DE2610165A1

DE2610165A1 - Quelle zur erzeugung einfach und/oder mehrfach geladener ionen

Info

Publication number: DE2610165A1
Application number: DE19762610165
Authority: DE
Inventors: Roderich Dipl Phys Dr Keller; Michael Dipl Phys Dr Mueller
Original assignee: GSI Gesellschaft fuer Schwerionenforschung mbH
Current assignee: GSI Gesellschaft fuer Schwerionenforschung mbH
Priority date: 1976-03-11
Filing date: 1976-03-11
Publication date: 1977-09-15
Also published as: GB1578167A; US4123686A; FR2344116A1; NL7702526A; JPS52110399A; DE2610165C2; FR2344116B1

Description

GESELLSCHAFT FÜR SCIIWEKIONEW-

FORSC1IUNG MBH, DARMSTADT Darmstadt, den 10 . März 1976

PLA 7607 Ga/sz

Quelle zur Erzeugung einfach und/oder mehrfach geladener Ionen

Die Erfindung betrifft eine Quelle zur Erzeugung einfach und/oder mehrfach geladener- Ionen mit einer Glühkathode sowie einer Zwischenelektrode und einer Anode, die Durchtrittsöffnungen aufweisen und einen Gasentladungsraum begrenzen, in dem Elektronen und/oder Hilfsgasionen die Ionen bilden, und mit einer ein Magnetfeld entlang einer gemeinsamen Symmetrieachse der Zwischenelektrode und Anode erzeugenden Spule mit Magnetjoch.

Ionenstrahlen mit Energien oberhalb von etwa 30 keV finden vielfältige Verwendung in physikalischer Forschung und Technik wie z. B. für Teilchenbeschleuniger zur Durchführung atom- und kernphysikalischer Grundlagenforschung, zur Untersuchung von Strahlungsschäden für den .Reaktorbau oder zu biomedizinischen Anwendungen sowie in der Implantationstechnik zur Produktion von Halbleiterbauelementen. Zur Beschleunigung mehrfach geladener Ionen ist der apparative Aufwand wesentlich geringer als für die einfach geladener; die in der Hochenergiephysik eingesetzten Hochfrequenzbeschleuniger benötigen sogar Ionen einer ganz bestimmten spezifischen Mindestladung, so daß Quellen hochgeladener Ionen eine große Bedeutung zukommt..

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Es ist eine als Duoplasmatron-Ionenquelle bezeichnete Quelle bekannt (UNILAC-Projektberichte Nr. 8 und 9, (1973)), bei der die Energie der ionisierenden Primärelektronen aufgrund der Eigenheiten der Entladungsstruktur begrenzt ist, weshalb für jedes Element die erreichbare Ionenladungszahl nach oben hin beschränkt wird.

Die Aufgabe der Erfindung besteht nunmehr darin, intensive

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(0 >· 10 Teilchen/sec) Strahlen hochgeladener ionen beliebiger Elemente im Dauerstrichbetrieb oder gepulst mit großen Tastverhältnissen (^. 10 %) zu erzeugen, zur Verwendung an Teilchenbeschleunigern für physikalische Forschung sowie industrielle und biomedizinische Anwendungen, wobei zeitlich konstante Strahlen von Ionen der spezifischen Ladung >" 0,046 e /M über einen Zeitraum von mindestens 20 Stunden aufrechterhalten werden sollen.

Die Lösung dieser Aufgabe besteht erfindungsgemäß darin, daß die Durchtrittsöffnung der Anode im Bereich der maximalen Axialkomponente des Magnetfeldes angeordnet ist. in vorteilhafter Weise kann dazu der Bereich der Anode um die Durchtrittsöffnung als Anodenschild aus nichtmagnetischem Material ausgebildet und außerdem kühlbar sein.

Eine Ausführungsform der Erfindung sieht vor, daß der Anodenschild aus mindestens zwei Teilen besteht, die zudem austauschrbar sind. Außerdem ist es möglich, bei einer Weiterbildung der .erfindungsgemäßen Quelle um die Durchtrittsöffnung der Zwischenelektrode einen Zylinder aus hochschmelzendem, nichtmagnetischem Material anzuordnen. Damit können durch Gestaltung der Elektroden-Form in der Quelle gewünschte Entladungsbedingungen erzielt werden.

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ohne die magnetische Konfiguration zu ändern.

