DE3783432T2

DE3783432T2 - End-hall-ionenquelle.

Info

Publication number: DE3783432T2
Application number: DE8787630203T
Authority: DE
Inventors: Harold Richard Kaufman; Raymond S Robinson
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1986-10-20
Filing date: 1987-10-15
Publication date: 1993-05-06
Anticipated expiration: 2007-10-16
Also published as: US4862032A; EP0265365B1; EP0265365A1; JPS63108646A; DE3783432D1; JPH0578133B2

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Ionenquelle, wie sie in den Oberbegriffen der Patentansprüche 1 und 3 beschrieben ist. Insbesondere bezieht sie sich auf Ionenquellen, die in der Lage sind, Hochstromionenstrahlen geringer Energie zu erzeugen.
Frühere Arbeiten haben zu der Entwicklung von elektrisch gespeisten Ionenstrahlquellen zur Verwendung in Verbindung mit Fahrzeugen, die sich im äußeren Weltraum bewegen, geführt. Ein Plasma wurde erzeugt und ergab Ionen, die entnommen und beschleunigt wurden, um eine Schubkraft zu erzeugen. Diese Technologie führte später zu Konstruktionen für die Verwendung von Ionenquellen in einem breiten Bereich von industriellen Verwendungszwecken, wie es im AIAA Journal, Band 20, Nr. 6, Juni 1982, beginnend auf Seite 745, beschrieben ist. Es wurden, wie dort im einzelnen erläutert, Ionen durch ein Schirmgitter ausgewählt und durch ein Beschleunigungsgitter abgezogen. Die bekannten Gitterionenquellen waren zwar nützliche Verbesserungen in solchen Fällen, sie führten jedoch zu Komplexität der Konstruktion und Ausrichtung zusammen mit der Notwendigkeit, bei der Handhabung Sorgfalt walten zu lassen, uin diese Ausrichtung nicht nachteilig zu beeinflussen. Trotzdem haben sie sich an sich als wertvoll erwiesen, und die Beobachtung ihrer Arbeitsweise hat zum Fortschritt beigetragen.
Eine breite Vielfalt von Ionenquellenformen und -anordnungen ist bereits vorgeschlagen worden, einschließlich winkel- und ringförmigen. Repräsentativ ist die US-A-4 361 472 - Morrison. Besondere Lösungen, bei denen etwas benutzt wird, was als andere Arten von unterschiedlich geformten Quellen einschließlich ringförmigen bezeichnet werden kann, sind in der US-A-4 277 304 - Horiike et al, erläutert und gezeigt. Noch weitere Ionenquellen, bei denen ein Plasma benutzt wird, sind in einem Aufsatz mit dem Titel "Plasma Physics of Electric Rockets" von George R. Seikel et al angegeben, der in Plasmas and Magnetic Fields in Propulsion and Power Research, NASA, SP-226, 1969, erschienen ist. Es sind zwar zahlreiche Ionentriebwerke beschrieben, besondere Aufmerksamkeit wird jedoch auf die Seiten 14-16 und die Fig. I-16 und I-17 und auf die Ausführungen bezüglich magnetoplasmadynamischen Lichtbogentriebwerken gerichtet. Darüber hinaus enthält dieser Aufsatz eine umfangreiche Bibliographie.
Bei den meisten bekannten Ionenquellen sind Elektromagnete für den Zweck des Erzeugens des Magnetfeldes benutzt worden, das die Elektronen in einem Plasma einschließt. Wiederum etwas repräsentativ ist das Elektronenbombardementtriebwerk, das auf Seite 179 der Proceedings of the NASA- University Conference on Science on Technology of Space Exploration, Band 2, NASA, SP-11, November 1-3, 1962, gezeigt und erläutert ist. Darüber hinaus wurde auch ein Permanentmagnetionentriebwerk (Quelle) in dieser Veröffentlichung auf Seite 180 erläutert und gezeigt.
Zum Beseitigen der Beschränkungen, die Gitterionenquellen auferlegt sind, sind von anderen sogenannte gitterlose Ionenquellen entwickelt worden. Bei diesen wird die Beschleunigungspotentialdifferenz für die Ionen unter Verwendung eines Magnetfeldes in Verbindung mit einem elektrischen Strom erzeugt. Die Ionenstromdichten, die bei diesem Beschleunigungsprozeß möglich sind, sind üblicherweise viel größer als diejenigen, die bei den Gitterquellen möglich sind, insbesondere bei geringer Ionenenergie. Darüber hinaus dürfte die Hardware, die mit dem gitterlosen Beschleunigungsprozeß verbunden ist, einfacher und robuster sein.
Eine bekannte gitterlose Ionenquelle ist die vom End-Hall- Typ, wie sie von A.I. Morosov in Physical Principles of Cosmic Electro-jet Engines, Band 1, Atomizdat, Moskau, 1978, S. 13-15, beschrieben worden ist. Außerdem ist eine Geschlossene-Drift-Ionenquelle bekannt, bei der die Öffnung zur Ionenbeschleunigung kreisringförmig statt kreisförmig ist. Diese wurde von H.R. Kaufman in "Technology of Closed- drift Thrusters", AIAA Journal, Band 23, S. 78-87, Januar 1985, beschrieben. Die Geschlossene-Drift-Ionenquelle ist zur Verwendung bei ihrem ursprünglichen Zweck des elektrischen Weltraumvortriebs üblicherweise wirksamer. Die ausgedehnte Beschleunigungsversion dieser Geschlossene-Drift-Ionenquelle ist jedoch für Kontamination aus der Umgebung empfindlich, und die zuvor beschriebene Anodenschichtversion der Geschlossene-Drift-Ionenquelle ist im Betrieb relativ unflexibel.
Zusätzlicher Stand der Technik in bezug auf gitterlose Ionenquellen findet sich in III Allunion-15-Konferenz über Plasmabeschleuniger, Minsk, 1976; und in IV Allunion-Konferenz über Plasmabeschleuniger und Ioneninjektoren, Moskau, 1978.
Eine bedeutende Anstrengung ist auch bei der Verwendung von Plasmas für die Erzielung einer Fusionsreaktion gemacht worden. Ein Spiegeleffekt ist auf dem Gebiet der Fusionsmaschinen benutzt worden, um den Ioneneinschluß zu verstärken. In diesem Fall ist jedoch das Magnetfeld stark genug gewesen, um die Ionenbewegung direkt nachteilig zu beeinflussen.
Selbstverständlich gibt es viele andere bekannte Veröffentlichungen, welche den "Hall-Effekt" erwähnen. So, wie dieser Effekt in der älteren Literatur beobachtet werden kann, ist er irreführend. Dieser Verwendungszweck gehört hauptsächlich zu der End-Hall-Konfiguration, die ihrerseits dokumentiert worden ist, wie oben dargelegt.
Im Lichte all des Vorstehenden ist es ein allgemeines Gesamtziel der vorliegenden Erfindung, eine neue und verbesserte Hochstromionenstrahlquelle geringer Energie zu schaffen, die einfach, mechanisch robust und zuverlässig ist, das Magnetfeld auf bessere Weise formt und steuert und die Bewegung von Ionen in der gewünschten Richtung gewährleistet, um Erosion zu verringern, die durch Ionen verursacht wird, welche sich in der entgegengesetzten Richtung bewegen.
