DE3150156C2 - Hochstrom-Ionenquelle - Google Patents

Abstract

Es wird eine Hochstrom-Ionenquelle vorgeschlagen, mit der ruhige Ionenstrahlen eines vorbestimmten Strahlquerschnittes von nichtflüchtigen Stoffen mit sehr niedriger Emittanz und Divergenz erzeugt werden, deren Strahlenergie im Bereich von 5 bis 100 keV und deren Strahlintensität im Bereich von 1 bis 100 mA einstellbar ist. Dabei werden bis zu 50 zweifach und bis zu 20 mehrfach geladene Ionen erzeugt. Die Hochstrom-Ionenquelle gemäß Fig. 1 besteht aus drei unabhängig voneinander austauschbaren Modulen (1, 2, 3), die mit Flanschen (21, 26, 60, 61, 71) vakuumdicht verbunden sind. Eine Ofen-Kathoden-Kammer (1) erzeugt den Dampf, der in einem Quellen-Hauptkörper (2) ionisiert wird. Eine Extraktionseinheit (3) führt die erzeugten Ionen ab. Mit dem zu ionisierenden Dampf kontaktierende Bauteile (5, 6, 9, 12, 13, 20, 38, 50, 52, 56, 57, 59, 64, 66) der Module (1, 2, 3) sind auf eine oberhalb der Kondensationstemperatur liegende Temperatur aufheizbar ausgebildet. Die zentralen Bauteile (5, 6, 9, 12, 13, 50, 52, 66) der Module (1, 2, 3) sind durch Werkstoffauswahl und konstruktive Ausbildung auf eine durch die Dampfdruckkurve vorbestimmte Temperatur einstellbar und mit Raumtemperatur aufweisenden peripheren Bauteilen (21, 25, 53, 60, 61, 71) über scheibenförmige Stützelemente (20, 38, 59, 73) geringer Wärmeleitfähigkeit verbunden, deren durch thermische Spannungen erzeugte Formänderungen durch vorbestimmte konstruktive Ausbildung ausschließlich axial gerichtet sind. Die Heizleistung .

Description

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

Eine derartige Hochstrom-Ionenquelle ist aus »Nuclear Instruments and Methods«, VoL 189,1981, S. 97—101 als bekannt entnehmbar.

Strahlen einfach geladener Ionen von etwa 10 bis 100 tnA Stromstärke werden beim Betrieb von Massenseparatoren und Ionenimplantationsanlagen verwendet Auch bei Schwerionenbeschleunigern kann die Endintensitat vergrößert werden, wenn eine stromstarke Quelle ein- oder mehrfach geladener Ionen eingesetzt wird. Dabei sind Ionen von nichtflüchtegen Elementen besonders interessant, so daß ihrer Erzeugung eine große Bedeutung zukommt

Eine Erörterung des Standes der Technik der Ionenerzeugung ist in »Nuclear Instruments und Methods«, VoL 189,1981, S. 15—42 veröffentlicht

In der eingangs genannten Druckschrift wird eine modular aufgebaute Ionenquelle für Oase vorgestellt, die mit identischer Entiadungsgeometrie auch für nichtflüchtige Stoffe wie Bi »heiß« betrieben «/erden kann, indem die inneren Teile auf 800° C aufgeheizt ^nd. Dieser Beitrag enthält jedoch keine konstruktiven Details, wie dieser »heiße« Betrieb praktisch erreicht werden könnte.

Die Nachteile bekannter Einrichtungen bestehen u. a. darin, daß die Ionenquellen nur in einem eng begrenzten Bereich der Betriebsparameter ruhig brennen und durch die auftretenden Schwingungen die Raumladungs-Kompensation des Ionenstrahles zerstört und eine höhere Divergenz bewirkt wird, daß die Plasmadichte nicht an eine vorbestimmte freie wählbare Extraktionsgeometrie angepaßt werden kann, daß es nicht möglich ist, durch Vergrößerung der Extraktionsfläche einen höheren Ionenstrom zu erzeugen, daß der Quellenkörper teilweise aus Graphit besteht in welches das Beschickungsmaterial diffundiert daß die Quellen in ein größeres Vakuumgefäß eingebaut werden müssen, und daß ein äußeres homogenes Magnetfeld erforderlich ist