Eine Weiterführung der erfindungsgemäßen Quelle, bei der durch Festkörperzerstäubung mit Ionenbeschuß (Sputtering) Material zur Ionisierung in das Plasma eines Hilfsgases gelangen kann, ist dadurch gekennzeichnet, daß in den Gasentladungsraum zwischen Zwischenelektrode und Anode eine Sputterelektrode einsetzbar ist, deren Durchtrittsöffnung auf der Symmetrieachse liegt, daß die Sputtexelektrode aus nichtmagnetischem Material besteht und um ihre Durchtrittsöffnung ein Rohr aus dem zu sputternden Material aufweist.

Die Sputterelektrode ist derart ausgebildet, daß sie den größten Teil des Gasentladungsraumes ausfüllt, mit einem äußeren Ring aus magnetischem Material einen Teil des Magnetjoches selbst bildet und gegenüber der Zwischenelektrode und Anode mittels Isolationsscheiben elektrisch getrennt ist.

Um die Schwellen-Anregungsenergien der zu erzeugenden hochgeladenen Ionen zu übertreffen, wird die Quelle mit größeren Entladungsspannungen (> 200 V) betrieben, wobei sich normalerweise die Entladungsleistung über die Zerstörungsgrenze des Anodenschildes erhöhen würde. Bei der Erfindung wird durch den Einsatz des Zylinders aus hochschmelzendem, nichtmagnetischem Metall mit enger, je nach Betriebsgas zu wählender Bohrung in die Zwischenelektrode jedoch der Plasmawiderstand so heraufgesetzt, daß Entladungsstrom und somit Entladungsleistung in erträglichen Grenzen bleiben; der Verlauf· des Magnetfeldes bleibt davon unbeeinträchtigt.

Die Erfingung wird im folgenden anhand zweier Ausführungsbeispiele mittels der Figuren 1 bis 5 näher erläutert. Hierbei stellen die Figuren 1 u. 2 schematisch den Verlauf der Magnetflußdichte durch

den Gasentladungsraum der beiden Ausführungsbeispicle dar,

die Figur 3 das. Ausführungsbeispiel ohne Sputterelektrode, die Figur 4 das Ausführungsbeispiel mit Sputterelektrode und

die Figur 5 den elektrischen Schaltplan des zweiten Ausführungsbeispieles.

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In der Figur 1 ist um die Symmetrieachse 1 der Quellenanordnung eine Hälfte der Zwischenelektrode 2 mit Durchtrittsöffnung 3 und eine Hälfte der Anode 4 mit Durchtrittsöffnung 5 dargestellt. Über der Symmetrieachse 1 ist die Axialkomponente der Magnetflußdichte B_axj_a2 in relativen Einheiten mittels der Kurve 6 aufgetragen. Die Kurve 6 weist ein ausgeprägtes Maximum 7 auf, in welchem die Durchtrittsöffnung 5 der Anode 4 direkt angeordnet ist.

In der Figur 2 ist ebenfalls über der Symmetrieachse 1 die Axialkomponente der Magnetflußdichte in relativen Einheiten mittels der Kurve 8 aufgetragen. Die Magnetflußdichte erreicht ihren maximalen Wert in etwa auf Höhe der Zwischenelektrode 2 mit Durchtrittsöffnung 3 und bleibt bis über die Anodendurchtrittsöffnung hinweg nahezu konstant. Es herrscht also in etwa im gesamten Anodenraum 11 maximale axiale Magnetflußdichte.

Der hier beschriebene Verlauf der Magnetflußdichte (Fig. 1 und 2) verhindert das Auftreten von Plasmainstabilitäten und erlaubt damit den Betrieb der Quelle bei Entladungsbedingungen, die für die Erzeugung hochgeladener Ionen erforderlich sind.

Die Figur 3 zeigt einen Schnitt durch eine Quelle, bei der eine Sputterelektrode nicht vorhanden ist. Ein Teil der Quelle wird von dem Käthodenraum 12 gebildet, der ebenfalls zur Symmetrieachse 1 rotationssymmetrisch ist. Er wird im wesentlichen von der Zwischenelektrode 2 und der Abdeckplatte 13 eingeschlossen, wobei durch die Abdeckplatte 13 die Zu- und Abführung zur eigentlichen Kathode 14 isoliert hindurchgeführt sind. In den Käthodenraum 12 führt die Gaszulcitung 15. Der Kathodenraum 12 wird vom inneren Teil des Magnetjoches 16 umschlossen. Das gesamte Magnetjoch, bestehend aus den beiden Teilen 16 und 17, umschließt den Entladungsraum 11. Innerhalb des Teiles 16 liegt die das Magnetfeld entlang der Symmetrieachse 1 erzeugende Magnetspule 18. Die Stirnseite 19 des Magnotjoches 17 ist der anodenseitige Polschuh, während der

