DE2610165C2

DE2610165C2 - Duoplasmatron-Ionenquelle zur Erzeugung mehrfach geladener Ionen

Info

Publication number: DE2610165C2
Application number: DE2610165A
Authority: DE
Inventors: Roderich Dipl.-Phys. Dr. 6100 Darmstadt Keller; Michael Dipl.-Phys. Dr. 6800 Mannheim Müller
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: 1983-11-10
Also published as: FR2344116B1; GB1578167A; JPS52110399A; FR2344116A1; DE2610165A1; US4123686A; NL7702526A

Abstract

Ionenstrahlen mit Energien oberhalb von etwa 30 keV finden vielfaeltige Verwendung in physikalischer Forschung und Technik wie z.B. fuer Teilchenbeschleuniger zur Durchfuehrung atom- und kernphysikalischer Grundlagenforschung, zur Untersuchung von Strahlungsschaeden fuer den Reaktorbau oder zu biomedizinischen Anwendungen sowie in der Implantationstechnik zur Produktion von Halbleiterbauelementen. Die Erfindung betrifft eine Quelle zur Erzeugung einfach und/oder mehrfach geladener Ionen mit einer Gluehkathode sowie einer Zwischenelektrode und einer Anode, die Durchtrittsoeffnungen 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. Die Durchtrittsoeffnung der Anode ist im Bereich der maximalen Axialkomponente des Magnetfeldes angeordnet. In vorteilhafter Weise kann dazu der Bereich der Anode um die Durchtrittsoeffnung als Anodenschild aus nichtmagnetischem Material ausgebildet und ausserdem kuehlbar sein. Eine Ausfuehrungsform der Erfindung sieht vor, dass der Anodenschild aus mindestens zwei Teilen besteht, die zudem austauschbar sind. Ausserdem ist es moeglich, bei einer Weiterbildung der erfindungsgemaessen Quelle um die Durchtrittsoeffnung der Zwischenelektrode einen Zylinder aus hochschmelzendem, nichtmagnetischem Material anzuordnen. Damit koennen durch Gestaltung der El...U.S.W

Description

Die Erfindung betrifft eine Duoplasmatron-Ionenquelle der im Oberbegriff des Anspruches 1 genannten Art.

Eine derartige Quelle ist aus dem GSI-Bericht A 1-74, März 1974, S. 1 -86 bekannt. Bei ihr wird jedoch die höchste Ausbeute an mehrfach geladenen Ionen für Magnetfeldfigurationen erreicht, bei denen das Maximum der axialen Magnetflußdichte zwischen der Anode und der Zwischenelektrode liegt.

lonenstrahlen mit Energien oberhalb von etwa 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

ίο Bedeutung zukommt

Es ist weiterhin 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 der Erfindung gestellte Aufgabe besteht nunmehr darin, die eingangs genannte Duoplasmatron-Ionenquelle derart zu verbessern, daß die Ausbeute an Ionen großer spezifischer Ladung, insbesondere für Elemente mit hoher Atommasse erhöht wird.

Die Lösung dieser Aufgabe ist in den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1 beschrieben.

Weitere Ausführungsformen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen wiedergegeben.

Die Ausbildung einer Sputterelektrode ist zwar aus der DE-OS 15 14-972 bekannt, die bei der Erfindung verwendete ist jedoch 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 (^200V) 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 Erfindung wird im folgenden anhand zweier Ausführungsbeispiele mittels der Fig. 1 bis 4 näher erläutert. Hierbei stellen die

Fi g. 1 schematisch den Verlauf der Magnetflußdichte durch den Gasentladungsraum dar,

die F i g. 2 das Ausführungsbeispie! ohne Sputterelektrode,

die F i g. 3 das Ausführungsbeispiel mit Sputterelektrode und

die Fig.4 den elektrischen Schaltplan für das Ausführungsbeispiel gemäß F i g. 3.
In der Fig. 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„-„i in relativen Einheiten mittels der Kurve 6 aufgetragen. Die Kurve 6 weist ein ausgeprägte Maximum 7 auf, in welchem die Durchtrittsöffnung 5 der Anode 4 direkt angeordnet ist.
Der hier beschriebene Verlauf der Magnetflußdichte

(F i g. 1) verhindert das Auftreten von Plasmainstabilitäten und erlaubt damit den Betrieb der Quelle bei Entladungsbedingungen, die für die Erzeugung hochgeladener Ionen erforderlich sind.