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Hochsfom-Ionenquelle der gattungsgemäßen Art so weiterzubilden, daß sie für eine Vielzahl von nichtflüchtigen Stoffen leicht anpassungsfähig ist eine hohe Betriebszuverlässigkeit aufweist und eine hohe Lebensdauer erreicht

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Maßnahmen gelöst

Die mit dieser Hochstrom-IonenqueUe erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß ruhige Ionenstrahlen vorbestimmten Querschnitts von nichtflüchtigen Materialien mit sehr niedriger Emittanz und Divergenz erzeugt werden können, daß in der Quelle eine Vielzahl von Materialien verwendbar ist daß die Strahlenenergie im Bereich von ca. 5 bis 100 keV und die Strahlintensität im Bereich von ca. 1 bis 100 mA einstellbar ist daß bis zu 50% zweifach und bis zu 20% mehrfach geladene Ionen erzeugt werden können, daß nach dem Aufneizen der Betrieb ohne Hilfsgas möglich ist, daß die Wirkungen ve 1 Entladungs-, Kathoden- und Ofenleistung voneinander entkoppelt sind, daß der Betrieb ohne Vakuumgefäß möglich ist wobei bei den hohen Innentemperaturen die Ionenquelle außen kalt bleibt und daß Wartung und Justierung wesentlich erleichtert sind.

Mit der genannten Hochstrom-Ionenquelle können positive Ionen aller Elemente erzeugt wurden, deren Dampfdruck bei etwa 1500° C mehr als etwa 100 Pa beträgt Elemente mit geringerem Dampfdruck können als flüchtige Verbindungen eingeDracht werden, wobei die Kondensation des gewünschten Elements 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 erfindungsgemäßen Hochstrom-Ionenquelle ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 vereinfachter Schnitt einer Hochstrom-Ionenquelle,

F i g. 2 Anodenflansch,

F i g. 3 Feldkonfiguration im Endladungsraum bei radialer Polung der Permanentmagnete,

F i g. 4 Feldkonfiguration im Entladungsraum bei tangentialer Polung der Permanentmagnete, F i g. 5 elektrische Schaltung der Hochstrom-Ionenquelle.

Ein vereinfachter Axialschnitt der Hochstrom-Ionenquelle ist in Fig. 1 dargestellt Die Einrichtung besteht aus drei Modulen, einer der. zu ionisierenden Dampf erzeugenden Ofen-Katnodenkammer 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 weitgehend entkoppelt sind.

An einen zylindrischen Ofen 5 ist an der dem Quellenhauptkörper 2 zugewandten Seite eine dickwandige Hülse 6 angeschlossen, die durch an ihre Außenseite in Richtung der Achse 4 angeordnete Heizleiter 7 erwärmx wird und durch Wärmestrahlung und Wärmeleitung den Ofen 5 aufheizt. Als Heizleiter 7 werden gewendelte as Drähte oder Bänder aus Tantal oder Wolfram verwendet.

Der Ofen 5 weist eine Bohrung 8 zum Aufnehmen eines durch die Hülse 6 geführten dünnwandigen Ofenrohres 9 und eine der Bohrung 8 in Richtung der Achse 4 gegenüberliegende öffnung 10 zum Einbringen 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 geschaltete gewendelte Tantaldrähte als Kathodenheizdrähie 15 angeordnet sind.

Der Ofen 5 ist über axial angeordnete Abstandsbolzen 16 und an die Enden der Bolzen 16 radial angeschlossene Bänder 17 mit einer Ofentragscheibe 18 verbunden, die über axiale Stehbolzen 19 und eine die Muffe 12 aufnehmende Muffentragscheibe 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 verbunis den. 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 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 des Ofens 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 Wärmeverluste des Ofens 5 werden reduziert durch einen im Gehäusedeckel 22 angeordneten ersten Hitzeschild 35, einen an der Peripherie des Ofens 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 Muffen-, Trag- und Haltescheibe 20 und eine mit dem Emitterflansch 25 verbundene, die Tantaldrähte des Emitters 15 aufnehmende Emitter-Haltescheibe 38 weisen einen in Richtung der Achse 4 abgewinkelten Querschnitt auf, so daß bei hohem Temperaturgefälle nur eine axiale Bewegung möglich ist

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

Der Ofen 5 kann nach Abnahme 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 hineinragendei. 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.