Dieses Ziel wird in einer Ausführungsform einer Ionenquelle erreicht, die eine Einrichtung aufweist zum Einleiten eines Gases, das zum Erzeugen eines Plasmas ionisierbar ist, in ein Gebiet innerhalb der Quelle; eine Anode, die innerhalb der Quelle in der Nähe eines longitudinalen Endes des Gebietes angeordnet ist; eine Katode, die nahe dem anderen longitudinalen Ende des Gebietes angeordnet ist und Abstand von der Anode hat; eine Einrichtung zum Einprägen einer Potentialdifferenz zwischen der Anode und der Katode, um Elektronen zu erzeugen, die insgesamt in einer longitudinalen Richtung von der Katode zu einer Anode bei dem Bombardement des Gases strömen, um das Plasma zu erzeugen; und eine Einrichtung, die in der Quelle enthalten ist, um innerhalb des Gebietes ein Magnetfeld aufzubauen, wobei die Magnetfeldaufbaueinrichtung das Magnetfeld mit einer Stärke aufbaut, die in der Richtung von der Anode zu der Katode und der Richtung, welche das Feld insgesamt zwischen der Anode und der Katode hat, abnimmt, und wobei die Einleiteinrichtung eine gleichmäßige Verteilung des Gases in einer Querrichtung über dem Gebiet erzeugt.
Dieses Ziel wird in einer zweiten Ausführungsform einer Ionenquelle erreicht, die eine Einrichtung aufweist zum Einleiten eines Gases, das zum Erzeugen eines Plasmas ionisierbar ist, in ein Gebiet innerhalb der Quelle; eine Anode, die innerhalb der Quelle nahe einem longitudinalen Ende des Gebietes angeordnet ist; eine Katode, die nahe dem anderen longitudinalen Ende des Gebietes angeordnet ist und Abstand von der Anode hat; eine Einrichtung zum Einprägen einer Potentialdifferenz zwischen der Anode und der Katode, um Elektronen zu erzeugen, die insgesamt in einer longitudinalen Richtung von der Katode zu einer Anode bei dem Bombardement des Gases zum Erzeugen des Plasmas strömen; und eine Einrichtung, die in der Quelle enthalten ist, zum Aufbauen eines Magnetfeldes innerhalb des Gebietes, wobei die Aufbaueinrichtung das Magnetfeld mit einer Stärke aufbaut, welche in der Richtung von der Anode zu der Katode und der Richtung, die das Feld insgesamt zwischen der Anode und der Katode hat, abnimmt, und wobei die Magnetfeldaufbaueinrichtung einen Magnet aufweist, der gänzlich außerhalb von und auf der Seite der Anode angeordnet ist, die von dem Gebiet in der Längsrichtung abgewandt ist.
Verbesserungen dieser Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
So schafft die vorliegende Erfindung eine End-Hall-Quelle zur Verwendung für Eigenschaftsverstärkungszwecke der Art, bei der große Ströme von Ionen geringer Energie in Verbindung mit dem Auftragen von dünnen Filmen benutzt werden, um die Haftung zu steigern, die Spannung zu steuern, entweder die Dichte oder die Härte zu steigern, eine bevorzugte Ausrichtung zu erzeugen oder die Stufenüberdeckung zu verbessern.
Die Organisation und die Arbeitsweise der Erfindung zusammen mit weiteren Zielen und Vorteilen derselben werden durch Bezugnahme auf die folgende Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen verständlich, in deren verschiedenen Figuren gleiche Elemente gleiche Bezugszahlen tragen und in welchen:
Fig. 1 eine isometrische Ansicht, teilweise weggebrochen und im Querschnitt, ist, die eine End-Hall-Ionenquelle veranschaulicht, welche gemäß einer besonderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist;
Fig. 2 ein Schaltbild der Speise- und Steuerschaltungsanordnung ist;
Fig. 3 eine Querschnittansicht eines oberen Teils des in Fig. 1 gezeigten mit zusätzlicher schematischer und bildlicher Darstellung ist; und
die Fig. 4-7 grafische Darstellungen sind, welche Betriebskennlinien der Vorrichtung nach Fig. 1 zeigen.
Eine End-Hall-Ionenquelle 20 enthält eine Katode 22, jenseits welcher mit Abstand eine Anode 24 angeordnet ist. Auf der Seite der Anode 24, die von der Katode 22 abgewandt ist, ist eine Elektromagnetwicklung 26 um einen inneren, magnetisch permeablen Polschuh 28 angeordnet. Die verschiedenen Teile der Anode und der magnetischen Vorrichtungen haben, wie gezeigt, eine insgesamt zylindrische Konfiguration, die nicht nur zu Symmetrie in dem endgültigen Ionenstrahl führt, sondern auch die Montage erleichtert, beispielsweise durch Stapeln der verschiedenen Komponenten eine auf die nächste.
Der Magnet 26 ist zwischen eine untere und eine obere Platte 30 und 32 eingeschlossen. Die Platte 30 ist aus magnetisch permeablem Material, und die Platte 32 ist aus nichtmagnetischem Material. Umgeben sind die Anode 24 und die Magnetwicklung 26 von einer zylindrischen Wand 34 aus magnetischem Material, auf deren Oberseite ein äußerer Polschuh 36 befestigt ist, der wiederum aus magnetisch permeablem Material besteht. Die Anode 24 besteht aus einem nichtmagnetischen Material, das eine hohe elektrische Leitfähigkeit hat wie Kohlenstoff oder ein Metall, und wird in ihrer Lage durch Ringe 38 und 40 festgehalten, die ebenfalls aus nichtmagnetischem Material sind.
In einer beabstandeten Position zwischen der Platte 32 und dem Ring 38 ist ein Verteiler 42 festgehalten. Umfangsmäßig beabstandet um seinen Umfangsteil sind Öffnungen 44 unterhalb der Anode 24 und außerhalb der Öffnung 46 in den Boden der Anode 24 hinein angeordnet, und von diesem aus verjüngt sich ihre innere Wand 48 konisch nach oben und nach außen zu ihrer oberen Oberfläche 50 hin.
Zentrisch innerhalb des inneren Polschuhs 28 ist eine Bohrung 52 angeordnet, die in einen Sammelraum 54 führt, der unter den Löchern 44 angeordnet ist, durch welche das zu ionisierende Gas gleichmäßig in das Entladungsgebiet an der Öffnung 46 geleitet wird.
Die Katode 22 ist zwischen Büchsen 56 und 58 befestigt, die von dem äußeren Polschuh 36 elektrisch getrennt, an diesem aber mechanisch befestigt sind. Die Büchsen 56 und 58 sind über Bügel 60 und 62 mit Anschlußklemmen 64 und 66 verbunden. Von diesen Anschlußklemmen aus führen isolierte elektrische Leitungen durch das Innere der Quelle 20 hindurch zu geeigneten Verbindern (nicht gezeigt) am äußeren Ende der Einheit.