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Zwischenelektrodeneinsatz 2 den Zwischenelektrodenpolschuh bildet. Der Zwischenelektrodeneinsatz 2 sowie der Einsatz 20 um die Durchtrittsöffnung 3 herum ragen in den Gasentladungsraum 11 hinein. Der Magnetjochteil 17 ist von dem Magnetjochteil· 16 über die Isolationsscheibe 21 elektrisch getrennt. Außerdem wird die Magnetspule 18 mittels der Scheibe 22 aus·nichtmagnetischem Material gegenüber dem Gasentladungsraum 11 abgetrennt. Der innere Teil 23 des Magnetjoches 16 wird über die Zuführungsleitung 24 und den Ring 25 wassergekühlt.

Der einen Stirnseite 26 des Magnetjochteiles 17 mit der konischen Ausnehmung 27 steht die Extraktionselektrode 28 gegenüber. Insbesondere steht die Spitze 29 mit ihrer Öffnung 30, welche ebenfalls rotationssymmetrisch zur Symmetrieachse 1 liegt, der Durchtrittsöffnung 5 des Anodenschildes 4 gegenüber. Dieser Anodenschild besteht aus zwei Teilen 31 und 32 und aus nichtmagnetischem Material, z. B. Elconite^R. Damit der Anodenschild 4 die hohe thermische Belastung in der Nähe der Entladungsachse aushält, muß das nichtmagnetische Material gut wärmeleitend und zugleich hochschmelzend sein. Aus wirtschaftlichen und praktischen Gründen ist der Anodenschild 4 in die beiden Teile 31, 32 aufgeteilt, wobei der Teil 31 den Haltering und der Teil 32 den auswechselbaren Einsatz als Verschleißteil bildet.

Die in den Gasentladungsraum 11 hineinragende Oberfläche des Anodenschildes 4, insbesondere-die Oberfläche 33 des auswechselbaren Einsatzes 32 ist plan und steht senkrecht zur Symmetrieachse 1, während der der Extraktionselektrode 28 und deren Durch-, trittsöffnung 30 gegenüberliegende Teil 34 um die Durchtrittsöffnung 5 becherförmig ausgebildet ist. Die Durchtrittsöffnung 5 ist auf ihrer zum Entladungsraum 11 weisenden Seite konisch ausgenommen, wodurch' die Kanallänge verkleinert und die wirksame Kühlfläche vergrößert werden. Der Anodenschild 4 und hierbei insbesondere der Teil 32 ist wassergekühlt. Die Wasserkühlung erfolgt

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über den Einlaß 35 im Magnetjoch 37, wobei eine radiale Bohrung zu einer ringförmigen Ausnehmung 37 führt, welche z. T. in der bodenseitigen Stirnfläche 38 des Magnetjochteiles 17 wie auch in dem Anodenteil 32 eingefügt ist. Der Anodenschild 4 bzw. seine beiden Teile 31 und 32 sind gegenüber der Bodenfläche 38 und gegeneinander mittels der O-Ringe 39 bis 41 abgedichtet. Weiterhin führt durch den Magnetjochteil 17 die Zuführung 42 für Gas zum Entladungsraum 11. Die Magnetjochteile 16 und 17 sind gegenüber der iGOlationsscheibe 21 mittels der Dichtungen 43 und 44 abgedichtet.

Der sogenannte balancierte Betrieb, bei dem die Kathodenemission so eingestellt wird, daß die Potentialdifferenz zwischen Kathode und Zwischenelektrode 2, 20 verschwindet, erweist sich für die Lebensdauer der Kathode 14 als günstig. Wird für die Zwischenelektrodenbuchse 20 ein Material gewählt, das gut Sekundärelektronen emittiert, so kann die eigentliche Kathode 14 noch mehr geschont v/erden, ohne daß die Entladung im Gasentladungsraum beeinträchtigt wird.

Das Anlegen der genannten höheren Spannung führt, im Gegensatz zu bekannten Anordnungen, nunmehr nicht mehr zum Auftreten von Instabilitäten, v/eil durch beträchtliche Erhöhung der Magnetflußdichte B die Entladung stabilisiert wird; die damit wiederum erhöhte Leistungsdichte wird aber von der erfindungsgemäßen Anodenschildkonstruktion 4, 31, 32 ausgehalten. Bei gepulster Entladung darf die Pulsleistung den Grenzwert für Dauerstrichbetrieb wesentlich übersteigen, wodurch der Anteil hochgeladener Ionen im Plasma weiter vergrößert werden kann.

