DE3150156A1

DE3150156A1 - Hochstrom-ionenquelle

Info

Publication number: DE3150156A1
Application number: DE19813150156
Authority: DE
Inventors: Roderich Dipl.-Phys. Dr. 6100 Darmstadt Keller; Fritz Ing. grad. 6000 Frankfurt Nöhmayer
Original assignee: GSI Gesellschaft fuer Schwerionenforschung mbH
Current assignee: GSI Gesellschaft fuer Schwerionenforschung mbH
Priority date: 1981-12-18
Filing date: 1981-12-18
Publication date: 1983-07-07
Also published as: FR2518804A1; GB2115219A; DE3150156C2; GB2115219B; FR2518804B1; US4562355A

Description

Beschreibung:

Die Erfindung betrifft eine Hochstrom-Ionenquelle nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Strahlen einfach geladener Ionen von etwa IO bis 100 mA Stromstärke v/erden beim Betrieb von Massenseparatoren und Ionenimplatationsanlagen verwendet. Auch bei Schwerionenbeschleunigem kann die Endintensität vergrößert werden, wenn eine Stromstärke Quelle ein- oder mehrfach geladener Ionen eingesetzt wird. Dabei sind Ionen von nichtflüchtigen Elementen besonders interessant, so daß ihrer Erzeugung eine große Bedeutung zukommt.

Es ist eine Massenseparatorquelle bekannt (Buch, Dearnaly Freeman, Nelson, Stephen, Ion Implantation, liorth Holland Publ. Comp., Amsterdam (1973) Seiten 326 - 328) deren Heizfaden genau parallel und in einem vorbestimmten Abstand zu dem Extraktionsschlitz angeordnet ist, wobei die Breite des Extraktionsschlitzes mit der Position des Heizfadens korreliert ist und einen Ionenstrom bis 10 mA erzeugt.

Die Nachteile dieser bekannten Einrichtung bestehen insbesondere darin, daß der Ionenstrahl einen schmalen rechteckigen Querschnitt aufweist, daß die Ionenquelle nur in einem eng begrenztem Bereich der Betriebsparameter ruhig brennt und durch die auftretenden Schwingungen die Pvaumladungs-Kompensation des Ionenstrahles zerstört und eine höhere Divergenz bewirkt wird, daß

die Plasmadichte nicht an eine vorbestimmte frei wählbare Extraktionsgeometrie angepaßt werden kann, daß es nicht möglich ist, durch Vergrößerung der Extraktionsfläche einen höheren Ionenstrom zu erzeugen, daß sich ein langer Heizfaden, wie er bei einem längeren Schlitz erforderlich wäre im Betrieb leicht verwirft, daß .der Quellenkörper teilweise aus Graphit besteht, in welches das Beschichtungsmaterial diffundiert, daß die Quelle in ein größeres Vakuumgefäß eingebaut werden muß, und daß ein äußeres honogenes Magnetfeld erforderlich ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Hochstrom-Ionenquelle zu entwickeln, mit der Ionenstrahlen höherer Stromstärken mit vorbestimmten Strahlquerschnitten erzeugt werden können und deren Anpassung an vorbestimmte Betriebsbedingungen möglich ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäS durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 angegebenen Anordnung gelöst.

Die mit der vorgeschlagenen Hochstrom-Ionenquelle erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß ruhige Ionenstrahlen vorbestimmten Querschnittes von nichtflüchtigen Materialien mit sehr niedriger Emittanz und Divergenz erzeugt werden können, daß in der Quelle eine Vielzahl von Materialien verwendbar ist, daß die Strahlenergie im Bereich von ca. 5 bis 100 keV und die

-J-

Strahlintensität im Bereich von ca. 1 bis 100 mA einstellbarist, daß bis zu 50 % zweifach und bis zu 20 % mehrfach geladene Ionen erzeugt werden können, daß nach dem Aufheizen der Betrieb ohne Hilfsgas möglich ist, daß die Wirkungen von Entladungs-, Kathoden- und- Ofenleistung voneinander entkoppelt sind, daß der Betrieb ohne Vakuumgefäß möglich ist, und daß Wartung und Justierung wesentlich erleichtert sind.

Mit der vorgeschlagenen Hochstrom-Ionenquelle können positive Ionen aller Elemente erzeugt werden, deren Dampfdruck bei etwa 1500 °C mehr als etwa 1 mb beträgt. Elemente mit geringerem Dampfdruck können als flüchtige Verbindungen eingebracht werden, wobei die Kondensation des gewünschten Elementes an den Quellenwänden gegenüber einer kalten Quelle auf jeden Fall vermindert ist. Inerte Gase lassen sich ohnehin problemlos in dieser Quelle verwenden.