Die gesamte Baugruppe der verschiedenen Platten und anderen Komponenten wird mit Hilfe von langgestreckten Schrauben 68, die durch Muttern 70 befestigt sind, zusammengehalten. Diese Art der Montage ist zweckmäßig und einfach und außerdem robust und eliminiert die kritische Ausrichtung der verschiedenen Komponenten. Diese Lösung erleichtert außerdem die leichte Demontage zum Reinigen der Teile von Zeit zu Zeit, eine erwartete Notwendigkeit angesichts der späteren Kontamination, z.B. durch lose Flocken abgelagerten Materials. Bei Bedarf können Wärmeabschirmungen zwischen verschiedenen Teilen der Baugruppe vorgesehen sein, z.B. innen um die Anode 24 und auf der Rückseite der Baugruppe unter der Platte 30.
Bei der obigen Erläuterung ist von den Wörtern "oben" und "unten" Gebrauch gemacht worden. Dieser Gebrauch ist lediglich in Übereinstimmung mit der Art der Ausrichtung, die in Fig. 1 gezeigt ist. In der Praxis kann die Ionenquelle 20 irgendeine Ausrichtung relativ zu der Umgebung haben. Darüber hinaus kann die Wand 34 innerhalb eines Standardflansches befestigt sein, der so geformt ist, daß er in eine herkömmliche Öffnung paßt, wie sie bei Vakuumkammern benutzt wird.
Fig. 2 zeigt das Gesamtsystem, wie es im Betrieb benutzt wird. Eine Wechselstromversorgung 80 speist die Katode 22 mit einem Strom Ic bei einer Spannung Vc. Eine Mittenanzapfung der Versorgung ist zur Systemmasse zurückgeführt, wie es durch ein Meßinstrument Ie gezeigt ist, welches die Elektronenemission der Katode mißt. Die Anode 24 ist mit dem positiven Potenial einer Entladungsversorgung 82 verbunden, die zur Systemmasse zurückgeführt ist und einen Strom Id bei einer Spannung Vd liefert. Der Magnet 26 wird durch einen Gleichstrom aus einer Magnetversorgung 84 erregt, welche einen Strom Im bei einer Spannung Vm liefert. Das magnetisch permeable Gebilde wie die Wand 34 ist ebenfalls mit der Systemmasse verbunden.
Ein Gasstromregler 88 betätigt ein einstellbares Ventil 86 in der Leitung, welche das ionisierbare Gas in eine Bohrung 52 leitet. Eine Katodenversorgung 80 sorgt für die Emission von Elektronen aus der Katode 22. Das Anodenpotential wird durch den Anodenstrom, die Stärke des Magnetfeldes und den Gasstrom gemeinsam gesteuert.
Es ist zwar eine Elektromagnetversion gezeigt worden, eine Permanentmagnetversion ist jedoch ebenfalls getestet worden. Ein Permanentmagnet wurde statt der Wicklung 26 des dargestellten Elektromagnets und als Teil des inneren Polschuhs 28 installiert. In diesem Fall kann der Gasstrom durch ein separates Rohr durch die Ionenquelle zu dem Sammelraum 54 geleitet werden. Durch die Verwendung des Permanentmagnets wurde die Anzahl der elektrischen Stromversorgungen reduziert, weil die Magnetversorgung 84 nicht länger notwendig war. Die Verwendung des Permanentmagnets hatte keine nachteilige Auswirkung auf die zu beschreibende Leistung.
Für eine verallgemeinerte Beschreibung der Arbeitsweise wird auf Fig. 3 Bezug genommen. Neutrale Atome oder Moleküle sind mit dem Buchstaben "O" bezeichnet. Elektronen sind mit dem negativen Symbol "-" bezeichnet, und Ionen sind mit dem Pluszeichen "+" bezeichnet.
Die neutralen Atome oder Moleküle des Arbeitsgases werden in die Ionenquelle über Kanäle oder Löcher 44 eingeleitet. Energetische Elektronen aus der Katode folgen ungefähr Magnetfeldlinien 90 zurück zu dem Entladungsgebiet, welches durch die Anode 24 umschlossen ist, um auf Atome oder Moleküle innerhalb dieses Gebietes aufzutreffen. Einige dieser Kollisionen erzeugen Ionen. Die Mischung aus Elektronen und Ionen in diesem Entladungsgebiet bildet ein leitfähiges Gas oder Plasma. Weil die Dichte der neutralen Atome oder Moleküle in Richtung von der Anode zur Katode schnell absinkt, erfolgen die meisten ionisierenden Kollisionen mit Neutralen in dem Gebiet, das seitlich durch die Anode 24 umschlossen ist.
Die Leitfähigkeit parallel zu dem Magnetfeld ist viel größer als die Leitfähigkeit durch dieses Feld. Die Magnetfeldlinien 90 approximieren somit Äquipotentialkonturen in dem Entladungsplasma, wobei die Magnetfeldlinien nahe bei der Achse etwa auf Katodenpotential und diejenigen nahe bei der Anode 24 näher auf Anodenpotential sind. Das Vorhandensein einer solchen radialen Potentialveränderung wurde durch die Verwendung von Langmuir-Sondenüberwachungen der Entladung herausgefunden. Es wurde außerdem herausgefunden, daß es eine Potentialveränderung längs der Magnetfeldlinien gibt, die bestrebt ist, die Ionen von der Anode zu der Katode zu beschleunigen. Die Ursache dieser Veränderung längs der Magnetfeldlinien ist weiter unten erläutert. Die Ionen, die gebildet werden, tendieren deshalb dazu, anfänglich sowohl zu der Katode als auch zu der Symmetrieachse hin beschleunigt zu werden. Da sie Bewegungsenergie haben, stoppen diese Ionen in der Achse der Ionenquelle nicht, sondern bewegen sich weiter, oft um durch die positiven Potentiale auf der entgegengesetzten Seite der Achse reflektiert zu werden. Je nachdem, wo ein Ion gebildet wird, kann es die Achse mehr als einmal durchqueren, bevor es die Ionenquelle verläßt.
Wegen der Vielfalt der zurückgelegten Trajektorien tendieren die Ionen, die die Quelle verlassen und sich auswärts jenseits der Katode 22 weiterbewegen, dazu, einen breiten Strahl zu bilden. Die positive Raumladung und der Strom der Ionen dieses breiten Strahls werden durch einige der Elektronen, welche die Katode 22 verlassen, neutralisiert. Die meisten Elektronen aus der Katode 22 strömen zurück zu der Anode 24 und erzeugen sowohl Ionen als auch die Potentialdifferenz zum Beschleunigen der Ionen vorbei an der Katode 22 nach außen. Wegen der Form des Magnetfeldes und des Potentialgradienten zwischen der Anode und der Katode entfernen sich die meisten Ionen, die erzeugt werden, in stromabwärtiger Richtung.
Der Strom zu der Anode besteht fast gänzlich aus Elektronen, zu denen sowohl die ursprünglichen Elektronen aus der Katode 22 als auch die Sekundärelektronen gehören, welche aus der Ionisation von Neutralen resultieren. Weil der Sekundärelektronenstrom zur Anode 24 gleich der Gesamtionenproduktion ist, ist die Überschußelektronenemission aus der Katode 22 zur Stromneutralisierung des Ionenstroms ausreichend, wenn die Elektronenemission aus der Katode 22 gleich dem Anodenstrom ist.
Die Katodenemission Ie kann so betrachtet werden, als bestehe sie aus einem Entladungsstrom Id, der zurück zu der Anode fließt, und einem Neutralisierungsstrom In, der mit dem Ionenstrahl hinausströmt:
Ie = Id + In. (1)