Mittels dieser Quelle (gilt auch für das nächste Ausführungsbeispiel) sind Ionenstrahlen mit hoher spezifischer Ladung um 0,05 e_o/M_o gleichmäßig für etwa 20 Stunden Betriebsdauer erzeugbar. Die Lebensdauer der Quelle ist dadurch begrenzt, daß sich bei größerer Entladungsleistung nach einer bestimmten Brenndauer die

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Kxtraktionsöffnuny 5 im Anodenschild 4 so vergrößert, daß der exu aliji.-rte Strahl ionenoptisch nicht mehr beherrscht werden kann..

Hei spiele; gemessener Ionenströme sind in der folgenden Tabelle aufgestellt:

Tabelle

	5	1	2	3	4	5	6	7	0	9	10	11	r	U	C-/
Xe	¹R	100	200	100	160	125	129	95	87	25	2.6	-Ό. 3		25	O/ /ο
Ar	*¹Ji*	500	1200	300	30	1						10	C-/ /ο
Tl	I	B. 2	33	13								100

lücrboi bedeutet

ζ : Ladungszustand,

(S : Tastverhältnis,

I : Tonenstrom in yA,

Ι_Λ : lononstrom während des Pulses in yA.

Dor Ionenstrom 1 wurde für Titan und der gepulste Ionenstrom Ι_Λ tür Xenon und Argon.aufgenommen. Die maximale Magnetflußdichte · liegt bei ca. 2 kG.

Als HoU-iobsstoffe für die Quelle finden Edelgase und Stickstoff problemlos Verwendung. Gasförmige Verbindungen und Dämpfe bzw. nine ihrer Komponenten sind oft besonders für die heiße Kathode

14 aggressiv. Durch Einlaß eines Schutzgases durch die Zuführung

15 in den Kathodenraum 12 und Einlaß des aggressiven Bctriebsgases durch den Zulauf 42 in den Entladungsraum 11 wird die Kathode 14 zuverlässig vor Korrosion bewahrt.

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Mit der Ionenzerstaubungstechnik (Sputtering) können von allen Festkörpern freie Atome gewonnen werden. Hierzu ist in der in der Fig. 4 dargestellten Ausführungsform der Erfindung zusätzlich zu der Zwischenelektrode 2,20 und dem Anodenschild 4 innerhalb des Entladunysraumes 11 eine Sputterelekerode 47 eingebaut. Der Kathodenraum 12 mit der Kathode 14, die Spule 18, die Magnetjochteile 16 und 17 sowie die Extraktionselektrode 28 bleiben unverändert. Der Übersichtlichkeit halber sind daher die anderen Bezugszoichen nicht aufgeführt worden.

Mittels der ringförmigen Sputterelektrode 47 können geladene Ionen von festen Substanzen erzeugt werden. Damit wegen auf-' tretender Nebenentladungen die Isolationsscheibe 21 sowie die zusätzliche Isolationsscheibe 48 nicht bedampft werden und somit die Betriebszeit drastisch verkürzt wird, ist die Sputterelektrode entsprechend ausgebildet. Sie nimmt nahezu den gesamten Platz im Entladungsraum 11 ein. Allerdings besitzt sie einen flachen Teil 49 zwischen der Zwischenelektrode 2 und dem Anodenschild 4. Um die Symmetrieachse 1 herum, d. h. um die Durchtrittsöffnung der Sputterelektrode 47, 49 wird ein zylindrisches Rohr 51 ausdem zu sputternden Material eingesetzt. Die Sputterelektrode 47, 49 selbst besteht aus nichtmagnetischem Material. Sie ist jedoch von einem Ring 54 umgeben bzw. gehaltert, der zwischen den Isolationsscheiben 21 und 48 liegt. Der -Ring 54 besteht aus magnetischem Material und bildet einen Teil des Magnetjoches der Quelle. Die Isolationsscheiben 21 und 48 sowie die dazugehörigen Dichtungen 43, 44 und 52, 53 trennen die einzelnen Teile 16, 17 und 54 elektrisch voneinander..

Mit einem möglichst langen Sputter-Zylinder 51 wird das Niederschlagen von Atomen des zu sputternden Materials auf kalten Teilen des Innenraumes 11 weitgehend verhindert. Eine weitere Ökonomie läßt sich dadurch erreichen, daß ein Sputter-Material als dünne Schicht im Kanal 50 etwa durch Aufdampfen, Plattieren oder elektrolytisch angebracht wird. Damit können auch teuerste Materialien wjc angereicherte Isotope verwendet werden.

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Die Durchtrittsöffnung 3 der Zwischenelektrode 2, 20 ist in diesem Ausführungsbeispiel etwas größer als im Ausführungsbeispiel nach Figur 1.

