DE3322839A1 - Ionenquelle - Google Patents

Description

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spricht, und einem Tiegel 4. Den in den Fig.1A und 1B gezeigten Ionenquellen sind Ionenextraktionselektroden zugeordnet, welche in den Figuren nicht dargestellt sind. Die Emitterspitze 3 und der Emitter 3' bestehen aus Wolfram, das in einem porösen Aufbau eine große Austrittsarbeit aufweist, so daß das Ionenquellenmaterial durch die poröse- Masse zur Oberfläche der Wolframspitze 3 oder des Emitters 3¹ dringen kann.

Die Betriebsweise der Ionenquellen wird weiter unten erläulOtert. Zunächst wird der Widerstandsheizdraht 1 elektrisch aufgeheizt, um das Ionenquellenmaterial 2 zu erhitzen und zu schmelzen, so daß dieses zur Emitterspitze 3 (oder zum Emitter 3¹) gefördert werden kann. Anschließend wird an die Emitterspitze 3 (oder den Emitter 3¹) eine hohe Spannung angelegt, um durch Oberflächenionisation einen Ionenstrahl zu extrahieren. Bei dem in Fig.1A gezeigten Ionenquellenaufbau ist die Emitterspitze 3 direkt mit dem Widerstandsheizdraht 1 verbunden, wobei die Emitterspitze 3 aufgrund der Wärmeleitfähigkeit erhitzt werden kann. Im Betriebszustand ^O wird das Ionenquellenmaterial 2 kontinuierlich zum spitzen Ende der Emitterspitze gefördert, welcher die hohe Spannung zugeführt wird. Vom spitzen Ende . der Emitter spitze 3 werden Ionen ausgesandt, welche durch die Oberflächenionsiation erzeugt worden sind. Im Falle der in Fig.1B gezeigten Ionenquelle wird ein indirekter Erhitzungsaufbau gewählt, in welchem der das Ionenquellenmaterial 2 enthaltende Tiegel 4 durch den Widerstandheizdraht 1 erhitzt wird. Durch den Oberflächenionisationsmechanismus werden vom Emitter 3'

Ionen ausgesandt.
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Die oben erwähnten bekannten Ionenquellen weisen jedoch Unzulänglichkeiten auf, welche weiter unten erörtert werden. Das erste anzumerkende Problem besteht in dem geringen Heizwirkungsgrad der Ionenquelle. In beiden in den Fig.1A und 1B gezeigten Aufbauten erfolgt das Erhitzen der Emitterspitze 3 und des Emitters 3" indirekt unter Einsatz der Wärmeleitung. Bei der in Fig.iA gezeigten Ionenquelle ist die Temperatur des spitzen Endes der Emitterspitze 3 geringfügig

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kleiner als der Schmelzpunkt des Ionenquellenmaterials 2. Um zu gewährleisten, daß das Ionenquellenmaterial dem spitzen Ende der Emitterspitze 3 konstant zugeführt wird, muß der Verbindungsabschnitt zwischen dem Heizdraht 1 und der Emitterspitze 3, welcher als Reservoir des Ionenquellenmaterials dient, auf einer Temperatur gehalten werden, die höher als der Schmelzpunkt ist. In diesem Zustand ist jedoch die Verdampfung des Ionenquellenmaterials 2 im Reservoir äußerst groß im Vergleich zum Verdampfen an dem spitzen Ende der Emitterspitze 3, was eine erhebliche Vergeudung oder einen erheblichen Verbrauch von Ionenquellenmaterial 2 bedeutet, das zusätzlich zur offenen Umgebung gefördert wird. Verdampfung des Ionenquellenmaterials 2 in großem Umfang bringt eine Umweltverschmutzung mit sich. Tn einem extremen Fall kann sich das verdampfte Material auf einer Hochspannungsisolierung ablagern, wodurch eine elektrische Betriebsstörung verursacht werden kann und ein Problem im Hinblick aurxdie Lebensdauer der Ionenquelle entstehen kann. Die Zuverlässigkeit der Ionenquelle wird daher verschlechtert. Da der i^n Fig.1B gezeigte Ionenquellenaufbau eine indirekte Heizart im engeren Sinne aufweist, ist der Erhitzungstemperatur des·. Ionenquellenmaterials 2 eine

Begrenzung auferlegt, wodurch die Verwendung eines Elemen- \ tes mit einem hohen Schmelzpunkt als IonenquellenmateriaT 2 erschwert wird.