Weil die Ionen, die gebildet werden, durch die radialen und axialen elektrischen Felder geleitet werden, um fast gänzlich in den Ionenstrahl zu strömen, ist der Strom Ia zur Anode hauptsächlich auf Elektronen zurückzuführen. Dieser Elektronenstrom besteht aus dem Entladungsstrom Id aus der Katode plus dem Sekundärelektronenstrom Is aus dem Ionisierungsprozeß, oder:
Ia= Id + Is. (2)
Das Gleichsetzen von Ie und Ia ergibt dann:
In = Is. (3)
Aufgrund der Ladungskonservierung ist der Ionenstrahlstrom Ib gleich dem Strom Is von Sekundärelektronen, so daß gilt:
In = Ib. (4)
Für die Bedingung der Gleichheit von Elektronenemission und Anodenstrom gilt dann, daß der Elektronenstrom, der zum Neutralisieren des Ionenstrahls verfügbar ist, gleich dem Ionenstrahlstrom ist.
Neben der vorgenannten allgemeinen Beschreibung des Ionenproduktionsprozesses ist es instruktiv, das, was passiert, ausführlicher zu betrachten. Es gibt zwei Hauptmechanismen, durch welche die Potentialdifferenz, die die Ionen beschleunigt, durch ein Magnetfeld erzeugt wird, das insgesamt die divergierende Form hat, wie sie in Fig. 3 gezeigt ist. Der erste dieser Mechanismen ist die reduzierte Plasmaleitfähigkeit auf den Magnetfeldlinien 90. Die Approximation des starken Feldes eignet sich für die typische Feldstärke von mehrmals 10&supmin;² Tesla (mehreren hundert Gauss), die in der beschriebenen End-Hall-Quelle benutzt wird. Das Verhältnis der Leitfähigkeit parallel zu dem Magnetfeld zu der quer zu demselben wird daher folgendermaßen ausgedrückt:
/ = (ω/ν)², (5)
wobei ω die Elektronenzyklotronfrequenz und ν die Elektronenkollisionsfrequenz ist. Die Elektronenkollisionsfrequenz wird üblicherweise durch die Plasmafluktuationen von anomaler Diffusion bestimmt, wenn das Leiten über ein starkes Magnetfeld erfolgt. Unter Verwendung der Bohm-Diffusion zum Abschätzen dieser Frequenz kann gezeigt werden, daß gilt:
/ = 256. (6)
Weil die Bohm-Diffusion üblicherweise nur innerhalb eines Mehrfachfaktors genau ist, sollte das in der Gleichung (6) ausgedrückte Verhältnis als korrekt nur innerhalb einer Größenordnung behandelt werden. Sogar so ist zu erwarten, daß gilt:
» . (7)
Aus dieser Differenz in der Leitfähigkeit parallel und normal zu dem Magnetfeld sollte erwartet werden, daß die Magnetfeldlinien, wie sie in Fig. 3 gezeigt sind, Äquipotentialkonturen in dem Plasma annähern werden. Weiter, die Feldlinien, die näher bei der Anode sind, würden im Potential positiver sein. Radiale Überwachungen des Plasmapotentials sind unter Verwendung einer Langmuir-Sonde durchgeführt worden. Diese Überwachungen zeigten einen gewissen Potentialanstieg beim Bewegen von der Längsachse weg, die durch die Konzentrizität der Anode 24 festgelegt ist, zu einem Magnetfeld, das nahe bei der Anode 24 liegt. Es hat sich jedoch gezeigt, daß die Zunahme nur ein Bruchteil der gesamten Anode-Katode-Potentialdifferenz ist. Der überwiegende Teil der letztgenannten Potentialdifferenz trat in axialer Richtung auf. Das heißt, ein Hauptteil der Differenz trat parallel zu dem Magnetfeld auf, wo aufgrund der Gleichung (7) ansonsten erwartet werden könnte, daß die Potentialdifferenz klein ist.
Die zeitlich gemittelte Kraft, die ein inhomogenes Magnetfeld auf ein Elektron ausübt, das sich auf einer kreisförmigen Bahn innerhalb der Quelle 20 bewegt, ist von Interesse. Für eine Veränderung der Feldstärke in nur der Richtung des Magnetfeldes ist diese Kraft parallel zu dem Magnetfeld und in der Richtung abnehmender Feldstärke. Unter Annahme einer isotropen Verteilung der Elektronengeschwindigkeit sind zwei Drittel der Elektronenenergie der Bewegung normal zu dem Magnetfeld zugeordnet, um so mit diesem Feld in Wechselwirkung zu treten. Unter der Annahme einer gleichmäßigen Plasmadichte ist die Potentialdifferenz in dem Plasma berechenbar durch Integrieren des elektrischen Feldes, das erforderlich ist, um die Magnetfeldkräfte an dem Elektron auszugleichen, woraus folgt:
ΔVp = (kTe/e) 1n (B/Bo), (8)
wobei k die Boltzman-Konstante, Te die Elektronentemperatur in K, e die Elektronenladung ist und B und Bo die magnetischen Feldstärken an zwei Orten sind. Das Glied kTe/e ist die Elektronentemperatur in Elektron-Volt. Unter der Annahme B > Bo ist das Plasmapotential bei B größer als das bei B0.
Axiale Überwachungen des Plasmapotentials in der beschriebenen End-Hall-Quelle haben gezeigt, daß es in ungefährer Übereinstimmung mit der Gleichung (8) ist. Es sei angemerkt, daß es eine zusätzliche Auswirkung der Plasmadichte auf das Potential gibt, und eine vollständigere Beschreibung der Veränderung des Plasmapotentials mit der magnetischen Feldstärke müßte diesen Effekt berücksichtigen.
Die Veränderung des Plasmapotentials, wie sie durch die Gleichung (8) gegeben ist, ist bedeutsam, da sie die Steuerung der Beschleunigung der Ionen durch eine Veränderung im Plasmapotential parallel zu dem Magnetfeld gestattet, was durch die Wechselwirkung von Elektronen mit dem Magnetfeld verursacht wird. Das unterscheidet sich von Fällen hoher Energie wie bei der Fusion, wo das Magnetfeld stark genug ist, um direkt auf die Ionen einzuwirken. Letzteres wird als "Spiegeleffekt" bezeichnet und durch eine andere Gleichung beschrieben.
Die Ionen werden zumindest hauptsächlich in dem Entladungsplasma innerhalb der Anode 24 erzeugt und in den resultierenden Ionenstrahl beschleunigt. Das Potential des Entladungsplasmas erstreckt sich über einen wesentlichen Bereich. Infolgedessen haben die Ionen einen äquivalenten Bereich kinetischer Energie, nachdem sie in den Strahl beschleunigt worden sind. Die Verteilung der Ionenenergie auf der Achse des Ionenstrahls ist mit einer retardierenden Potentialsonde gemessen worden. Unter der Annahme von einzeln geladenen Ionen kann das retardierende Potential, in V (Volt), in kinetische Ionenenergie umgesetzt werden, die in eV (Elektron-Volt) ausgedrückt wird. Die Verteilungen der kinetischen Energie, die auf diese Weise erzielt werden, sind durch eine mittlere Energie und die Effektivabweichungen von der mittleren Energie gekennzeichnet worden und sind in den Fig. 4 und 5 für einen breiten Bereich von Betriebsbedingungen dargestellt. Es hat sich gezeigt, daß die mittlere Energie (in eV (Elektron-Volt)) üblicherweise etwa sechzig Prozent des Anodenpotentials (in V (Volt)) entspricht, wogegen die Effektivabweichung von der mittleren Energie etwa dreißig Prozent in der Vorrichtung der besonderen Ausführungsform entspricht.