Ein Ausführungsbeispiel einer Kochstrom-Ionenquelle mit den Merkmalen der Ansprüche 1 bis 8 ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. .Es zeigen

Fig. 1 vereinfachter Schnitt einer Hochstrom-Ionenquelle,

Fig. 2 Anodenflansch,

Fig. 3 Feldkonfiguration im Entladungsraum bei radialer Polung der Permanentmagnete,

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Fig. 4 Feldkonfiguration im Bntladungsraum bei

tangentialer Polung der Permanentmagnete,

Fig. 5 elektrische Schaltung der Hochstrom-Ionenquelle.

Ein vereinfachter Axialschnitt der Hochstrom-Ionen— quelle ist in Fig. 1 dargestellt. Die Einrichtung besteht aus drei Modulen, einer den zu ionisierenden Dampf erzeugenden Ofen-Kathodenkammer 1, einem den Dampf ionisierenden Quellenhauptkörper 2 und einer die Ionen abführenden Extraktionseinheit 3, die vakuumdicht miteinander verbunden sind und eine gemeinsame Achse 4 aufweisen.

Ofen und Kathode bilden eine Baugruppe, deren Bauteile mechanisch miteinander verbunden, elektrisch und thermisch jedoch weitoehend entkoppelt sind.

An eine zylindrische Ofenkammer 5 ist an der dem Quellenhauptkörper 2 zugewandten Seite eine dickwandige Hülse 6 angeschlossen, die durch an ihrer Außenseite in Richtung der Achse 4 angeordnete Heizleiter 7 erwärmt wird und durch Wärmestrahlung und Wärmeleitung die Ofenkammer 5 aufheizt. Als Heizleiter 7 werden gewendelte Drähte oder Bänder aus Tantal oder Wolfram verwendet.

Die Ofenkammer 5 weist eine Bohrung 8 zum Aufnehmen eines durch die Hülse 6 geführten dünnwandigen Ofenrohres 9 und eine der Bohrung S in Richtung der Achse 4 gegenüberliegende öffnung Io zum Einbringen

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eines zu verdampfenden Einsatzstoffes auf, die mit einem Deckel 11 verschließbar ist.

Das Ofenrohr 9 ist über eine Muffe 12 mit einem rohrförmigen Kathodeninnenleiter 13 fest verbunden, der an seinem freien Ende Gasaustrittsöffnungen 14 aufweist und an dessen Außenseite mehrere als Emitter 15 geschaltete gewendelte Tantaldrähte angeordnet sind.

Die Öfenkammer 5 ist über axial angeordnete Bolzen 16 und an die Enden der Bolzen 16 radial angeschlossene Bänder 17 mit einer Ofentragscheibe 13 verbunden, die über axiale Stehbolzen 19 und eine die Muffe 12 aufnehmende Muff entragscheibe 20 das Ofenrohr 9 trägt.

Die Ofentragscheibe 18 wird von einem Ofenflansch 21 aufgenommen, der an seiner von dem Ofenrohr 9 abgewandten Seite mit einem Gehäusedeckel 22 vakuumdicht verschlossen ist und einen ersten Kühlkanal 23 aufweist.

Der Ofenflansch 21, ein Heizleiterflansch 24, ein Emitterflansch 25 und ein Anschlußflansch 26 sind durch je einen Keramikring 27 gegeneinander elektrisch isoliert und durch O-Ringe 28 vakuumdicht miteinander verbunden·. Der Ofenflansch 21 und der Anschlußflansch 26 sind durch außerhalb des Heizleiterflansches 24 und des Emitterflansches 25 angeordnete isolierte Schraubenbolzen 29 fest miteinander verbunden. Der Heizleiterflansch 24 weist einen zweiten Kühlkanal 30, der Emitterflansch 25 einen dritten Kühlkanal 31 auf. Die

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Keramikringe 27 sind durch Bedampfungsschutzringe 32, 33, 34 gegen Bedampfen geschützt.

Durch zweckmäßige Werkstoff- und Querschnittswahl der aus den Abstandsbolzen 16 und den Bändern 17 bestehenden Aufhängung der Ofenkammer 5 ist eine Anpassung der Ofentemperatur an unterschiedliche Betriebsbedingungen (maximale Heizleistung, benötigter Dampfdruck) möglich. Die Bänder 17 sind elastisch und kompensieren thermische Längenänderungen.

Durch Wärmestrahlung entstehende Wärmeyerluste der Ofenkammer 5 werden reduziert durch einen im Gehäusedeckel 22 angeordneten ersten Hitzeschild 35, einen an der Peripherie der Ofenkammer 5 angeordneten zweiten Hitzeschild 36 und einen im Bereich der Stehbolzen 19 angeordneten dritten Hitzeschild 37.

