Erzeugung von Ionen durch. Einwirkung einer elektromagnetischen Strahlung auf eine Teilchenmenge.

Auf vielen Gebieten der Technik, sowohl in der Forschung als auch bei der Produktion, werden Ionenquellen benötigt, durch die Ionenstrahlen mit möglichst großer Energiedichte erzeugt werden. So werden beispielsweise bei der Herstellung von integrierten Schaltungen mittels Bombardierung von Halbleiterplättchen mit Ionen die elektrischen Eigenschaften der bombardierten Bereiche durch die Eindringtiefe der Ionen bestimmter Metalle definiert.

Die meisten Elemente können durch Energiezufuhr ionisiert werden. So können beispielsweise durch die Einwirkung von Wärme, UV-Licht, Röntgenstrahlen oder Strahlen radioaktiver Substanzen kleine Zahlen von Ionen durch Herausschlagen von Elektronen aus Atomen oder Molekülen gebildet werden. Gasförmige Elemente können auch beim Durchgang eines hochgespannten Stromes durch ein teilevakuiertes Gefäß ionisiert werden. Rekombinieren die auf diese Weise entstandenen Ionen, so wird Energie in Form von Licht emittiert. Die Auflösung des emittierten Lichtes in verschiedene Wellenlängen erzeugt Spektren, die für die Atome, Moleküle und Ionen der betreffenden gasförmigen Elemente charakteristisch sind. Ionenquellen

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oder Generatoren, deren Strahl bei einer vorgegebenen Divergenz eine große Energiedichte aufweist, werden als Generatoren für helle Ionenstrahlen bezeichnet.

In der US-Patentschrift 3 478 204 wird die Erzeugung von hellen Ionenstrahlen mit Hilfe eines energiereichen Laserstrahls beschrieben. Der verwendete Laser muß eine Feldstärke mit einer

Intensität von mindestens 10 Volt/cm erzeugen, um eine Selbstionisierung von Gasatomen und Molekülen durch einen als "Multiphotonen—Absorption" bezeichneten Vorgang zu ermöglichen. Die Atome und Moleküle werden durch die Wirkung eines extrem starken elektrischen Feldes ionisiert, das in einem begrenzten Bereich durch einen fokussierten Leserstrahl erzeugt wird. Man kann davon ausgehen, daß die Elektronen durch das elektrische Feld aus ihren Umlaufbahnen herausgerissen werden. Eine k.urzbrennw,eitige Linse fokussiert einen energiereichen Laserstrahl in dem zu ionisierenden Gas auf einem Fleck mit einem Durchmesser von etwa 10 ym. Bei derartig kleinen Fleckdurchmessern können Energiedichten in

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der Größenordnung yon 10 Watt/cm erreicht werden, durch die

elektrische Feldstärken in der Größenordnung von 10 Volt/cm entstehen .

Ein wesentlicher Nachteil dieses Verfahrens besteht darin, daß außerordentlich starke Laser benötigt werden, die teuer und umständlich in der Herstellung und im Betrieb sind.

Die Erfindung geht von der Aufgabenstellung aus, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur,Erzeugung sehr heller, d.h., hohe Energiedichten aufweisender Ionenstrahlen anzugeben, das mit relativ einfachen und wenig Energie erfordernden Elementen zu verwirklichen ist.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch ein Verfahren zur Erzeugung von Ionen durch Einwirkung einer elektromagnetischen Strahlung auf eine Teilchenmenge gelöst, das dadurch gekennzeichnet ist, daß eine Teilchenmenge zur stufenweisen überführung auf

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immer höhere Energieniveaus gleichzeitig oder nacheinander einer oder mehreren elektromagnetischen Strahlungen mit mehreren Frequenzen ausgesetzt wird, die jeweils einer der Resonanzfrequenzen zur überführung der Teilchen in jeweils den nächsthöheren Energiezustand gleich sind.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird anstelle der Multiphotonen-Ionisierung durch einen einzigen extrem energiereichen Laserstrahl eine Ionisierung durch einen oder mehrere abstimmbare Laser vorgenommen, wobei beispielsweise im Impulsbetrieb oder Dauerstrich, im sichtbaren Bereich arbeitende Farbstofflaser verwendet werden können. Bei einem gesättigten molekularen oder atomaren übergang ist die Dichte· der Zahl der Atome oder der Moleküle im höheren Energiezustand (abgesehen von Degenerationsfaktoren) etwa gleich der Dichte der Zahl im niedrigeren Energiezusta.nd. Abstimmbare Farbstofflaser erzeugen eine im sichtbaren Bereich liegende Strahlung und haben eine genügend hohe Ausgangsenergie, um die gewünschten atomaren oder molekularen übergänge zu sättigen. Wurden die Moleküle einer Substanz, beispielsweise eines gasförmigen Dampfes, mit Hilfe abstimmbarer Laser auf höher liegende Energieniveaus angehoben, so wird nur noch wenig Arbeit zur Erzeugung von Ionen durch Multiphotonen- oder Einfachphotonen-Absorption benötigt, und die Anhebung der Moleküle auf ein Selbstionisierungsniveau kann auch mittels längerer Wellen erfolgen. Durch die vorliegende Erfindung wird es