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.

so 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 äußeren Rand mit einem Tragring 58 verschraubt, der andererseits mit einer der Seiten des Anodenflansches 53 verbunden ist Dabei ist die axiale Länge der Tragringe 58 so festgelegt, daß der axiale Abstand der Außenseiten der Tragringe 58 kleiner ist als die axiale Länge des Anodenrohres 50, so daß eine Verformung der Haltescheiben 56,57 bei der hohen Betriebstemperatur ausschließlich in Richtung der Achse 4 der Ionenquelle erfolgt

Die Reflektorelektroden 52 sind in der Bohrung je einer Reflektor-Haltescheibe 59 zentriert, die ebenfalls einen in Achsrichtung abgeknickten Querschnitt aufweisen und jeweils mit einem Endflansch 60,61 verbunden sind.

Der Anodenflansch 53 ist durch Keramikringe 62 gegen die Endflansche 60,61 elektrisch isoliert und durch O-Ringe 63 vakuumdicht verbunden.

Die Endflansche 60,61 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 Reflektor-Haltescheiben 59 und der ersten und zweiten Anoden-Haltescheibe 56,57 ist es möglich, die Temperaturen des Anodenrohres 50. der Reflektorelektroden 52 und einer zur Extraktionseinheit 3 gehörenden Quellenaustrittselektrode 66 bei unterschiedlichen lonensorten der jeweiligen thermischen Leistung der Kathodenheizdrähte 15 und der Entladung anzupassen.

An die durch Schrauben 67 verbundenen Endflansche 60, 61 und den Anodenflansch 53 montierte, einander überlappende Bedanipfungsschutzringe 68,69, verhindern das Kondensieren von Dampf auf den Keramikringen 62 und damit elektrische Kurzschlüsse.

An den inneren Bedampfungsschutzringen 68 zwischen den Reflektor-Haltescheiben 59 und den Anoden-Haltescheiben 56,57 sind Strahlungsabsorber 70 angeordnet, die bei übermäßiger Temperatur des Anodenrohres 50 von den mit diesem verbundenen Anoden-Haltescheiben 56,57 Wärmestrahlung aufnehmen und zu den gekühlten Endflanschen 60,61 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.

Die Flansche 21,24,25,26 der Ofen-Kathodenkammer 1 und die Flansche 53,60,61 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 O-Ring 72 vakuumdicht angeschlossen. Die Quellenaustrittselektrode 66 ist in der zentralen Bohrung einer kreisringförmigen Haltescheibe 73 angeordnet, die einen geknickten Querschnitt 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 Einzel- oder Mehrfachanordnung mit vorbestimmten Querschnitten bestehen.

Die Quellenaustrittselektrode 66 muß mit hoher Genauigkeit auf eine Bremseiektrode 77 und eine Erdeiektrode 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. Eine möglicherweise gewünschte Änderung der axialen Position der Quellenaustrittselektrode 66 kann durch entsprechende Änderung der Haltescheibe 73 und des Stellrings 74 erreicht werden. Nötigenfalls kann auch die Reflektorelektrode 52 direkt mit der Haltescheibe 73 verbunden werden, so daß die Reflektor-Haltescheibe 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

Nach Abnehmen des mit der Metalldichtung 39 vakuumdicht an den Oberflansch 21 angeschlossenen Gehäusedeckels 22, des ersten Hitzeschildes 35 und des Deckels 11 kann die Ofenkammer 5 durch die öffnung 10 beschickt werden.

Zur Inbetriebnahme mit Dampf wird mittels der Kathodenheizdrähte 15 der Kathodeninnenleiter 13 auf Betriebstemperatur gebracht und eine Entladung in einem Hilfsgas gezündet. Sobald das Anodenrohr 50, der Kathodeninnenleiter 13, die Reflektorelektroden 52 und die Quellenaustrittselektrode 66 ausreichend heiß sind, kann der Ofen 5 geheizt werden. Bei zum Verdampfen des Beschichtungsmaterials ausreichender Ofentemperatur tritt Dampf durch das Ofenrohr 9 und den Kathodcninnenleiter 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.

Das Abschalten der Ionenquelle erfolgt in der umgekehrten Reihenfolge. Auf diese Weise wird jede Kondensation und Flitterbildung an den Keramikringen 27,62 ausgeschlossen, die einen Neustart stören könnten.