Die das Ofenrohr 9 tragende Scheibe 20 besteht im Gegensatz zu dem dünnwandigen Ofenrohr 9 aus einem guten elektrischen und thermischen Leiter so daß unterschiedliche Kathodentemperaturen und Entladungsbedingungen die Ofentemperatur praktisch nicht beeinflussen. Durch geeignete Werkstoff- und Querschnittswahl und galvanische Beschichtungen insbesondere der Stehbolzen 19 ist die Temperatur an der Verbindungsstelle von Ofenrohr 9 und Kathodeninnenleiter 13 einstellbar.

Die der Aufhängung des Ofenrohrs 9 dienende Muffentragscheibe 20 und eine mit dem Emitterflansch 25 verbundene, die Tantaldrähte des Emitters 15 aufnehmende,

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Emittertragscheibe 38 weisen einen in Richtung der
Achse 4 abgewinkelten Querschnitt auf, so daß bei
hohem Temperaturgefälle nur eine axiale Bewegung
möglich ist.

Der in der Ofenkammer 5 erzeugte Dampf wird durch
das Ofenrohr 9 und den Kathodeninnenleiter 13 zu den Gasaustrittsöffnungen 14 geleitet. Bei diesem Aufbau ist die Ofenkammer 5 das kälteste Bauteil. Jede Kondensatbildung im Ofenrohr 9 und in dem Kathodeninnenleiter 13 wird unterbunden. Die Drosselwirkung der den Dartpf führenden langen Rohre 9, 13 reduziert außerdem die Auswirkungen kurzfristiger Druckschwankungen in
der Ofenkammer 5.

Die Ofenkammer 5 kann nach Abnahne des mit einer Metalldichtung 39 vakuumdicht an den ersten Flansch 21 angeschlossenen Gehäusedeckels 22, des ersten Hitzeschildes 35 und des Deckels 11 mit dem zu verdampfenden
Material beschickt werden.

Der Quellenhauptkörper 2 besteht im wesentlichen aus einem den Kathodeninnenleiter 13 umschließenden und
koaxial zu diesem angeordneten Anodenrohr 50, einer
an den Stirnseiten des Anodenrohres 50 angeordneten, in den Entladungsraum 51 hineinragenden ringförmigen Reflektorelektrode 52 und einem Anodenflansch 53 mit einer das Anodenrohr 50 vollständig umschließenden
vakuumdichten Ringkammer 54, in der Permanentmagnete 55 zu Erzeugen eines linearen Multipolfeldes im Entladungsraum 51 angeordnet sind.

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mm · · *

Der getrennte Aufbau des Anodenrohres 50 und der gekühlten Ringkammer 54 ermöglichen es, die in der Ringkammer angeordneten temperaturempfindlichen Permanentmagnete 55 kühlzuhalten, obwohl die Temperatur des Anodenrohres 50 bei etwa 2000 C liegen kann.

Es ist selbstverständlich auch möglich, zwischen dem Anodenrohr 50 und der Ringkammer 54 einen Hitzeschild anzuordnen.

Die Enden des Anodenrohres 50 sind zwischen einer ersten und einer zweiten radialen, ebenen Anodenscheibe 56, 57 eingespannt. Jede der Anodenscheiben 56, 57 ist an ihrem äußerem Rand mit einem Tragring 58 verschraubt, der andererseits mit einer der Seiten des Anodenflansches 53 verbunden ist. Dabei ist die axiale Länge der Tragringe 53 so festgelegt,

vT ^;

daß der axiale Abstand der Außenseiten der Tragringe 58 kleiner ist als die axiale Länge des Anodenrohres Verformung der Haltescheiben 56, 57 eintritt und deren bei der hohen Betriebstemperatur auftretende Verformung ausschließlich in Richtung der Achse 4 der Ionenquelle erfolgt.

Je

Die Reflektorelektroden 52 sind in der Bohrung je einer Reflektorscheibe 59 zentriert, die ebenfalls einen in Achsrichtung abgeknickten Querschnitt aufweisen und jeweils mit einem Endflansch 6o, 61 verbunden sind.

Der Anodenflansch 53 ist durch Keramikringe 62 gegen die Endflansche 6o, 61 elektrisch isoliert und durch O-Ringe 63 vakuumdicht verbunden.

Die Endflansche 6o, 61 und der Anodenflansch 53 weisen Kühlkanäle 64, 65 auf, deren Radius kleiner ist als der Radius der O-Ringe 63.

Durch die Wahl der Dicke und des Materials der Reflektorscheiben 59 und der ersten und zweiten Anodenscheibe 56, 57 ist es möglich, die Temperaturen des Anodenrohres 5o, der Reflektorelektroden 52 und einer zur Extraktionseinheit 3 gehörenden Quellenaustrittselektrode 66 bei unterschiedlichen Ionensorten der jeweiligen thermischen Leistung der Emitter 15 und der Entladung anzupassen.

An die durch Schrauben 67 verbundenen Endflansche 6o, 61 und den Anodenflansch 53 montierte, einander überlappende Bedampfungsschutζringe 68, 69, verhindern

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das Kondensieren von Dampf auf den Keramikringen 62 und damit elektrische Kurzschlüsse.