Die mittleren Energien wurden auf der Ionenstrahlachse erzielt, wie oben dargelegt. Es hat sich gezeigt, daß die mittleren achsenversetzten Werte ähnlich, aber häufig mehrere eV (Elektron-Volt) niedriger waren. Ladungsaustauschund Impulsaustauschprozesse mit dem Hintergrundgas in der Vakuumkammer führen zu einem Überschuß an Ionen geringer Energie unter großen Winkeln gegen die Strahlachse. Es wird angenommen, daß diese Prozesse die Ursache für den größten Teil der beobachteten Veränderung oder für die gesamte beobachtete Veränderung und die mittlere Energie bei achsenversetztem Winkel sind.
Einige Prozesse hängen von der Ionenstromdichte ab, wogegen einige mehr von der kinetischen Energie der Ionen abhängen. Die Veränderungen sowohl der Ionenstromdichte als auch der für die kinetische Energie korrigierten Stromdichte sind deshalb von Interesse, und beide sind in Fig. 6 bei einem typischen Betriebszustand gezeigt. Die Korrektur für die Energie wurde erzielt durch Multiplizieren der gemessenen achsenversetzten Stromdichte durch das Verhältnis von achsenversetzter zu auf der Achse gemessener mittlerer Energie.
Mehrere Ionenstrahlprofile, die in einem Abstand von fünfzehn Zentimetern von der Quelle 20 erzielt worden sind, sind in Fig. 7 dargestellt. Um ein konservatives Maß der Stromdichte zu gewährleisten, sind diese Profile für die Energie korrigiert, wie oben beschrieben. In den Fig. 6 und 7 sind nur Halbprofile gezeigt, weil nur unbedeutende Differenzen zwischen den beiden Seiten der Achse festgestellt worden sind.
Es wurde festgestellt, daß die Winkelausbreitung der in Fig. 7 gezeigten Profile insgesamt größer war als die, welche früher bei Gitterquellen festgestellt worden ist. Um eine Vignettierung der Sondenoberfläche durch das Elektronensteuergitter vor der Sonde bei großen Winkeln zu vermeiden, wurde die Sonde während dieser Messungen um die Mitte der Achsenebene mit einer konstanten Differenz von dieser Mitte geschwenkt. Weil Ionen bestrebt sind, eng geradlinigen Trajektorien zu folgen, wird angenommen, daß die Winkelveränderung in großen Entfernungen ähnlich ist, daß sich aber die Intensität umgekehrt zu dem Quadrat der Entfernung verändern wird.
Die Ionenstrahlprofile, die aus der End-Hall-Quelle der vorliegenden besonderen Ausführungsform erzielt werden, können approximiert werden, wobei gilt
i = A cosnα, (9)
wobei A von der Strahlintensität abhängig ist, n ein Strahlformfaktor und α der Winkel gegen die Strahlachse ist.
Für Profile, die gemäß der achsenversetzten Energieveränderung korrigiert sind, wie es ebenfalls in Fig. 7 gezeigt ist, liegen die Werte von n üblicherweise in einem Bereich von zwei bis vier. Die Strahlströme, wie sie in den Fig. 6 und 7 dargestellt sind, wurden unter Verwendung der Approximation der Gleichung (9) und durch Integrieren der korrigierten Stromdichte über einem Winkel α von null bis neunzig Grad erzielt.
Die Analyse des Entladungsprozesses hatte gezeigt, daß die Neutralisation erzielt werden sollte, wenn die Katodenemission ungefähr gleich dem Anodenstrom ist. Das ist mit Potentialmessungen bestätigt worden, indem eine elektrisch isolierte Sonde in dem Ionenstrahl benutzt worden ist.
Katodenlebensdauertests wurden mit Argon ausgeführt. Unter Verwendung von Wolframkatoden mit einem Durchmesser von 0,50 mm (0.020 Zoll) wurden Lebensdauern von zwanzig bis zweiundzwanzig Stunden bei einem Anodenstrom von fünf Ampere erzielt, welcher einem Ionenstrahlstrom von etwa einem Ampère entsprach. Lebensdauertests wurden außerdem mit Sauerstoff ausgeführt, indem wieder derselbe Typ von Wolframkatode benutzt wurde. Bei Sauerstoff reichen die Lebensdauern bei einem Anodenstrom von fünf Ampère von neun bis vierzehn Stunden.
Tests sind außerdem unter Verwendung einer Hohlkatode ausgeführt worden. Bei Verwendung von Sauerstoff als Arbeitsgas für die Ionenquelle hat es sich gezeigt, daß der Ionenquellenbetrieb dem gleicht, wenn eine Wolframkatode benutzt wird. Die Erfahrung mit dem Betrieb bei Verwendung von Hohlkatoden in ähnlichen Vakuumumgebungen zeigt, daß eine Lebensdauer von fünzig bis einhundert Stunden oder mehr erwartet werden könnte. Der Inertgasstrom zu der Hohlkatode würde zwar in gewissem Ausmaß den Sauerstoff oder irgendein anderes Reaktionsgas, das zur Plasmaproduktion benutzt wird, verdünnen, es sei jedoch angemerkt, daß der Hohlkatodengasstrom in einer beträchtlichen Entfernung von der Hauptentladung innerhalb der Anode 24 eingeleitet wurde. Demgemäß würde nur ein Bruchteil des Inertgases zu dem Entladungsgebiet zurückkehren, um ionisiert zu werden.
Eine weitere Überlegung in bezug auf jede Ionenquelle ist die Kontamination des Targets. Zum Erzielen von Kontaminationsschätzwerten über die speziell beschriebene Vorrichtung wurden Dauertests bei einem Anodenpotential von 120 V ausgeführt, um Messungen des Gewichtsverlusts oder von Abmessungsänderungen zu gestatten. Konservative Berechnungen wurden ausgeführt, um diese Meßwerte in Ankunftsgeschwindigkeiten an dem Target umzusetzen. Zum Beispiel, für den Katodengewichtsverlust wurde angenommen, daß er auf gleichmäßige sphärische Weise verteilt war, obgleich das Bombardement durch Strahlionen wahrscheinlich zu dem bevorzugten Abtragen von Material von dem Target durch Zerstäubung führt. Diese Ankunftsgeschwindigkeiten wurden dann als Atom-zu-Ion-Ankunftsverhältnisse an dem Ziel ausgedrückt.
Die Komponenten, von denen angenommen wird, daß sie möglicherweise Erosion ausgesetzt sind, sind die Katode 22, der Verteiler 42 und die Anode 24. Bei Verwendung von Argon waren die Verunreinigungsverhältnisse für diese drei Komponenten ≤ 4 x 10&supmin;&sup4; bei einer Wolframkatode, ≤ 13 x 10&supmin;&sup4; für einen Kohlenstoffverteiler bzw. 0 für eine Kohlenstoffanode. Bei Verwendung von Sauerstoff betrugen die Verhältnisse ≤ 17 x 10&supmin;&sup4; für eine Wolframkatode, ≤ 3 x 10&supmin;&sup4; für einen Verteiler aus rostfreiem Stahl bzw. ≤ 2 x 10&supmin;&sup4; für eine Anode aus rostfreiem Stahl.
Es sei beachtet, daß die Verwendung einer Hohlkatode die Katode als Kontaminationsquelle eliminieren könnte. Das würde nur die Beiträge des Verteilers und der Anode übrig lassen. Selbstverständlich können andere Materialien als Alternative für den Aufbau entweder des Verteilers oder der Anode benutzt werden. In jedem Fall ist die Kontamination insgesamt gering, was die Quelle für viele Verwendungszwecke geeignet macht.