Für den Fall einer gepulsten Entladung wird zweckmäßigerweise auch die Spannung an der Sputterelektrode 47, 49, 51 gepulst. Es erweist sich dabei als günstig, den Sputterpuls gegenüber dem Hauptentladungspuls verzögert einzuschalten und vorzeitig abzubrechen. Die nloktrische Schaltung für das Ausführungsbeispiel nach Fig. int .in F.ig, 5 r.chcmatisch dargestellt. Der Einfachheit halber sind wiederum nur die Kathode 14, die Magnetjochteile 16, 17, die Extraktionselektrode 28 sowie die Isolationsscheiben 21 und 48 mit der Sputterelektrode 51 bezeichnet. In der Norraalversion nach Fig. 3 würde die Sputterelektrode 51 mit ihrer Spannungsversorgung Usp (typisch 300 V) entfallen. Die Extraktionsspannung ϋΈχ liegt zwischen der Extraktionselektrode 28 und dem Magnetjochteil 17 bzw. dem Anodenschiid 4. Sie beträgt typisch 35 kV. Die Entladungsspannung Uj? liegt zwischen dem Magnetjochteil 17 sowie der Kathode 14 und beträgt ca. 200 V. Der Magnetjochteil 16 liegt am Spannungsteiler mit den Widerständen Rk bzw. Rgg ^zur Kathode 14 bzw. Anode 4, 17. Der Wert für den Widerstand R_Ze beträgt 1 kOhm bei Gleichstroinbetrieb und 100 0hm bei Pulsbetrieb. Der Widerstand R_K kann bei Gleichstrombetrieb entfallen. Im gepulsten Betrieb v/eist er einen Viert von 10 0hm auf. Uj^ ist die Versorgungsspannung der Magnetspule 18, deren maximale Magnetflußdichte bei ca. 2 kG liegt·. Die Versorgungsspannung, Ugp für die Sputterelektrode 51 liegt zwischen dieser und der Anode 17, wobei der negative Pol an der Sputterelektrode liegt. Die Spannung ϋ^χ ist mit ihrem negativen Pol an Erde angeschlossen.

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Claims

Patentansprüche:

1.) Quelle zur Erzeugung einfach und/oder mehrfach geladener
Ionen mit einer Glühkathode sowie einer Zwischenelektrode
und einer Anode, die Durchtrittsöffnungen aufweisen und
einen Entladungsraum begrenzen, in dem Elektronen und/oder
Hilfsgas-Ionen die Ionen bilden, und mit einer ein Magnetfeld entlang einer gemeinsamen Symmetrieachse der Zwischenelektrode und Anode erzeugenden Spule mit Magnetjoch, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchtrittsöffnung (5) der Anode (4, 31, 32) im Bereich der maximalen Axialkomponente der Magnetflußdichte B angeordnet ist.

2. Quelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Bereich der Anode (4, 31, 32) um die Durchtrittsöffnung (5) als Anodenschild aus nichtmagnetischem Material ausgebildet ist.

3. Quelle nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Änodenschild (4, 31, 32) kühlbar ist.

4. Quelle nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß der Anodenschild (4, 31, 32) aus mindestens zwei Teilen (31 und 32) besteht und austauschbar ist.

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5. Quölle nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß um die Durchtrittsöffnung (3),der Zwischenelektrode (2) ein Zylinder (20) aus hochschmelzendem, nichtmacjnctischcin Material angeordnet ist.

6. Quelle nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß in den· Entladungsraum (11) zwischen Zwischenelektrode (2, 20) und Anode (4, 31, 32) eine Sputterelektrode (47, 49, 51) einsetzbar ist, deren Durchtrittsöffnung (50) auf der Symmetrieachse (1) liegt, daß die Sputterelektrode (47, 49, 51) aus nichtmagnetischem Material besteht und um ihre Durchtrittsöffnung (51) ein Rohr (50) aus dem zu sputternden Material aufweist und daß die Sputterelektrode (47, 49, 51) am Magnetjoch (16 und/oder 17) befestigt ist.

7. Quelle nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Sputterelektrode (47, 49) derart ausgebildet ist, daß sie den größten Teil des Gasentladungsraumes (11) ausfüllt.

8. Quelle nach Anspruch 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Sputterelektrode (47, 49, 51) einen äußeren Ring (54) enthält, der einen Teil des Magnetjoches (16, 17) bildet und gegenüber der Zwischenelektrode (2, 20) und Anode (4, 31, 32) mittels Isolationsscheiben (11, 48) elektrisch getrennt ist.

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