An den inneren Bedampfungsschutzringen 68 zwischen den Reflektorscheiben 59 und den Anodenscheiben 56, 57 sind Strahlungsabsorber 7o angeordnet, die bei übermäßiger Temperatur des Anadenrohres 50 von den mit diesem verbundenen Anodenscheiben 56, 57 Wärmestrahlung aufnehmen und zu den gekühlten Endflanschen 6o, 61.ableiten. Mit dieser Maßnahme wird erreicht, daß die Temperatur des Anodenrohres 50 oberhalb von etwa 1000 C nicht mehr proportional zur Entladungsleistung ansteigt sondern nur noch schwach zunimmt.

Auch im Bereich der Ofen-Kathodenkammer 1 sind die zwischen dem Ofenflansch 21, dem Heizleiterflansch 24, dem Emitterflansch 25 und dem Anschlußflansch 26 angeordneten Keramikringe 27 gegen das Kondensieren von Dampf durch Bedampfungsschutzringe 32, 33, 34 geschützt.

Die Flansche 21, 24, 25, 26 der Ofen-Kathodenkammer und die Flansche 6o, 61, 63 des Quellenhauptkörpers 2 weisen außenliegende Bünde zum Aufnehmen der Keramikringe 27 und 62 auf. Dadurch wird das Sprengen der Keramikringe durch bei Erwärmung auftretende Ausdehnung der Flansche ausgeschlossen.

An den Quellenhauptkörper 2 ist der Extraktorflansch 71 der Extraktionseinheit 3 über einen 0-Ring 72 vakuumdicht angeschlossen. Die Quellenaustrittselektrode 66 ist in der zentralen Bohrung einer kreisringförmigen Haltescheibe 73 angeordnet, die einen geknickten Quer-

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schnitt aufweist und über einen Stellring 74 mit dem Extraktorflansch 71 verbunden ist.

Die Quellenaustrittselektrode 66 weist Extraktionsöffnungen 76 für die im Entladungsraum 51 erzeugten Ionen auf, die aus Bohrungen oder Schlitzen in Einzeloder Mehrfachanordnung mit vorbestimmten Querschnitten bestehen.

Die Quellenaustrittselektrode 66 muß mit hoher Genauigkeit auf eine Bremselektrode 77 und eine Erdelektrode 78 ausgerichtet werden. Dazu wird der Extraktorflansch 71 montiert und der Stellring 74, der die Haltescheibe 73 mit der Quellenaustrittselektrode 66 trägt, mittels Justierschrauben 75 radial justiert und anschließend durch Schrauben 79 fixiert. Sine möglicherweise gewünschte Änderung der axialen Position der Quellenaustrittselektrode 66 kann durch entsprechende Änderung der Haltescheibe 73 und des Stellringes 74 er- · reicht werden. Nötigenfalls kann auch die Reflektorelektrode 52 direkt mit der Haltescheibe 73 verbunden v/erden, so daß die Reflektorscheibe 59 entfällt. Die genaue Ausrichtung der Quellenaustrittselektrode 66 kann mit Hilfe von Paßstiften erreicht und optisch kontrolliert werden. Anschließend wird der Quellenhauptkörper 2 mit dem Extraktorflansch 71 verschraubt. Diese Befestigung und das Gewicht des Quellenhauptkörpers 2 beeinflussen die Justierung der Quellenaustrittselektrode 66 nicht. Zuletzt wird die Ofen-Kathodenkammer 1 an den Quellenhauptkörper 2 angeschraubt.

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Nach Abnehmen des mit der Metalldichtung 39 vakuumdicht an den Ofenflansch 21 angeschlossenen Gehäusedeckels 22, des ersten Hitzeschildes 35 und des Deckels 11 kann die Ofenkammer 5 durch die öffnung Io beschickt werden.

Zur Inbetriebnahme mit Dampf wird der Emitter 15 und mit diesem der Kathodeninnenleiter 13 auf Betriebstemperatur gebracht und eine Entladung in einem Hilfsgas gezündet. Sobald das Anodenrohr 5o_y der Kathodeninnenleiter 13,die Reflektorelektroden 52 und die Quellenaustrittselektrode 66 ausreichend heiß sind, kann die Ofenkammer 5 geheizt werden. Bei zum Verdampfen des Beschichtungsmaterials ausreichender Ofens· temperatur tritt Dampf durch das Ofenrohr 9 und den Kathodeninnenleiter 13 in den Entladungsraum 51.

Dort wird der Dampf ionisiert und ersetzt das Hilfsgas, dessen Zufuhr allmählich gedrosselt wird, in bestimmten Fällen, z.B. -für die Produktion mehrfach geladener Ionen kann ein Betrieb mit einem Hilfsgasanteil, insbesondere Helium, vorteilhaft sein.