F i g. 2 zeigt in vereinfachter Darstellung die der Extraktionseinheit 3 zugeordnete Seite des Anodenflansches 53. Die Permanentmagnete 55 werden durch eine ringförmige Magnetaufnahme 85 mit Stegen 86 (siehe F i g. 1) an der Wand der zentralen Ringkammer 54 anliegend und an deren Umfang gleichmäßig verteilt so gehalten, daß in Richtung des Umfangs ein mäanderförmiger Magnetkühlkanal 87 zwischen den Permanentmagneten 55, der Magnetaufnahme 85 und der Ringkammer 54 gebildet wird. Der Magnetkühlkanal 87 umschließt jeden der Permanentmagnete 55 auf der dem heißen Anodenrohr 50 zugewandten Seite und den sich anschließenden radialen Seiten.

Das Kühlmittel wird über eine Kühlmittelzuleitung 38 durch eine Bohrung im Anodenflansch 53 in den Magnetkühlkanal 87 geleitet, durch einen im Anodenflansch 53 angeordneten Oberströmkanal 89 von dem Magnetkühlkanal 87 zu dem ringförmigen Anodenflanschkühlkanal 63 transportiert und von dort mit einer Kühlmittelableitung 91 abgeführt

Das in bestimmten Fallen benötigte Hilfsgas wird über vier gleichmäßig am Umfang des Anodenflansches 53 angeschlossene Hilfsgasleitungen 92 durch jeweils eine radiale Bohrung und eine axiale Bohrung in den entladungsraum 51 geleitet und aus diesem durch die Extraktionsöffnung 76 abgeführt

Die Kontrolle der Temperatur des Anodenrohres 50 erfolgt mit Mantelthermoelementen 93 (siehe F i g. 1), die durch jeweils eine von mehreren Thermoelementbohrungen 94, die radial und axial den Anodenflansch 53 durchdringen und in im Bereich jeder der beiden Reflektorelektroden 52 an der Außenseite des Anodenrohres 50 angebrachte Bohrungen gesteckt sind. Die Thermoelemente sind mit einem Kunstharz in dem Anodenflansch 53 vergossen.

F i g. 3 zeigt die Feldkonfiguration im Entladungsraum 51 bei radialer Magnetisierung der Permanentmagnete 55, F i g. 4 bei tangentialer Magnetisierung. Der Feldlinienverlauf auf der Außenseite der in der Magnetaufnahme 85 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 umschriebenen Mantel, jeweils in der Mittelebene zwischen zwei Magneten. Im Bereich höchster Feldliniendiehte fällt praktisch der überwiegende Teil der Entladungsleistung ab. Andererseits wird der beste Plasmaeinschluß und damit die beste Effizienz der Ionenquefe erreicht, wenn die Wand 96 des Entladungsraumes 51 genau durch diese Linien verläuft. Eine ίο 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 Wand 97.

Die elektrische Schaltung der Hochstrom-Ionenquelle ist in F i g. 5 dargestellt. In den Ofen 5 wird mit dem an der Ofenspannung Uo liegenden Heizleiter 7 eine Ofenheizleistung Po eingebracht und eine Ofentemperatur T₀ sowie ein Dampfdruck po eingestellt.

An dem Kathodeninnenleiter 13 liegt über die Kathodenheizdrähte 15 die Kathodenspannung Uk- Zwischen der Reflektorelektrode 52 und dem Kathodeninnenleiter 13 liegt die Reflektor-Kathodenspannung Urk ur:d zwischen Anodenrohr 50 und Kathodeninnenleiter 13 die Entladungsspannung Uak, die den Entladungsstrom /t bewirkt. ■

Der Ionenstrom tritt durch die Extraktionsöffnung 76 der Quellenaustrittselektrode 66, die auf hohem positi- ■ vem 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 Usm die Potentialdifferenz zwischen der Erdelektrode 78 und der Bremselektrode 77 ist mit Ub bezeichnet.

Der austretende Ionenstrahl enthält auch einen Anteil h zweifach geladener Ionen und einen Anteil h dreifach geladener Ionen. In einem vorbestimmten Abstand von der Erdelektrode 78 ist mit einem Faradaybecher ein Gesamtionenstrom Ifc meßbar.

Der einen Pulser darstellende Schalter P ist bei Gleichstrombetrieb ständig geschlossen. Die Strahlspannung Usir definiert die Strahlenenergie. Das Potential der Reflektorelektroden 52 ist durch drei verschiedene Schaltungsarten einstellbar.