9 möglich, die erforderliche Energie um den Faktor 10 herabzusetzen. So kann beispielsweise ein Ionenstrahl höchster Energiedichte mit

8 2 Lasern erzeugt werden, die eine Ausgangsleistung von 10 Watt/cm erzeugen.

Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den ünteransprtichen und der Beschreibung.

Die Erfindung wird anschließend anhand der Fign. näher erläutert. Es zeigen: ' .

Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, YO 972 083 409883/0835

Fig. 2 das Energiediagramm eines Natriumatoms,

Fig. 3 die Schnittansicht einer Gasquelle zur Verwendung

mit der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung.

Die in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung enthält eine Quelle 2 zur Erzeugung von gasförmigem Natrium, die mit Hilfe eines nicht dargestellten Ofens auf etwa 500° C erhitzt wird. Der Natriumdampf
unter einem relativ hohem Druck enthaltende Bereich 4 ist von einem Bereich 6 mit geringem Druck umgeben, der von einer eine Apertur 10 aufweisenden Kammer 8 eingeschlossen wird. Die Apertur 10 liegt koaxial in Bezug auf eine Apertur 12 des den Bereich 4 mit hohem Druck einschließenden Gefäßes. Die öffnungen 12 und 10 bilden eine überschalldüse und begrenzen die Divergenz des die Düse verlassenden, aus Na.triumatomen bestehenden Strahls.

Die Vorrichtung weist weiterhin zwei Laser 16 und 18 auf, deren
Strahlen mittels Linsen 20 und 22 so fokussiert werden, daß sie
sich gegenseitig und den Natriumstrahl in einem Punkt P schneiden. Die Laser 16 und 18 sind abstimmbare Farbstofflaser, die beispielsweise Rhodamin 6G als aktives Material verwenden und Strahlungen mit Wellenlängen von 5 895 S und 5 692 S erzeugen. Der Punkt P
liegt im Bereich der höchsten Dichte des Atomstrahls. Die beiden Laser 16 und 18 können entweder im Dauerstrich oder im Impulsbetrieb verwendet werden. Da Farbstofflaser in mehreren Wellenlängen oder in einer Bande von Wellenlängen gleichzeitig senden können, könnten die beiden oben genannten Wellenlängen durch einen einzigen Laser erzeugt werden. Zur Erhöhung der Übersichtlichkeit, wurden bei der Darstellung des Ausführungsbeispiels nach Fig. 1 mehrere Laser verwendet.

Wie aus dem in Fig. 2 dargestellten Energiediagramm zu entnehmen ist, werden durch den Laser 16, der den aus Natriumatomen bestehenden Gasstrom mit einer Strahlung von einer Wellenlänge von
5 895 °v beaufschlagt, die Atome von ihrem Grundzustand 3s in ihrem erregten Zustand 3p überführt. Der vom Laser 16 erzeugte Strahl

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muß so viel Energie aufweisen, daß der Übergang vom Grundzustand 3s zum erregten Zustand 3p nahezu gesättigt ist. Der Laser 18 erzeugt eine Strahlung mit einer Wellenlänge von 5 682 R, die die Atome im Erregungszustand 3p in einen zweiten Erregungszustand, nämlich auf das 4d Niveau anhebt. Das 4d Niveau der zweifach erregten Natriumatome ist nur 7 000 cm von der Ionisierungsgrenze des Natriums entfernt, so daß entweder die 5 895 A Photonen oder die 5 682 8 Photonen genügend Energie zur Photoionisierung des Natriumatoms haben. Verläßt der atomare Natriumstrahl nachdem er durch die beiden Laser 16 und 18 gepumpt wurde den Punkt P, so enthält er Ionen und Elektronen. An sich bekannte Beschleunigungselektroden 24 beschleunigen die Ionen und entfernen die Elektronen aus dem Strahl 14, so daß ein aus Natriumionen und den neutralen Natriumatomen bestehender Strahl 26 verbleibt. Die Ionen können von den neutralen Teilchen dur/ch. ebenfalls an sich bekannte elektrostatische oder magnetische Ablenkvorrichtungen entfernt werde.