Die Entladung kann im Puls- oder Gleichstrombetrieb erfolgen. Dabei müssen die den Entladungsraum einschließenden Quellenteile in bezug auf Wärmeleitfähigkeit und Querschnittsfläche der erwarteten Durchschnittsleistung angepaßt sein.

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Das Abschalten der Ionenquelle erfolgt in der umgekehrten Reihenfolge. Auf diese Weise wird jede Kondensation und Flitterbildung an den Keramikringen 27, ausgeschlossen , die einen Neustart stören könnten.

Fig. 2 zeigt in vereinfachter Darstellung die der Extraktxonseinheit 3 zugeordnete Seite des Anodenflansches 53. Die Permanentmagnete 55 werden durch eine ringförmige Magnetaufnahme 85 mit Stegen 86 (siehe Fig. 1) an der Wand der zentralen Ringkammer 54 anliegend und an deren Umfang gleichmäßig verteilt so gehalten, daß in Richtung des Cmfanges ein mäanderförmiger Magnetkühlkanal 37 zwischen den Permanentmagneten 55, der Magnetaufnahme 35 und der Ringkammer 54 gebildet wird. Der üagnetkühlkanal 87 umschließt jeden der Permanentmagnete 55 auf der dem heißen Anodenrohr 5o zugewandten Seite und den sich anschließenden radialen Seiten.

Das Kühlmittel wird über eine Kühlmittelzuleitung durch eine Bohrung im Anodenflansch 53 in den Magnetkühlkanal 87 geleitet, durch einen im Anodenflansch 53 angeordneten überströmkanal 89 von dem Magnetkühlkanal 87 zu dem ringförmigen Anodenflanschkühlkanal 65 transportiert und von dort mit einer Kühlmitte lableitung 91 abgeführt.

Das in bestimmten Fällen benötigte Hilfsgas wird über vier gleichmäßig am Umfang des Anodenflansches 53 angeschlossene Kilfsgasleitungen 92 durch jeweils eine radiale Bohrung und eine axiale Bohrung in den Entladungsraum 51 geleitet und aus diesem durch die Extraktionsöffnw.ng 76 abgeführt.

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Die Kontrolle der Temperatur des Anodenrohres 5o erfolgt mit Mantelthermoelementen 93 (siehe Fig. 1), die durch jeweils eine von mehreren Thermoelementbohrungen 94, die radial und axial den Anodenflansch 53 durchdrinaen und in im Bereich jeder der beiden Reflektorelektroden 52 an der Außenseite des Anodenrohres 5o angebrachte Bohrungen gesteckt sind. Die Thermoelemente sind mit einem Kunstharz in dem Anodenflansch 53 vergossen.

Fig. 3 zeigt die Feldkonfiguration im Entladungsraum 51 bei radialer Magnetisierung der Permanentmagnete 55, Fig. 4 bei tangentialer Magnetisierung. Der Feldlinienverlauf auf der Außenseite der in der Magnetaufnahme 35 kreisringförmig angeordneten Permanentmagnete 55 ist nicht dargestellt, da dieser für die Funktion der Ionenquelle ohne Bedeutung ist.

Die tangentiale Polung der Permanentmagnete 55 gemäß Fig. 4 bedingt einen Feldlinienverlauf mit der höchsten Feldliniendichte auf einem von den Innenflächen 95 der Magnete 55 unterschriebenen Mantel, jeweils in der Mittelebene zwischen zwei Magneten. Im Bereich höchster Feldliniendichte fällt praktisch der überwiegende Teil der Entladungsleistung ab. Andererseits wird der beste Plasmaeinschluß und damit die beste Effizienz der Ionenquelle erreicht, wenn die Wand 96 des Entladungsraumes 51 genau durch diese Linien verläuft. Eine gekröpfte, heißlaufende Wand 96 anstelle des Anodenrohres 50 in Verbindung mit einer zwischen den Magneten ausgesparten Magnetaufnahme 85 ermöglicht gleichzeitig besten Plasmaeinschluß und Direktkühlung der Magnete. Einen vakuumdichten Anschluß der Magnetkühlkanäle bildet eine zu der Wand 96 parallel angeordnete V7and 97.

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Die elektrische Schaltung der Hochstrora-Ionenquelle ist in Fig. 5^: dargestellt. In die Ofenkammer 5 wird mit dem an der Ofenspannung ü_Q liegenden Heizleiter 7 eine Ofenheizleistung P. eingebracht und eine . Ofentemperatur T_Q sowie ein Dampfdruck p_Q eingestellt.

An dem Kathodeninnenleiter 13 liegt über den Emitter 15 die Kathodenspannung U_K· Zwischen der Reflektorelektrode 52 und dem Kathodeninnenleiter 13 liegt die Reflektor-Kathodenspannung Up_x und zwischen Anodenrohr 5o und Kathodeninnenleiter 13 die Entladungsspannung Vpjrf die den Entladungsstrom I„ bewirkt.