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Als zweites Problem kann die Reaktion des Ionenquellenmaterials mit dem Heizdrahtmaterial erwähnt werden, da elektrisch leitfähige Materialien im allgemeinen eine erhöhte Neigung für gegenseitige Reaktionen zeigen und mit gewisser Wahrscheinlichkeit bei relativ niedrigen Temperaturen schmelzen. Darüber hinaus reagieren sie mit dem die Emitterspitze 3 bildenden Material. Daher wird nicht nur das spitze Ende der Emitterspitze 3 abgestumpft, sondern die Vergeudung oder Auflösung des Spitzenmaterials wird erheblich. Unter

diesen Umständen ist die Art der Ionen begrenzt, welche als . Ionenstrahl extrahiert werden.können.

Ein weiteres ernsthaftes Problem der bekannten Ionenquellen, welche mit dem Wärmeübertragungsprinzip arbeiten, besteht darin, daß die Auswahl des Emitterspitzenmaterials aus dem Bereich elektrisch leitfähiger Materialien unabdingbar erforderlich ist trotz der Tatsache, daß die elektrisch leitfähigen Materialien das Problem der oben erwähnten Reaktion mit sich bringen. Darüber hinaus bildet das Widerstandserhitzen ein Hindernis dafür, die Temperatur der Emitterspitze 3 zu erhöhen.
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Die vorliegende Erfindung ist darauf gerichtet, eine Ionenquelle zu schaffen, welche die oben beschriebenen Schwierigkeiten der bekannten Ionenquellen vermeidet und welche die Vergeudung von Ionenquellenmaterial und die Umweltverschmut- !5 zung verringert, wobei die Anzahl oder Arten von Ionen, die erzeugt werden können , erhöht und eine erhöhte Lebensdauer der Ionenquelle gewährleistet und deren Zuverlässigkeit erhöht wird.

Dies wird gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung erreicht durch eine Ionenquelle mit einer runden stabförmigen Emitterspitze mit einem spitzen Ende; einem Ionenquellenmaterialhalter zum Halten der Emitterspitze koaxial innerhalb eines Tiegels, der aus einem Material mit hohem Schmelzes punkt hergestellt ist und in der Bodenwand eine öffnung aufweist, durch welche sich das spitze Ende der Emitterspitze nach außen erstreckt, wobei das Ionenquellenmaterial um den äus-SBren Umfang des spitzen Endes der Emitterspitze eingefüllt ist; mit einem Glühfaden zum Aussenden eines Elektronen-

Strahls zum Bombardieren der Emitterspitze mit Elektronen von unten; mit einer Stromquelle zum Erhitzen des Glühfadens; mit einer Elektrode zum Extrahieren eines Ionenstrahls, die zwischen der Emitterspitze und dem Glühfaden angeordnet ist und auf einem im wesentlichen gleichen Potential wie der Glühfaden gehalten wird; und mit einer Beschleunigungsspanningsquelle zum Anlegen einer hohen Spannung zwischen die Ionenstrahlextraktionselektrode und die Emitterspitze zum Beschleunigen der Elektronen des Ionenstrahls.

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Mit dem Ionenquellenaufbau gemäß der vorliegenden Erfindung können vorteilhafte Effekte und Wirkungen, wie unten erwähnt, erzielt werden:

(1) Aufgrund der Anordnung, daß das spitze Ende der Emitterspitze direkt durch das Elektronenbombardement erhitzt wird, kann ein verbesserter Erhitzungswirkungs^rad erzielt werden im Vergleich zur bekannten Widerstandserhitzung. Aufgrund der Erhitzung durch Elektronenbombardements kann leicht eine Temperatur von 3.OOO°C oder mehr erreicht werden.