Die zur vollständigen Sättigung des 3s-3p oder 3p-4d Überganges erforderliche Zeit liegt, wenn 100 Milliwatt Laserstrahlen mit Wellenlängen* von 5 895 R und 5 ,682 8 verwendet und in einem Punkt

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P mit einer Fläche von 10 cm im Bereich.des atomaren Natrium-

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Strahles fokussiert werden, bei 10 Sekunden. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel werden daher alle drei Zustände gesättigt sein und angenähert gleiche Besetzungsdichten aufweisen. Die Natriumatome im 4d-Zustand weisen einen Ionisatxonsguerschnitt in

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der Größenordnung von 10 cm auf und werden in 3 χ 10 Sekun-

7 2 den photoionisiert, wenn sie einem Lichtstrahl von 10 Watt/cm und einem Wellenlängenbereich von 5 000 bis 6 000 A ausgesetzt werden.

Die Geschwindigkeiten eines aus Natriumatomen bestehenden Über-

4 schallstrahls liegen in der Größenordnung von 5 χ 10 cm/s. Die Zeit, die die Atome zum Passieren eines einen Durchmesser

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von 10 cm aufweisenden Fleckes benötigen, liegt somit bei

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2 x 10 s., so daß die meisten Atome ionisiert werden können..

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Da Farbstofflaser mit 5 Watt Dauerleistung hergestellt wurden, bereitet es keine Schwierigkeiten, Farbstofflaser mit einer Leistung von 100 Milliwatt oder mehr einzusetzen.

Die Fokussierung und das Kreuzen der Strahlen in einem Punkt mit einem Fehler von 10 cm kann in einfacher Weise durch Überwachung der im Bereich von 5 895 S und 5 682 8 liegenden Fluoreszenzen erfolgen. Das Maximum der 5 895 S Fluoreszenz zeigt an, daß das Zentrum des Strahls erreicht wurde, während das Maximum der 5 682 2. Fluoreszenz eine maximale Überlagerung der beiden Farbstofflaser anzeigt.

In Fig. 1 wird ein dritter Laser 28 und eine zugeordnete Linse 30 zur Fokussierung des Strahls im Punkt P wiedergegeben. Der zusätzliche Laser wird da.zu benötigt, wenn der Str.a.hJ, 14, gleich.«- gültig, ob es sich um einen atomaren oder um einen molekularen Strahl handelt, in zwei verschiedenen Zuständen erregt ist und es beim höheren Erregungszustand noch zusätzlicher Energie zum Erreichen des Selbstionisierungsniveaus bedarf, die durch die Laser 16 und 18 nicht geliefert werden kann. Demzufolge wird ein dritter Laser mit einer geeigneten Leistung und Frequenz benötigt um das System vom zweiten Erregungszustand in einen dritten Erregungszustand zu pumpen, so daß einer der drei Laser, deren Strahlen auf den Punkt P fokussiert sind, diese Teilchen auf den höchsten Erregungszustand zu photoionisieren und die gewünschten Ionen zu erzeugen in der Lage sein muß. Die in Fig. 3 dargestellte überschalldüse ist eine an sich bekannte Vorrichtung zur Erzeugung eines eine hohe Geschwindigkeit aufweisenden Strahls, der aus gasförmigen Atomen oder Molekülen mit einer niedrigen Doppler-Weite besteht. Derartige Anordnungen sind beispielsweise in der US-Patentschrift 3 558 877 beschrieben. Die Quelle zur Erzeugung des überschallstrahles besteht aus einer Füllkammer 32, in die Natriumgas durch eine Zuleitung 34 eingeleitet wird. Die Kammer 32 endet in einer Düse 36, deren engste öffnung 38 auf die Apertur 12 der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung ausgerichtet ist. Durch geeignete Einstellung der Drücke in der Kammer 32 und der Niederdruckkammer 6

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kann die Geschwindigkeit des atomaren oder molekularen Strahles gleich der Schallgeschwindigkeit in der öffnung 38 gemacht werden. Das austretende Gas fährt fort, sich auszudehnen und abzukühlen und verläßt die öffnung der Apertur 39 mit einer Geschwindigkeit, die größer als die Schallgeschwindigkeit ist.