Der Ionenstrom tritt durch die Extraktionsöffnung 76 der Quellenaustrittselektrode 66, die auf hohem positivem Potential liegt und durch die Öffnungen der nachgeschalteten auf schwach negativem Potential liegenden Bremselektrode 77 und der nachgeordneten Erdpotential aufweisenden Erdelektrode 78. Die Potentialdifferenz zwischen der Quellenaustrittselektrode 66 und der Erdelektrode 78 ist die Strahlspannung U_gt^ die Potential differenz zwischen der Erdelektrode 78 und der Bremselektrode 77 ist die Beschleunigungsspannung U .

Der austretende Ionenstrahl enthält auch einen Anteil f2 zweifach geladener Ionen und einen Anteil f, dreifach geladener Ionen. In einem vorbestimmten Abstand

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• . a

von der Erdelektrode 78 ist mit einem Faradaybecher ein Gesarationenstrom I„_c meßbar.

Der einen Pttlser darstellende Schalter P ist bei Gleichstrombetrieb ständig geschlossen. Die Strahlspannung Ug. definiert die Strahlenergie. Das Potential der Reflektorelektroden 52 ist durch dcei verschiedene Schaltungsarten einstellbar.

= 1 kOhra und R^ = oo und Schalter S offen, oder

R_AR =100 Ohm und R™ = 10 Ohm und Schalter S offen,

oder

R₃. = R_ = oo und Schalter S geschlossen.

Nur in dem letzten Fall muß die Fremdspannung U™ angelegt werden. Es ist auch möglich, die Schrauben 81 zum Verbinden der Endflansche 6o, 61 des Quellenhauptkörpers 2 zu isolieren und die Reflektorelektroden 52 mit unterschiedlichen Potentialen zu betreiben. Bei brennender Entladung liegt das Potential beider Elektroden nahe am Potential des Kathodeninnenleiters 13, gewöhnlich etwas darüber.

Bei einer gemäß Fig. 1 und Fig. 5 ausgeführten Hochstrom- Ionenquelle wurde die Entladung bei 50 Hz mit 10 % Tastverhältnis gepulst.

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-■*·■■

Die Extraktionsöffnung 76 der Quellenaustrittselektrode 66 bestand dabei aus 7 Bohrungen mit je 2,5 mm Durchmesser · Der Abstand zwischen der Quellenaustrittselektrode 66 und der Bremselektrode 77 war auf 3,1 mm eingestellt;

Der Gesamtionenstrom Ip_C - wurde nach 1 m freier Driftstrecke in einem Faradaybecher von 45 mm Durchmesser gemessen.

Die Betriebsdaten und Meßergebnisse sind in der nachstehenden Tabelle für die Elemente Kalzium und Wismuth zusammengestellt. Die Hilfsgaszufuhr (Helium für Kalzium und Xenon für Wismuth) war ganz abgestellt worden.

Die erprobte Hochstrom-Ionenquelle kann mit mehr als 2 kW durchschnittlicher Entladungsleistung, bis zu 2,5 kW Kathodenheizleistung und etwa 3 kW Ofenheizleistung betrieben werden.

El	I_E/A	^üak'^v	P_K/kW	P₀/kW	V⁰C	P₀/mb	u_STR/kv	f_z/%	f₃/%	I_Fcl/mA
Ca Bi	200	50 75*	1.66 1.23	1.40 2.32.	840 990	2.0 1.6	21 31	20 28		6 &

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Bezugszeichenliste:

Fia	. 1	26	Anschlußflansch
1	Ofen-Kathodenkammer	27	Keramikring "
2	Quellenhauptkörper	28	O-Ring
3	Extraktionseinheit	'29	Schraubenbolzen zwi
4	Achse von 1, 2, 3		schen 21, 26
5	Ofenkammer	30	2. Kühlkanal in 24
6	Hülse an 5	31	3. Kühlkanal in 25
7	Heizleiter	32	Bedampfungsschutzring
"8	Bohrung in 5 für 9	33	Bedampfungsschutzring
9	Ofenrohr	34	Bedampfungs s chutzring
Io	Öffnung in 5	35	!.Hitzeschild
11	Deckel auf Io	36	2.Hitzeschild
12	Muffe	37	3.HitzeschiId
13	Kathodeninnen-	38	Emitter-Tragscheibe
	leiter	39	Metalldichtung an 21,22
14	Gasaustrittsöffnung	5o	Anodenrohr
	in 13	51	Entladungsraum
15	Emitter	52	Reflektorelektrode
16	Abstandsbolzen
17	Bänder	53	Anodenflansch
		54	Ringkämmer
18	Ofenkammer-Trag scheibe	55	Permanentmagnete in
19	Stehbolzen		54
2o	Muffentrags cheibe	56	1.Anodenscheibe
21	Ofenflansch	57	2.Anodenscheibe
22	Gehäusedeckel an 21	58	Tragring
23	1.Kühlkanal in 21	59	Reflektorscheibe
24	Heizleiterflansch	6o	Endflansch von 2
25	Emitterflansch

- 25 -

- AS

61 Endflansch von 2

62 Keramikring

63 O-Ring

64 Kühlkanal in 6o, 61

65 Anodenflanschkühlkanal in 53

66 Quellenaustrittselektrode

67 Schrauben an 6o, 61

68 Bedampfungsschutzringe
an 6o, 61

69 Bedampfungsschutzringe
an 53

87

88 89

91 92 93

94

Fig.