Die F i g. 2 zeigt einen Schnitt durch eine Quelle, bei der eine Sputterelektrode nicht vorhanden ist. Ein Teil der Quelle wird von einem Kathodenraum 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 Kathodenraum 12 führt die Gaszuleitung 15. Der Kathodenraum 12 wird voii inneren Teil des Magnetjoches 16 umschlosen. 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 Magnetjoches 17 ist der anodenseitige Polschuh, während der Zwischenelektrodeneinsatz 2 den Zwischenelektrodenpolschuh bildet Der Zwischenelektrodeneinsatz 2 sowie der zylindrische Einsatz 20 um die Druchtrittsöffnung 3 herum ragen in den Gasentladungsraum 11 hinein. Das 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. einer Cu-W-Legierung. 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 3132 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, insbeondere die Oberfläche 33 des auswechselbaren Einsatzes 32 ist plan und steht senkrecht zur Symmetrieachse 1, während der der Extraktonselektrode 28 und deren Durchtrittsöffnung 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 über den Einlaß 35 im Magnetjöch 17, wobei eine radiale Bohrung 36 zu einer ringförmigen Ausnehmung 37 führt, welche z. T. in der bodenseitiger 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 Magnetjochteiie 16 und 17 sind gegenüber der Isolationsscheibe 21 mittels der Dichtungen 43 und 44 abgedichtet
Der sogenannte balancierte Betrieb, bei dem die Kathodenemission so eingestellt wird, daß die Potentialdifferenz zwischen Kathode 14 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 werden, ohne daß die Entladung im Gesamtladungsraum 11 beeinträchtigt wird.

Das Anlegen der genannten höheren Spannung führt, im Gegensatz zu bekannten Anordnungen, numehr nicht mehr zum Auftreten von Instabilitäten, weil 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 weser.iich übersteigen, wodurch der Anteil hochgeiadener Ion.;n im Piasma weiter vergrößert werden kann.

Mittels dieser Quelle (gilt auch für das nächste Ausführungsbeispiel) sind Ionenstrahlen mit hoher spezifischer Ladung um 0,05 eo/Λ/ο gleichmäßig für etwa

20 Stunden Betriebsdauer erzeugbar. Die Lebensdauer der Quelle ist dadurch begrenzt, daß sich bei größerer ' Entladungsleistung nach einer bestimmten Brenndauer die Extraktionsöffnung im Anodenschiid 4 so vergrößert, daß der extrahierte Strahl ionenoptisch nicht mehr beherrscht werden kann.

Beispiele gemessener lonenströme sind in der folgenden Tabelle aufgestellt:

Tabelle

I Tl	Ar	Xe
/	ta	h
1 8,2	500	100
2 33	1200	200
3 13	300	180
4	30	160
5	1	125
6		129
7		95
8		87
9		25
10		2,6
11		-0,3
δ 100%	10%	25%
Hierbei bedeutet:
ζ: Ladungszustand
ö: Tastverhältnis,
/: Ionenstrom in μΑ,
In: lonenstrom während des Pulses in uA.

Der Ionenstrom / wurde für Titan und der gepulste lonenstrom /n für Xenon und Argon aufgenommen. Die maximale Magnetflußdichte liegt bei ca. 0,2 T.

Als Betriebsstoffe für die Quelle finden Edelgase und Stickstoff problemlos Verwendung. Gasförmige Verbin-

düngen und Dämpfe bzw. eine ihrer Komponenten sind oft besondsrs für die heiße Kathode 14 aggressiv. Durch Einlaß eines Schutzgases durch die Zuführung 15 in den Kathodenraum 12 und Einlaß des aggressiven Betriebsgases durch den Zulauf 42 in den Eniladungsraum 11 wird die Kathode 14 zuverlässig vor Korrosion bewahrt.

Mit der !onenzerstäubungstechnik (Sputtering) können von allen Festkörpern freie Atome gewonnen werden. Hierzu ist in der in der Fig.3 dargestellten Ausführungsform der Erfindung zusätzlich zu der Zwischenelektrode 2, 20 und dem Anodenschild 4 innerhalb des Entladungsraumes 11 eine Sputterelektrode 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 Bezugszeichen nicht aufgeführt worden.

Mittels der ringförmigen Sputterelektrode 47 können geladene Ionen von festen Substanzen erzeugt werden. Damit wegen auftretender 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 Il 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 50 der Sputterelektrode 47, 49 wird ein zylindrisches Rohr 51 aus dem 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 15, J7 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 teurste Materialien wie angereicherte Isotope verwendet werden.