(2) Der Aufbau, bei welchem das Ionenquellenmaterial innerhaliudes Tiegels in einem unteren Teil gehalten wird, erlaubt eine erhebliche Reduzierung der Vergeudung und des Verlustes des Ionenquellenmaterials aufgrund der*"¥erdamp£ung im Vergleich mit den bekannten lonenquellen. Darüber hinaus ist ein Schutz gegen die Umweltverschmutzung aufgrund Atomdampfes gegeben.

2Q (3) Da Isolationsmaterial geringer Wärmeleitfähigkeit als Material für die Emitterspitze benutzt werden kann, kann der Erhitzungswirkungsgrad erhöht werden, während die Reaktion mit dem Ionenquellenmaterial vermieden werden kann»

(4) Aufgrund der beiden überlagerten Ionisationsmechanismen der Oberflächenionisation und des Elektronenbombardements, wird ein Ionenstrahl erhöhter Intensität erzeugt.

Weitere Vorteile, Merkmale und Änwendungsmöglichkeiten der

vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung. Darin zeigen:

Fig.TA und 1B jeweils Ansichten von Aufbauten der Haupt-

teile bekannter lonenquellen der Oberflächenionisationsart ,

Fig.2 eine Ansicht eines grundsätzlichen Aufbaus

einer Ionenquelle der Oberflächenionisationsart

gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, und

Fig.3 eine Ansicht eines Aufbaus der Ionenquelle der

Oberflächenionisationsart gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

In Fig.2 ist ein grundsätzlicher Aufbau einer Ionenquelle 10

der Oberflächenionisationsart gemäß einer beispielhaften Ausführungsform gezeigt.

In Fig.2 ist ein Ionenmaterial 12, eine Emitterspitze 13

und ein Tiegel 14 gezeigt. Der Tiegel14 besteht aus einem 15

Material, das einen hohen Schmelzpunkt aufweist und weniger reaktionsfreudig ist. Die Emitterspitze 13 ist in Form eines runden Stabes verwirklicht, dessen unteres Ende angespitzt ist und der innerhalb des Tiegels 14 koaxial gehalten ist.

In der Bodenwand des Tiegels 14 ist eine öffnung 24 aus-20

gebildet. Das spitze Ende der stabartigen Emitterspitze 13 erstreckt sich durch diese öffnung nach außen. Das Ionenquellenmaterial wird in den Tiegel in einen unteren Abschnitt gefüllt, so daß der äußere Umfang des spitzen Endes der Emit-

„_ terspitze 13 vom eingefüllten Ionenquellenmaterial 12 umgeben ist. In der Emitterspitze 13 ist eine Verengung oder ein Hals 25 mit verringertem Durchmesser ausgebildet, um den Wärmewiderstand zu erhöhen. Für die axiale Ausrichtung d?r Emitterspitze 13 ist eine Ringplatte 17 vorgesehen. Ob-

QQ wohl im dargestellten Ausführungsbeispiel nur eine Ringplatte 17 verwendet wird, kann eine Anzahl derartiger Ringplatten verwendet werden. Die Bauteile 13, 14 und 17 wirken zusammen, um einen Halteraufbau 26 für das Ionenquellenmaterial· zu bilden.

In Fig.2 ist ein Glühfaden 16 zum Aussenden von Elektronen für den Beschüß bzw. das Bombardement der Emitterspitze 13 mit Elektronen von unten, eine Stromquelle 19 zum Erhitzen des Glühfadens 16, eine Ionenstrahlextraktionselektrode 15,

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welche zwischen der Emitterspitze 13 und dem Glühfaden 16 angeordnet und elektrisch mit dem letzteren verbunden ist, und eine Beschleunigusngsspannungsquelle 18 gezeigt zum Anlegen einer hohen Spannung zwischen die Ionenstrahlextraktionselektrode 15 und die Emitterspitze 13, um den Elektronenstrahl, welcher vom Glühfaden 16 zur Emitterspitze 13 gerichtet ist, und einen Ionenstrahl, der aus der Emitterspitze 13 extrahiert oder herausgenommen wird, zu beschleunigen.
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Im Betrieb wird zunächst der Glühfaden 16 elektrisch durch die Stromquelle 19 erhitzt. Anschließend wird eine hohe Spannung zwischen die Emitterspitze 13 und die Ionenstrahlextraktionselektrode 15 durch die Beschleunigungsspannungs-