Rar = 1 kOhmund Rrk = oo und Schalter Soffen, oder Rar - lOOkOhmundÄRAc = lOOhm und Schalter Soffen, oder Rar = Rrk =» °° und Schalter Sgeschlossen.

Nur in dem letzten Fall muß die Fremdspannung Urk angelegt werden. Es ist auch möglich, die Schrauben 67 zum Verbinden der Endflanscne 80,6! des Queücnhauptkörpers 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 F i g. 1 und 5 ausgeführten Hochstrom-Ionenquelle wurde die Entladung bei 50 Hz mit 10% Tastverhältnis gepulst.

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 Ifc\ 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 Z5 kW Kathodenheizleistung und etwa 3 kW Ofenheizleistung betrieben werden.

/f/A U_AKrv /VkW P₀TC PoIVi UstrKV f₂l«h /j/%

Ca	200	50	1,66	1,40	840	200	21	20	- 6
Bi	140	75	U3	232	990	160	31	28	6,5 8

^ezugszc'Chenliste:	1	Ofen- Kathodenkammer
Fig.l	2	Quellenhauptkörper
3	Extraktionseinheit
4	Achse von 1,2,3
5	Ofen
6	Hülse an 5
7	Heizleiter
8	Bohrung in 5 für 9
9	Ofenrohr
10	öffnung in 5
Il	Deckel auf 10
12	Muffe
13	Kathodeninnenleiter
14	Gasaustrittsöffnung in 13
15	Kathodenheizdrähte
16	Abstandsbolzen
17	Bänder
1«	Ofen-Tra^scheibe
19	Stehbolzen
20	Muffen-Tragscheibe
21	Ofenflansch
22	Gehäusedeckel an 21
23	1. Kühlkanal in 21
24	Heizleiterflansch
25	Emitterflansch
26	Anschlußflansch
27	Keramikring
28	O-Ring
29	Schraubenbolzen zwischen 21,
30	2. Kühlkanal in 24
31	3. Kühlkanal in 25
32	Bedampfungsschutzring
33	Bedampfungsschutzring
34	Bedampfungsschutzring
35	!.Hitzeschild
36	2. Hitzeschild
37	3. Hitzeschild
38	Emitter-Haltescheibe
39	Metalldichtung an 21,22
50	Anodenrohr
51	Entladungsraum
52	Reflektorelektrode
53	Anodenflansch
54	Ringkammer (Rohr)
55	Permanentmagnete in 54
56	1. Anoden-Haltescheibe
57	2. Anoden-Haltescheibe
58	Tragring
59	Reflektor-Haltescheibe

60 Endflansch von 2

61 Endflansch von 2

62 Keramikring

63 O-Ring

64 Kühlkanal in 60,61

65 Anodenflanschkühlkanal in 53

66 Quellenaustrittselektrode

67 Schrauben an 60,61

68 Bedampfungsschulzringe an 60,61

69 Bedampfungsschutzringe an 53

70 Strahlungsabsorber zwischen 59,56

71 Extraktorflansch

72 O-Ring

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)

87 Magnetkühlkanal zwischen 55 und 85

88 Kühlmittelzuleitung

89 Überströmkanal zwischen 87 u. 90

91 Kühlmittelableitung

92 Hilfsgasleitung

93 Mantelthermoelement (s. F i g. 1)

94 Thermoelementbohrung in 53

Fig.4

95 Innenflansch von 55

96 heißlaufende Wand von 51

97 Wand von 87

Fig.5

Uo Ofenspannung

Po Ofenheizleistung

To Ofentemperatur

po Dampfdruck in 5 45

Uk Kathodenspannung

Urk Reflektor-Kathodenspannung UAK Entladungsspannung

Ie Entladungsstrom

/2 Anteil 2fach geladener Ionen 50

/3 Anteil 3fach geladener Ionen 1fc\ Gesamtionenstrom im ersten Faradaybecher Ustr Strahlspannung

Pk Kathodenleistung

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Hochstrom-Ionenquelle zum Erzeugen von Ionenstrahlen hoher Strahlbrillanz aus Gasen und aus Dämpfen von nichtflüchtigen Stoffen, bestehend aus

— einer den zu ionisierenden Dampf erzeugenden Ofen-Kathoden-Kamraer, einen den Dampf in einem Entladungsraum ionisierenden Quellenhauptkörper und einer die Ionen abführende Extraktionseinheit, die jeweils als Modul ausgebildet sind, wobei