Magnetkühlkanal zwischen 55 und 85

Kühlmittelzuleitung

Überströmkanal zwischen 87 u. 90 Kühlmittelableitung Hilfsgasleitung

Mantelthermoelement (s.Fig. 1)

Thermoelementbohrung in 53

70 71	Strahlumgsabsorber zwi- 95 sehen 59, 56 _Q Extraktorflansch	Innenflansch von 55 heißlaufende Wand von 51
72	O-Ring 97	Wand von 87
73	Haltescheibe für 66
74	Stellring für 73
75	Justierschrauben in 71
76	Extraktionsöffnung
77	Bremselektrode
78	Erdelektrode
79	Schrauben in 74, 71

Fig. 2

85 Magnetaufnahme

86 Steg in 85 (s.Fig.l)

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Fig. 5

U Ofenspannung

P Ofenheizleistung

T_ Ofentemperatur

ρ Dampfdruck in 5

U Kathodenspannung

U Reflektor-Käthoden-

spannung . _f

U-„ Ehtladungspannung *, <

I_ Entladungsstrom

U_B Beschleunigungsspannung

f„ Anteil 2-fach geladener Ionen

f_ Anteil 3-fach geladener Ionen

I Gesamtionenstrom im ersten Faraday-

^FC1 becher

U-,. Strahl spannung otr

P Kathodenleistung

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Leerseite

Claims

Gesellschaft für Schwerionen- Darmstadt, den 17.12.81 forschung mbH PLA 8168 Hä/he

Patentansprüche:

.1. Hochstrom-Ionenquelle zum Erzeugen von Ionenstrahlen aus Gasen und insbesondere nichtflüchtigen Materialien, gekennzeichnet durch folgende Merkmale,

a) eine den zn ionisierenden Dampf erzeugende Ofen-Kathoden-Kammer (1), ein den Dampf ionisierender Quellenhauptkörper (2) und eine die Ionen abführende Extraktiönseinheit (3) sind jeweils als ein Modul ausgebildet,

b) jedes der iiodule (1, 2, 3) weist an seinen axialen Enden Flansche (21, 26, 60, 61, 71) zum gegenseitigen vakuumdichten Verbinden und zun Austauschen von Modulen auf,

c) den zu ionisierenden Dampf kontaktierende, im zentralen Bereich der Module (1, 2, 3) angeordnete Bauteile (5, 6, 9, 12, 13, 20, 38, 50, 52, 56, 57, 59, 64, 66) sind auf eine Temperatur aufheizbar ausgebildet, die oberhalb der Kondensationstemperatur des zu ionisierenden Dampfes liegt,

d) die zentralen Bauteile (5, 6, 9, 12, 13, 50, 66) jedes der Module (1, 2, 3) sind durch Wahl des Merkstoffes und durch konstruktive Ausbildung ihres Querschnittes auf eine durch die Dampfdruckkurve des zu ionisierenden Dampfes vorbestinmte Temperatur einstellbar,

e) die hohe Temperaturen aufweisenden zentralen Bauteile (5, 6, 9, 12, 13, 50, 52, 66) der Module (1, 2, 3) sind mit Raumtemperatur aufweisenden peripheren Bauteilen (21, 25, 53, 6b, 61/ 71) über scheibenförmige Stützelemente (2o, 38, 59, 73) geringer Wärmeleitfähigkeit verbunden, deren durch thermische Spannungen erzeugte Formänderungen durch vorbestimmte konstruktive Ausbildung ausschließlich axial gerichtet sind,

f) die Heizleistung (P_Q) der Ofenkammer (5) die Kathodenleistung (P„) des Kathodeninnenleiters (13) und die Endladungsleistung des Endladungsrauiaes (51) sind durch ein die Ofenkammer (5) mit dem rohrförmigen Kathodeninnenleiter (13) verbindendes Ofenrohr (9) entkoppelt.