¹^ quelle 18 angelegt. In diesem Falle kann die Feineinstellung der Feldstärke des angelegten elektrischen Feldes durch eine entsprechende Feineinstellung der vertikalen Position der Emitterspitze 13 erfolgen. Das spitze Ende der Emitterspitze 13 wird mit Elektronen 20, die vom Glühfaden 16 ausgesandt

*" werden, bombardiert, wodurch das spitze Ende der Emitterspitze 13 erhitzt wird. Wenn das spitze Ende der Emitterspitze 13 aufgeheizt worden ist, wird das Ionenquellenmaterial 12 durch Wärmeleitung zum Schmelzen gebracht, wodurch das Ionenquellenmaterial 12 kontinuierlich zum spitzen Ende der Emitterspitze 13 gefördert wird. Da das spitze Ende der Emitterspitze 13, wie oben erwähnt, erhitzt wird, unterliegt ^:das Ionenquellenmaterial 12 einer Ionisierung, um hierdurch die Extraktion des Ionenstrahls 21 zu ermöglichen.

Das Material für die Emitterspitze 13 wird unter Berücksichtigung der Austrittsarbeit, des Schmelzpunktes, der Reaktionsfähigkeit und dergleichen des Ionenquellenmaterials ausgewählt. Unter Berücksichtigung der Tatsache, daß Metalle im allgemeinen untereinander sehr reaktionsfreudig sind

und daß das Reaktionsprodukt oder die Verbindung einen niedrigeren Schmelzpunkt als das Metall zeigt, wird Metall als nicht geeignetes Material für die Emitterspitze 13 angesehen.

Im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels besteht die Emitterspitze 13 aus einem Isolationsmaterial wie z.B. einem Oxid, welches weniger reaktionsfreudig ist, z.B.aus Quarz , Aluminiumoxid (Al₃O ), Saphir oder dergleichen und die Oberfläche der Emitterspitze 13 wird vorher mit einem Material großer Austrittsarbeit beschichtet wie z.B. Wolfram/ Tantal oder dergleichen, so daß das gesondert zugeführte Ionenquellenmaterial 12 in stabiler Weise eine Oberflächenionisierung erfährt, während eine Reaktion des Emitterspitzenmaterials mit dem Ionenquellenmaterial vermieden wird.

Die oben erwähnte, auf die Oberfläche der Emitterspitze 13 aufgebrachte Beschichtung sorgt außerdem für eine Erhöhung der Oberflächenionisation. Die Beschichtung ist bei einer Dicke von der Größenordnung von 1.000 Ä oder weniger zu-

¹^ friedenstellend. Die Emitterspitze 13 aus beschichtetem Isolationsmaterial gewährleistet nicht nur einen erheblich verbesserten Erhitzungswirkungsgrad im Vergleich mit der aus Metall bestehenden Emitterspitze, sondern auch eine Reduzierung des Energieverbrauchs.

Der Tiegel 14 kann aus einem metallischen Material oder einem Isolationsmaterial in Abhängigkeit der in Betracht gezogenen Anwendungen bestehen.Wenn ein Material mit einem hohen Schmelzpunkt als Ionenquellenmaterial 12 verwendet

werden soll, sollte der Tiegl 14 vorzugsweise aus einem Isolationsmaterial wie z.B. Quarz bestehen im Hinblick auf eine Erniedrigung des Wärmeverlustes aufgrund von Wärmeleitung. Die zur axialen Ausrichtung der Emitterspitze 13 vorgesehene Ringplatte 12 dient auch dazu, ein Heraus-

schleudern verdampfter Atome zu verhindern, und verringert den Verlust an Ionenquellenmaterial 12 durch Verdampfung und verhindert Umweltverschmutzung.

In Fig.3 ist eine andere Ausfuhrungsform gezeigt, welche 35

von der in Fig.2 gezeigten Ausführungsform dadurch abweicht, daß zusätzlich unter dem Glühfaden 16 eine Ionenstrahl-Beschleunigungselektrode 23 vorgesehen ist und daß eine Spannungsquelle 22 zum Beschleunigen der Ionen hinzugefügt

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worden ist zum Aufbringen einer Ionenbeschleunigungsspannung zwischen der Ionenbeschleunigungselektrode 23 und der Ionenstrahlextraktionselektrode 15, so daß die Energie des lonenstrahls 21 durch Steuerung der Beschleunigungsspannung verändert werden kann. Ausgenommen dieser Unterschied ist der Aufbau sowie der Betrieb der in Fig. 3 gezeigten Ionenquelle dem Aufbau und Betrieb der in Fig.2 gezeigten Ionenquelle ähnlich.