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

ίο 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 Hauptentlu dungspuls verzögert einzuschalten und vorzeitig abzu-

i) brechen.

Die elektrische Schaltung für das Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 ist in F i g. 4 schematisch dargestellt. Der Einfachheit halber sind wiederum nur die Kathode 14. die Magnetjochteile 16, 17, die E.xtraktionselektrode 28 sowie die isoiationssc'neiben 2i utiu 48 mii der Sputterelektrode 51 bezeichnet. In der Normalversion nach Fig. 2 würde die Sputterelektrode 51 mit ihrer Spannungsversorgung iA_P(typisch 300 V) entfallen. Die Extraktionsspannung Uex liegt zwischen der Extraktionselektrode 28 und dem Magnetjochteil 17 bzw. dem Anodenschiid 4. Sie beträgt typisch 35 kV. Die Entladungsspannung Ue liegt zwischen dem Magnetjochteil 17 sowie der Kathode 14 und beträgt ca. 200 V. Der Mü^rietjochteil 16 liegt am Spannungsleiter mit den

Widerständen Rk bzw. R^ zur Kathode 14 bzw. Anode 4, 17. Der Wert für den Widerstand R/r. beträgt I kOhm bei Gleichstrombetrieb und 100 Ohm bei Pulsbetrieb, der Widerstand R_K kann bei Gleichstrombetrieb entfallen. Im gepulsten Betrieb weist er einen Wert von

ji 10 Ohm auf. Ü» ist die Versorgungsspannung der Magnetspule 18. deren maximale Magnetflußdichte bei ca. 0.2 T liegt. Die Versorgungsspannung Usp für die Spüttcrclcktrode 51 lieg¹, zwischen dieser und der Anode 17. wobei der negative Pol an der Sputterelektrode liegt. Die Spannung Uex ist mit ihrem negativen Pol an Erde angeschlossen.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Duoplastmatron-Ionenquelle zur Erzeugung mehrfach geladener Ionen, mit einer Glühkathode, mit einer Zwischenelektrode und einer Anode, die Durchtrittsöffnungen aufweisen und einen Entladungsraum begrenzen, in dem ein Entladungsplasma durch Anlegen einer Entladungsspannung zwischen Glühkathode und Anode erzeugt wird, und mit einer ein Magnetfeld entlang einer gemeinsamen Symmetrieachse der Zwischenelektrode und der Anode erzeugenden Spule mit Magnetjoch, bestehend aus einem anodenseitigen und einem zwischenelektrodenseitigen Jochteil, wobei der Bereich der Anode um deren Durchtriffsöffnung als Anodenschild aus nichtmagnetischem Material ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchtrittsöffnung (5) des Anodenschildes (4; 31, 32) im Maximum der Axialkomponente der Magnetflußdichte (B*x\ angeordnet ist und daß die Entladungsspannung (Ue)bei etwa 200 V oder darüber liegt.

2. Ionenquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß um die Durchtrittsöffnung (3) der Zwischenelektrode (2) ein Zylinder (20) aus hochschmelzendem, nichtmagnetischem Material angeordnet ist.

3. Ionenquelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Anodenschild (4; 31, 32) flüssigkeitsgekühlt ist.

4. Ionenquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß in den Entladungsraum (11) zwischen Zwischenelektrode (2, 20) und Anodensdiild (4; 31, 32) eine Sputterelektrode (47, 49, 51) einsetzbar ist, öer^n Durchtrittsöffnung (50) auf der Symmetrieachse (1) liegi, daß die Sputterelektrode (47, 49, 51) aus nichtmagnetischem Material besteht und um ihre Durchtrittsöffnung (50) ein Rohr (51) aus dem zu sputtemden Material aufweist, daß die Sputterelektrode (47,49,51) am Magnetjoch (16, 17) befestigt ist und daß die Sputterelektrode (47,49, 51) derart ausgebildet ist, daß sie den größten Teil des Entladungsraumes (U) ausfüllt.

5. Ionenquelle nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Sputterelektrode (47,49,51) einen äußeren Ring (54) enthält, der einen Teil des Magnetjochs bildet und gegenüber den anoden- bzw. zwischenelektrodenseitigen Teilen (16, 17) des Magnetjochs mittels Isolationsscheiben (21, 48) elektrisch getrennt ist.