— der Quellenhauptkörper ein Anodenrohr aufweist, an dessen Stirnseiten in den Entladungsraum r.jngförmige Reflektorelektroden hineinragen und an dessen Umfang in bezug auf die Achse der Ionenquelle radial und/oder tangential gepolte Permanentmagnete zum Erzeugen eines linearen Multipolfeldes im Entladungsraum angeordnet sind, wobei

— die Extraktionseinheit eine den Entladungsraum auf der der Extraktionseinheit zugewandten Seite abschließende Quellenaustrittselektrode aufweist, und wobei

t5 — die den Dampf kontaktierenden inneren Bereich" der Module auf eine Temperatur aufheizbar ausgebildet sind, die oberhalb der Kondensationstemperatur des Dampfes liegt,

dadurch gekennzeichnet,

— daß die Temperatur der aufheizbarec inneren Bereiche der Module (1, 2, 3) in Abhängigkeit der verwendeten Stoffe einstellbar ist, während die äußeren Bereiche kalt bleiben,

— daß die heißen inneren Bereiche der Module (1,2,3) mit den kalten äußeren Bereichen über scheibenförmige Stützelemente (20,38,59,73) geringer Wärmeleitfähigkeit verbunden sind, deren durch thermische Spannungen erzeugte Formänderungen durch vorbestnnmte konstruktive Ausbildung ausschließlich axial gerichtet sind,

— daß die Temperaturen der einzelnen heißen Bereiche in den Modulen (1,2,3) durch Aufhängung an Tragelementen (16,17,19,56,57) von vorbestimmter Wärmeleitung voneinander entkoppelt sind und

— daß die Permanentmagnete (55) auf einem zum Anodenrohr (50) koaxialen gekühlten Rohr (54) angeordnet sind.

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

a) der Ofen (5) ist durch eine den Dampf transportierende heiße Leitung, bestehend aus einem Ofenrohr (9) und einem roferförmit^n Kathodeninnenleiter (13), mit dem Entladungsraum (51) des Quellenhauptkörpers (2) verbund^a

b) das Ofenrohr (9) ist ko. xial in einer an den Ofen (5) angeschlossenen Hülse (6) angeordnet, die von in Richtung der Achse (4) der Ionenquelle liegenden Heizleitern (7) umschlossen ist, durch Wärmestrahlung und Wärmeleitung aufgeheizt wird und den Ofen (5) aufheizt,

c) koaxial zu dem Kathodeninnenleiter (13) sind die Kathodenheizdrähte (15) angeordnet,

d) der Ofen (5) weist an seiner freien Stirnseite einen ersten Hitzeschild (35) und einer* den zylindrischen Teil des Ofens (5) umschließenden rohrförmigen zweiten Hitzeschild (36) auf,

e) die Hülse (6) mit den Heizleitern (7) ist von einem rohrförmigen dritten Hitzeschild (37) umschlossen,

f) eine das Ofenrohr (9) mit dem Kathodeninnenleiter (13) verbindende Muffe (12) ist in ihrer Temperatur einstellbar durch eine die Muffe (12) zentrierende Muffentragscheibe (20) und mehrere die Muffentragscheibe (20) haltende Stehbolzen (19), bestehend aus einem Werkstoff vorbestimmter elektrischer und thermischer Leitfähigkeit,

g) der Ofen (5) ist mit einem Ofenflansch (21) über eine thermische Längenänderung ausgleichende elastische Aufhängung verbunden.

3. Hochstrom-Ionenquelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufhängung des Ofens (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.

4. Hochstrom-Ionenquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

a) das Ofenrohr (9), der Kathodeninnenleiter (13), die Kathodenheizdrähte (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, 38, 59, 73) weist einen in Richtung der Achse (4) der Ionenquelle konisch geknickten Querschnitt auf.

5. Hochstrom-Ionenquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 4, 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).

6. Hochstrom-IonenqueUe nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Anodenrohr (50) den Kathodeninnenleiter (13) umschließt.

7. Hochstrom-Ionenquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Quellenaustrittselektrode (66) in der zentralen Bohrung einer kreisförmigen, über einen Stellring (74) mit einem Extraktorfiansch (71) verbundenen und durch Justierschrauben (75) in ihrer radialen Lage sowie durch Schrauben (79) in ihrer axialen Lage einstellbaren Haltescheibe (73) angeordnet ist