Die besondere Art des Aufbaus dieser besonderen Art von Ionenquelle kann zwar verändert werden, es gibt jedoch mehrere ausgeprägte Merkmale, die als wichtig anzusehen sind. Diese werden deshalb nun zusammengefaßt dargestellt.
Aus der Gleichung (8) geht hervor, daß der Betrieb der vorliegenden End-Hall-Quelle stark von der Tatsache profitiert, daß die Katode stromabwärts in der Richtung des Ionenstroms in einem Gebiet schwachen Magnetfeldes plaziert ist. Der innere Polschuh 28 oder der äquivalente Permanentmagnet vergrößert die magnetische Feldstärke bei etwas, was als die Rückseite des Entladungsgebietes innerhalb der Anode 24 bezeichnet werden könnte. Andererseits, der äußere Polschuh 36 und seine Anordnung in bezug auf den geschaffenen Flußpfad verringert die Feldstärke nahe der Katode.
Diese beiden Effekte ergeben zusammengenommen ein vergrößertes Verhältnis der Feldstärke in einer Richtung von der Katode 22 zu dem Entladungsgebiet.
Ein Ergebnis dieses vergrößerten Verhältnisses ist die Erzeugung eines Potentialgradienten in dem Plasma, welcher bestrebt ist, die Ionen von der Quelle 20 aus nach außen in einen Strahl zu leiten. Durch die Auswirkung auf die Potentialverteilung und deshalb auf die Ionen wird dieser Effekt benutzt, um die Ionen in die gewünschte Richtung zu lenken. Das reduziert die Erosionswirkung, die durch Ionen verursacht würde, welche sich in der entgegengesetzten Richtung bewegen und auf innere Teile der Quelle 20 auftreffen.
Bei der vorliegenden Lösung wird permeables Material benutzt, um das Magnetfeld zu formen und zu steueren. Das heißt, es ist ein ferromagnetisches Material, welches eine relative Permeabilität (in bezug auf ein Vakuum) aufweist, die wesentlich größer als eins und vorzugsweise wengistens eine oder zwei Größenordnungen größer ist.
Der Verteiler 42 ist hinter der Anode angeordnet (entgegengesetzt zu der Richtung der Katode 22). Die Ionenquelle 20 ist mit diesem Verteiler auf Massepotential, üblicherweise dem Vakuumkammerpotential, betrieben worden, und an dieser Masse ist die Mittelanzapfung der Katode befestigt. Im normalen Betrieb liegt Masse üblicherweise innerhalb von mehreren Volt des Potentials des Ionenstrahls. Bei dieser Betriebsweise hat es sich gezeigt, daß der Verteiler durch energetische Ionen in dem Entladungsgebiet getroffen werden konnte, so daß Zerstäubung aufgrund dieser Kollisionen zu einer Hauptquelle der Zerstäubungskontamination aus der Quelle 20 selbst werden konnte.
Selbstverständlich ist diese Kontamination unerwünscht, weil sie jedes Material betrifft, das nahe der Quelle 20 abgelagert wird. Bei der vorliegenden bevorzugten Lösung wird jede derartige Zerstäubung des Verteilers 42 stark reduziert, in einem gemessenen Fall um einen Faktor von etwa fünfzehn, und zwar durch elektrisches Isolieren des Verteilers 42. Wenn der Verteiler 42 isoliert ist, ist er potentialmäßig nicht gebunden und befindet sich auf einem positiven Potential. Das reduziert die Energie der positiven Ionen, die auf ihn auftreffen, und reduziert wahrscheinlich auch die Anzahl der Ionen, die auf ihn auftreffen.
In einer Alternative können von den leitfähigen Elementen innerhalb des aufgebauten Magnetfeldes andere von der Anode und der Katode elektrisch isoliert sein, wodurch ihnen gestattet wird, elektrisch frei zu sein. Das kann auch zusätzliche Feldformungselemente beinhalten, die zwischen der Anode und der Katode angeordnet sind.
Die Gasverteilung wird wie beschrieben so gesteuert, daß der meiste Gasstrom zur Anode 24 gelangt. Weil die Elektronen das Magnetfeld leichter durchqueren können, indem sie sich stromabwärts bewegen, es durchqueren und dann zur Anode zurückkehren, ergibt eine erhöhte Plasmadichte stromabwärts der Anode einen Pfad niedrigerer Impedanz und reduziert die notwendige Betriebsspannung. Die Plasmadichte in einem Gebiet kann durch Steuern des Gasstroms zu diesem Gebiet gesteuert werden. Somit kann die Gasverteilung zum Steuern der Betriebsspannung benutzt werden.
Daß das Magnetfeld in dem stromabwärtigen Gebiet leichter durchquert werden kann, ist der Fall, weil das magnetische Integralf x d zwischen denselben Feldlinien in diesem Gebiet kleiner ist. Zum Beispiel, wenn der Radius der äußeren Feldlinie verdoppelt wird, wird die Distanz zwischen der Achse und diesem Radius verdoppelt, aber die Feldstärke dazwischen wird um einen Faktor vier verringert. Zur weiteren Erläuterung des Integrals der Feldstärke und der Entfernung, die in diesem Fall halbiert wird, wird auf das oben erwähnte AIAA Journal, Band 20, Nr. 6, Juni 1982, auf S. 746, verwiesen.
Die Quelle 20 und alle wesentlichen Elemente, mit Ausnahme der Katode 22, sind, wie speziell dargestellt, kreisförmig oder kreisringförmig. Demgemäß hat der erzeugte Ionenstrahl einen kreisförmigen Querschnitt über seiner Breite oder seinem Durchmesser. Das ist für die meisten Bombardementzwecke gewöhnlich geeignet.
In einigen Fällen kann es jedoch vorzuziehen sein, ein Strahlmuster zu präsentieren, das elliptisch oder sogar rechteckig ist. Zum Beispiel, wenn ein Materialstreifen durch den Ionenstrahl bewegt wird, kann ein schmales aber breites Strahlmuster geeigneter sein. Das wird erreicht durch Ändern der Form der Anode 24 in eine elliptische oder rechteckige Form statt der Ringform, wie sie speziell in Fig. 1 dargestellt ist.
Es ist somit zu erkennen, daß die in der Einleitung angegebenen Ziele erreicht werden. In einigen Fällen besteht dieses Erreichen in einer Verbesserung der bekannten Ionenquellen, sowohl der mit Gitter als auch der ohne Gitter. Gleichzeitig sind einige ausgeprägte und einzigartige Merkmale beschrieben worden.
Es ist zwar eine besondere Ausführungsform der Erfindung gezeigt und beschrieben worden, und Alternativen sind wenigstens erwähnt worden, dem Fachmann ist jedoch klar, daß Änderungen und Modifikationen gemacht werden können, ohne den Schutzumfang der beigefügten Ansprüche zu verlassen. Deshalb ist es das Ziel der beigefügten Ansprüche, alle diese Änderungen und Modifikationen als in den Schutzumfang der Ansprüche fallend abzudecken.