Die Helligkeit einer Ionenquelle ist gleich der Anzahl der je Sekunde, je Quadratzentimeter und je Steradian erzeugten Ionen.

Durch Verwendung von Lasern, deren Strahlen auf sehr kleine Flek-

—8 2 ke, beispielsweise mit einer Fläche von 10 cm fokussiert werden und durch Sättigung der Übergangniveaus die Moleküle eines tiberschallmolekularstrahls ionisieren können, kann ein Ionenstrahl erzeugt werden, der bei sehr kleinem Querschnitt einen hohen Strom aufweist. Die Geschwindigkeit der Ionen quer zum Strahl dividiert durch die Geschwindigkeit parallel zum strahl, stellt ein Maß für die Divergenz (Anzahl von Steradian) dar, die für einen überschallstrahl sehr.klein sein wird. Zur Erzeugung dieser Strahlen werden keine besonders starken Laser mit schwer erzeugbaren Frequenzen benötigt.

Die Erfindung ist selbstverständlich nicht nur auf gasförmiges Natrium beschränkt, sondern kann auch auf eine Vielzahl anderer Substanzen angewendet werden. Es ist nur nötig, das Energiediagramm des gewählten Materials zu kennen und Laser zu wählen, deren Strahlung ein schnelles Erreichen der Sättigungsniveaus ermöglichen, wobei es sich um im Handel erhältliche abstimmbare Laser handeln kann. Die Frequenz des ersten Lasers wird so gewählt, daß sie einem Resonanzübergang von einem Grundzustand zu einem erregten Zustand entspricht. Die Frequenz des zweiten Lasers wird so gewählt, daß sie die durch den ersten Laser in einen ersten Erregungszustand überführten Teilchen auf ein höheres Energieniveau überführt. Dieser Vorgang wird bis zum Erreichen der Ionisierungsschwelle wiederholt. Die Verwendung mehrerer abstimmbarer Laser zur Erzeugung von Strahlungen mit verschiedenen Frequenzen ermöglicht nicht nur die Verwendung von Lasern mit geringerer Leistung, sondern auch die Oberführung einer größeren Anzahl von Materialien in helle Ionenstrahlen.

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Claims

- 8 PATENTANSPRÜCHE

Verfahren zur Erzeugung von Ionen durch Einwirkung einer elektromagnetischen Strahlung auf eine Teilchenmenge, dadurch gekennzeichnet, daß eine Teilchenmenge zur stufenweisen überführung auf immer höhere Energiezustände gleichzeitig oder nacheinander einer oder mehreren Strahlungen mit mehreren Frequenzen ausgesetzt wird/ die jeweils einer der Resonanzfrequenzen zur Überführung der Teilchen in jeweils den nächst höheren Energiezustand gleich sind.

Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Verwendung eines einzigen, eine Strahlung mit den erforderlichen Frequenzen aussendenden Lasers.

Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Verwendung mehrerer, Strahlungen mit jeweils eine oder mehrere der erforderlichen Frequenzen aussendender Laser (16, 18, 28).

Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die zu ionisierende Teilchenmenge als Ultraschallstrahl durch die oder den von den Laserstrahlen beaufschlagten Bereiche geleitet wird.

Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der nach Durchtritt durch die fokussierten Leserstrahlen nicht ionisierte Anteil des Teilchenstrahls durch an sich bekannte Mittel vom ionisierten Anteil getrennt wird.

6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch eine Teilchenquelle zur Erzeugung eines Teilchenstrahls (14), durch mehrere Laser (16, 18, 28) und optische Systeme (20, 22, 30) zur Fokussierung der von den Lasern er-

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zeugten Strahlen auf den Teilchenstrahl, wobei die Strahlung des ersten Lasers die Teilchen von einem Grundzustand (3s) auf ein zweites Niveau (3p), die Strahlen des zweiten Lasers die Teilchen vom besagten zweiten Niveau auf ein drittes Niveau (4d) und die Strahlung des dritten Lasers die Teilchen vom vorhergehenden Niveau über die Ionisierungsgrenze erregt.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch eine Niederdruckkammer (8) und eine darin untergebrachte Kammer (4), in der die zu ionisierenden Teilchen unter hohem Druck stehen und die die Kammer durch ein nach Art einer Lavaldüse ausgebildete Öffnung (12) bzw. durch eine als Aperturblende dienende zweite Öffnung (10) als Ultraschallteilchenstrahl verlassen.

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