Um die Menge des Ionenquellenmaterials, die nach unten durch die Öffnung 24 strömt, zu regeln, kann die Emitterspitze 13 durch den nachfolgenden Aufbau gehalten werden.

Das obere Ende der Emitterspitze ist mit einer nicht gezeigten Platte verbunden. Es sind zwei Haltegewindebolzen vorgesehen und jeder weist zwei Muttern auf, die auf den Bolzen aufgeschraubt sind. Die Platte wird an zwei Teilen fest zwischen jedem Mutterpaar gehalten. Diese Muttern können nach oben und unten verschraubt werden, um die Emitterspitze vertikal zu bewegen.

Claims (5)

1. BARDEHLE, PAGENBERG, DOST, ALTENBURG & PARTNER

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   GÜNTER FRHR. v. GRAVENREUTH am ing iimi· UDO W. ALTENBURG mm -.·,«..

   POSTFACH 86 06 20, 8000 MÜNCHEN

   TELEFON (089)980361

   TELEX 522 791 pad d

   CABLE: PADBÜRO MÜNCHEN

   BÜRO: GALILEIPLATZ 1, 8 MÜNCHEN

   datum 24/ Juni 1983 A 4714 Al

   Patentansprüche

   Ionenquelle, in welcher ein Ionenquellenmaterial (12) zur Veranlassung einer Oberflächenionisation erhitzt wird, um einen Ionenstrahl (21) durch ein elektrisches Feld hoher Feldstärke zu extrahieren, gekennzeichnet durch eine Emitterspitze (13) in Form eines runden Stabes mit einem spitzen Ende, einen Halter (26) des lonenquellenmaterials zum Halten der Emitterspitze (13) koaxial innerhalb eines Tiegels (14), der aus einem Material mit hohem Schmelzpunkt besteht und in derBodenwand eine öffnung ^ (24) aufweist, durch welche sich das spitze Ende der Emitterspitze (13) nach außen erstreckt, wobei das Ionenquellenmaterial (12) in den Tiegel (14) so eingefüllt wird, daß der äußere Umfang des spitzen Endes der Emitterspitze (13) umschlossen ist, einen Glühfaden (16) zum Aussenden von Elektronen, mit welchen die Emitterspitze (13) von unten bombardiert wird, eine Stromquelle (19) zum Erhitzen des Glühfadens, eine Elektrode (15) zum Extrahieren eines Ionenstrahls, die zwischen der Emitterspitze (13) und dem Glühfaden (16) angeordnet und auf einem Potential eines im wesentlichen gleichen Niveaus wie der Glühfaden gehalten wird, und eine BeschleunigungsSpannungsquelle (18) zum Anlegen einer hohen Spannung zwischen die Elektrode (15) zum Extrahieren eines Ionenstrahls und die Emitterspitze (13), um die Elektronen und

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   den Ionenstrahl zu beschleunigen.
2. 2. Ionenquelle gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der Emitterspitze (13) in der Nähe des spitzen Endes der Emitterspitze ein Hals (2 5) mit verringertem Querschnitt geformt ist.
3. 3. Ionenquelle gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Emitterspitze (13) aus einem Isolationsmaterial besteht und daß auf die Oberfläche der Emitterspitze ein dünner Film eines Materials mit hoher Austrittsarbeit aufgebracht ist.
4. 4. Ionenquelle gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Emitterspitze (13) vertikal relativ zum Boden des Tiegels (14), in welchem die Emitterspitze koaxial gehalten ist, bewegbar ist.
5. 5. Ionenquelle gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch eine Elektrode (23) zum Beschleunigen des Ionenstrahls, welche unter dem Glühfaden (16) angeordnet ist, um den lonenstahl einem elektrischen Feld zu unterwerfen.