Claims

1. Ionenquelle mit:

einer Einrichtung (52) zum Einleiten eines Gases, das ionisierbar ist, um ein Plasma zu erzeugen, in ein Gebiet innerhalb der Quelle;

einer Anode (24) , die innerhalb der Quelle nahe einem longitudinalen Ende des Gebietes angeordnet ist;

einer Katode (22), die nahe dem anderen longitudinalen Ende des Gebietes angeordnet und von der Anode beabstandet ist;

einer Einrichtung (82) zum Einprägen einer Potentialdifferenz zwischen der Anode (24) und der Katode (22), um Elektronen zu erzeugen, die insgesamt in einer longitudinalen Richtung von der Katode zu einer Anode beim Bombardement des Gases strömen, um das Plasma zu erzeugen; und

einer Einrichtung (26), die innerhalb der Quelle vorgesehen ist, um in dem Gebiet ein Magnetfeld aufzubauen, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetfeldaufbaueinrichtung (26) das Magnetfeld mit einer Stärke aufbaut (26, 30, 34, 36), die in der Richtung von der Anode (24) zu der Katode (22) und der Richtung, die das Feld insgesamt zwischen der Anode (24) und der Katode (22) hat, abnimmt, und daß die Einleiteinrichtung (52) eine gleichmäßige Verteilung des Gases in einer Querrichtung über dieses Gebiet erzeugt.

2. Ionenquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetfeldaufbaueinrichtung (26) einen Magnet (26) aufweist, der gänzlich außerhalb und auf der Seite der Anode (24), die von dem Gebiet in der longitudinalen Richtung entfernt ist, angeordnet ist.