2. Hochstrom-Ionenquelle nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch folgende Ilerkmale,

a) die Ofenkammer (5) ist durch eine den zu ionisierenden Dampf transportierende heiße Leitung, bestehend auf dem Ofenrohr (9) und dem rohrförmiaen Kathodeninnenleiter (13), mit dem Entladungsraum (51). des Quellenhauptkörpers (2) verbunden,

b) das Ofenrohr (9) ist koaxial in einer an die Ofenkammer (5) angeschlossenen, aus einem Werkstoff geringer elektrischer und thermischer Leitfähigkeit bestehenden Hülse (6) angeordnet, die von in Richtung der Achse (4) der Ionenquelle liegenden Heizleitern (7) umschlossen ist,

c) koaxial zu dem rohrförmigen Kathodeninnenleiter (13) ist in Richtung der Achse (4) eine Vielzahl von einen Emitter (15) bildenden Drähten angeordnet,

d) die Öfenkanmer (5) weist an ihrer freien Stirnseite einen ersten Hitzeschild (35) und einen den zylindrischen Teil der Ofenkammer (5) umschließenden rohrförmigen zweiten Hitzeschild

(36) auf, die Hülse (6) mit den Heizleitern (7) ist von einem rohrförmigen dritten Hitzeschild

(37) umschlossen,

e) eine das Ofenrohr (5) mit dem Kathodeninnenleiter (13) verbindende Muffe (12) ist in ihrer Temperatur einstellbar durch eine die Muffe (12) zentrierende Muffentragscheibe (2o) und mehrere die Muffentragscheibe (20) haltende Stehbolzen (19), bestehend aus einen Werkstoff guter elektrischer und thermischer Leitfähigkeit,

f) die Ofenkammer (5) ist mit einem Ofenflansch (21) über eine thermische Längenänderungen ausgleichende elastische Aufhängung verbunden.

Hochstrom-Ionenquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedes wärmebelastete Bauteil mindestens einen Kühlkanal aufweist, dessen Radius kleiner ist als derjenige des ntit diesem Bauteil verbundenen Ö-Ringes zum vakuumdichten Anschließen der Module (1, 2, 3) und/oder der Bauteile dieser Module.

-If-

4. Hochstrom-Ionenquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Quellenhauptkörper (2) im wesentlichen besteht aus einer den Kathodeninnenleiter (13) umschließenden und koaxial zu diesem angeordneten Anodenrohr (50), je einer an den Stirnseiten des Anodenrohres (50) angeordneten, in den Entladunqsraum (51) hineinragenden ringförmigen Reflektorelektrode (52) und einem Anodenflansch

(53) mit einer das Anodenrohr (50) vollständig umschließenden vakuumdichten Ringkammer (54) , in der in bezug auf die Achse (4) der Ionenquelle radial und/oder tangential gepolte Permanentmagnete (55) zum Erzeugen eines linearen Multipolfeldes im Entladungsraum (51) angeordnet sind.

5. Hochstron-Ionenquelle nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch folgende Merkmale,

a) die Extraktionseinheit (3) weist eine Quellenaustrittselektrode (66) auf, die den Entladungsraum (51) auf der der Extraktionseinheit (3) zugewandten Seite abschließt,

b) die Quellenaustrittselektrode (66) ist in der zentralen Bohrung einer kreisförmigen Haltescheibe (73) angeordnet,

c) die Haltescheibe (73) ist über einen Stellring (74) mit einem Extraktorflansch (71) verbunden und durch Justierschrauben (75) in ihrer radialen Lage sowie durch Schrauben (79) in ihrer axialen Lage einstellbar.

6. Hochstrom-Ionenquelle nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch folgende Merkmale,

a) das Ofenrohr (9), der KathodeninnenIelter (13), die Emitter (15), die Reflektorelektroden -(52) und die Quellenaustrittselektrode (66) sind über jeweils eine kreisringförmige Haltescheibe (20, 38, 59, 73) an einen Flansch (21, 25, 60, 61, 71) angeschlossen,

b) jede der Haltescheiben (20, 33, 59, 73) weist einen in Richtung der Achse (4) der Ionenquelle geknickten Querschnitt auf.

7. Hochstrom-Ionenquelle nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch folgende Merkmale,

a) die Enden des Anodenrohres (50) sind zwischen einer ersten und einer zweiten radialen ebenen Haltescheibe (56, 57) eingespannt,

b) jede der Haltescheiben (56, 57) ist an ihrem äußeren Rand mit einem Tragring (58) verschraubt,

c) jeder Tragring (58) ist mit einer der Seiten des Anodenflansches (53) verbunden,

d) die axiale Länge der Tragringe (58) ist so festgelegt, daß der axiale Abstand der Außenseiten. der Tragringe (58) kleiner ist, als die axiale Länge des Anodenrohres (50).

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8. Hochstrom-Ionenquelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufhängung der Ofenkammer (5) im wesentlichen besteht aus mit dieser fest verbundenen, parallel zur Achse (4) der Ionenquelle angeordneten Abstandsbolzen (16) und an das freie Ende jedes Abstandsbolzens (16) angeschlossenen radial angeordneten Bändern (17), die mit dem Ofenflansch (21) verbunden sind.