3. Ionenquelle mit:

einer Einrichtung (52) zum Einleiten eines Gases, das zum Produzieren eines Plasmas ionisierbar ist, in ein Gebiet innerhalb der Quelle;

einer Anode (24), die innerhalb der Quelle nahe einem longitudinalen Ende des Gebietes angeordnet ist;

einer Katode (22), die nahe dem anderen longitudinalen Ende des Gebietes und mit Abstand von der Anode angeordnet ist;

einer Einrichtung (82) zum Einprägen einer Potentialdifferenz zwischen der Anode (24) und der Katode (22), um Elektronen zu erzeugen, die insgesamt in einer longitudinalen Richtung von der Katode zu einer Anode bei dem Bombardement des Gases zum Erzeugen des Plasmas strömen; und

einer Einrichtung (26), die innerhalb der Quelle vorgesehen ist, zum Aufbauen eines Magnetfeldes innerhalb des Gebietes, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetfeldaufbaueinrichtung (26) das Magnetfeld mit einer Stärke aufbaut (28, 30, 34, 36), die in der Richtung von der Anode (24) zu der Katode (22) und der Richtung, die das Feld insgesamt zwischen der Anode (24) und der Katode (22) hat, abnimmt, und daß die Magnetfeldaufbaueinrichtung (26) einen Magnet (26) aufweist, der gänzlich außerhalb und auf der Seite der Anode (24) angeordnet ist, die in der longitudinalen Richtung von dem Gebiet abgewandt ist.

4. Ionenquelle nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetfeldaufbaueinrichtung (26) das Magnetfeld so erzeugt, daß es eine Stärke hat, die in der Richtung von der Anode (24) zu der Katode (22) kontinuierlich abnimmt.

5. Ionenquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der die Anode (24) eine zylindrische Form hat, um einen Ionenstrahl mit kreisförmigem Querschnitt über seinem Durchmesser zu erzeugen.

6. Ionenquelle nach Anspruch 5, bei der die innere Wand (48) der Anode sich in Richtung zu der Katode (22) nach außen verjüngt.

7. Ionenquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der die Anode (24) eine elliptische oder rechteckige Form hat, um einen Ionenstrahl mit einer Form zu erzeugen, die in einer Richtung breiter als in der quer zu der einen Richtung gelegenen Richtung ist.

8. Ionenquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei der die Aufbaueinrichtung (26) ein ferromagnetisches Material (28, 36) aufweist, das eine Permeabilität hat, die wesentlich größer als eins ist, um die Verteilung der Stärke innerhalb des Magnetfeldes zu formen und zu steuern, und bei der das ferromagnetische Material, welches den Magnetflußrückweg (30, 34) außerhalb des Gebietes schließt, eine relative Permeabilität aufweist, die wenigstens ungefähr zwei Größenordnungen größer als eins ist.

9. Ionenquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Aufbaueinrichtung (26) wenigstens ein Element aufweist, das von der Anode (24) und der Katode (22) elektrisch isoliert ist.

10. Ionenquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei der die Aufbaueinrichtung (26) ein Plasmapotential aufbaut, das sich quer zu dem Pfad zwischen der Anode (24) und der Katode (22) verändert, aber ein Bruchteil der und wesentlich kleiner als die Plasmapotentialdifferenz zwischen der Nähe der Katode und der Nähe der Anode ist, wobei die Veränderung des Plasmapotentials in Querrichtung zum Steuern der Fokussierung oder Defokussierung des Ionenstrahls dient.

11. Ionenquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 10, bei der die Aufbaueinrichtung (26) einen ersten ringförmigen Polschuh (28) aufweist, der auf der Seite der Anode (24) angeordnet ist, die von dem Gebiet abgewandt ist, und benachbart zu und axial ausgerichtet mit der Anode, und einen zweiten ringförmigen Polschuh (36), der von dem ersten Polschuh (28) zu der Katode (22) hin beabstandet ist und mit der Anode (24) axial ausgerichtet ist.

12. Ionenquelle nach Anspruch 11, bei der das Innere des zweiten Polschuhs (36) außerhalb eines Vorsprungs der inneren Wand der Anode zu der Katode hin angeordnet ist.

13. Ionenquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 12, bei der die Aufbaueinrichtung (26) weiter eine Einrichtung aufweist zum Verteilen des Feldes in dem Gebiet.

14. Ionenquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 13, bei der die Aufbaueinrichtung (26) eine Einrichtung aufweist zum Aufbauen des Feldes, die auf der Seite der Anode (24) angeordnet ist, die von der Katode (22) entfernt ist.

15. Ionenquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 14, bei der die Katode (22) durch eine äußere Stromquelle elektrisch beheizt wird und stromabwärts in dem Strom von Ionen angeordnet ist, der innerhalb des Plasmas erzeugt wird, und an einer Stelle, wo die Stärke des Magnetfeldes relativ zu der Stärke des Feldes anderswo in dem Gebiet gering ist.

16. Ionenquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 15, bei der die Einleiteinrichtung (52) eine Einrichtung (42, 44, 54) aufweist zum Steuern der Verteilung des Gases, um die Dichte des Plasmas stromabwärts der Anode (24) in der Richtung des Ionenstroms zu steuern und dadurch die Anode-Katode-Potentialdifferenz zu steuern.

17. Ionenquelle nach Anspruch 16, bei der die Einleit(52)- und die Verteil(42, 44, 54)-Einrichtung eine Einrichtung (44) aufweist, um das Gas bei dem Durchgang durch denjenigen Teil des Gebietes, der bedeutsam und direkt durch die Anode (24) beeinflußt wird, im wesentlichen gleichmäßig zu verteilen.

18. Ionenquelle nach Anspruch 16 oder 17, die weiter eine Einrichtung aufweist zum Einleiten eines Teils des Gases in das Gebiet zwischen der Katode (22) und der Anode (24).

19. Ionenquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 18, bei der die Einleiteinrichtung (52) von der Anode (24) und der Katode (22) elektrisch isoliert ist.

20. Ionenquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 19, bei der das Gas in das Gebiet über (46) die Anode von dem Ende der Anode aus eingeleitet wird, das von der Katode (22) entfernt ist.

21. Ionenquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 20, bei der die Potentialdifferenz ΔVp zwischen zwei Orten, die längs der Richtung zwischen der Anode und der Katode gegenseitigen Abstand aufweisen, im wesentlichen durch folgende Beziehung ausgedrückt wird

ΔVp = (kTe/e) 1n (B/Bo),

wobei k die Boltzman-Konstante ist, Te die Elektronentemperatur in ºK, e die Elektronenladung ist, und B und Bo die Magnetfeldstärken an den beiden längs der Richtung beabstandeten Orten sind.