DE4017288A1 - Ionenfalle fuer ionen niedriger energie - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein eine Ionenfalle für ein Elektronen-Injektorsystem, um das Triften von positi­ ven Ionen in einen Elektronenstrahlerzeugerbereich zu verhin­ dern, wo diese Ionen sonst zu einer Katode des Elektronen­ strahlerzeugers hin beschleunigt werden und auf sie auftref­ fen können.

Im Betrieb erzeugt ein Elektronenstrahl von einem Elektronen­ strahlerzeuger längs seines Weges Ionen aus den Restgasen in dem Gerät, wenn Gasmoleküle durch den Elektronenstrahl ge­ troffen werden. Durch den Elektronenstrahl erzeugte positive Ionen können in den Strahlerzeuger-Elektrodenbereich trif­ ten, wo sie dann leicht, durch das Potential der Strahlerzeu­ ger-Elektroden fokussiert, zu der Katode hin beschleunigt werden und auf sie auftreffen.

Die Lebensdauer einer Katode in einem Elektronen-Injektor- System wird durch Verdampfungs- und Zerstäubungseffekte beschränkt. Falls die Katode mit Ionen hoher Energie bombar­ diert wird, wird das Katodenmaterial zerstäubt und es ent­ steht ein Schaden, der die wirksame Betriebslebensdauer der Katode begrenzt. Deswegen werden bei manchen Systemen Ionen­ fallen benutzt, um die Ionen einzufangen, bevor sie in einen Beschleunigungsbereich um eine Strahlerzeuger-Elektrode ein­ treten. Das kann dadurch geschehen, daß eine Platte in den Ionenweg gestellt wird, damit die Ionen auf die Platte auf­ treffen, statt in den Elektrodenbereich zu triften. Bei An­ wendungen, bei denen die Elektronen den gleichen Weg in der umgekehrten Richtung laufen, wie die von ihnen erzeugten Ionen, müssen die Ionen auf andere Weise, z. B. elektrosta­ tisch, zur Platte hin abgelenkt werden.

US-PS 47 43 794 stellt eine Art von Ionenfalle für eine Kato­ denstrahlröhre vor. Bei dieser Röhrenart besitzt eine Halb­ leiterkatode einen ringförmigen Emissionsbereich, der eine Zentralachse der Röhre umgibt. Ein erstes Elektrodengitter bei der Katode besitzt eine Öffnung, die sich ausreichend weit von der Achse erstreckt, um von dem Ringbereich emit­ tierte Elektronen durchzulassen. Eine weitere Elektrode, ein Schirmgitter, ist weiter von der Katode entfernt angeordnet und wird mit einem höheren Potential als die erste Elektrode betrieben, so daß eine positive Linse gebildet wird, die den ringförmigen Elektronenstrahl zu einer Überkreuzung ungefähr im Bereich einer Öffnung im Schirmgitter konvergieren läßt, durch die der Elektronenstrahl hindurchtritt. Die Öffnung im Schirmgitter besitzt einen geringeren Durchmesser als der ringförmige Emissionsbereich, so daß irgendwelche positive Ionen, die in der Nähe der Achse erzeugt werden und durch die Öffnung im Schirmgitter hindurchtreten, parallel zur Achse beschleunigt werden und im Zentralbereich der Katode auftreffen. Sie können damit den ringförmigen Emissionsbe­ reich nicht treffen. Positive Ionen, die weiter von der Achse weg erzeugt werden, werden in eine Richtung beschleu­ nigt, die von der Achse und der Öffnung im Schirmgitter weg­ führt. Diese Auslegung hindert die Mehrzahl von in der Röhre erzeugten positiven Ionen daran, auf den ringförmigen Emiss­ ionsbereich der Katode aufzutreffen. Die einzigen positiven Ionen, die auf den ringförmigen Emissionsbereich auftreffen, sind solche, die in einem engen Bereich zwischen der Katode und der ersten Elektrode entstehen. Diese Elektronen besit­ zen jedoch eine relativ geringe Energie, so daß sie im Emis­ sionsbereich nur wenig Schaden anrichten können.

US-PS 35 86 901 stellt eine weitere Art von Ionenfalle dar, mit der die Auftreffgeschwindigkeit positiver Ionen auf Elek­ tronenstrahlerzeuger-Katoden reduziert wird. Diese Ionenfal­ le enthält zwei Titananoden in engem Abstand voneinander mit öffnungen, durch welche der Elektronenstrahl von der Katode läuft. Die der Katode am nächsten liegende Anode besitzt eine kleinere Öffnung und wird mit einem höheren positiven Potential bezüglich der Katode als die andere Anode betrie­ ben. Dadurch wird ein Potentialberg erzeugt und jedes außer­ halb des Bereichs zwischen der Katode und Anode erzeugte po­ sitive Ion muß diesen Berg überwinden, bevor es zu der Kato­ de hin angezogen wird.

US-PS 47 20 832 beschreibt einen weiteren Gerätetyp, mit dem verhindert wird, daß Verunreinigungsionen ein optisches Fen­ ster in einem Laser verunreinigen. Das Gerät dieses US-Pa­ tents enthält Magnetpaare an jeder Seite der optischen Achse, die geladene Partikel, welche sich längs der Achse zu dem Fenster hin bewegen, mit Magnetfeldern beaufschlagen, um sie so von der Achse weg ablenken. Eine Anzahl von Ringschei­ ben mit Öffnungen längs der Achse sind mit Abstand von den Magneten so angeordnet, daß die abgelenkten geladenen Parti­ kel an den Ringscheiben gesammelt werden.

Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte und wirksame Ionenfalle zu schaffen, um durch einen Elektro­ nenstrahl in einem Elektronen-Injektor-System erzeugte Ionen daran zu hindern, in einen Beschleunigungsbereich eines Elek­ tronenstrahl-Erzeugers des Systems einzutreten, wobei die Io­ nenfalle wirksam durch den Elektronenstrahl bei seinem Hin­ durchtreten selbst erregt wird und einen breiten Bereich von Ionen niedrigerer Energie einfangen kann.

Eine erfindungsgemäße Ionenfalle besteht aus mindestens zwei als Sektor eines Zylinders ausgebildeten Elementen, die Ele­ mente sind mit Abstand voneinander angeordnet, formen ein zy­ lindrisches Gebilde, und jedes Element besitzt Endplatten und eine Anzahl von sich im wesentlichen parallel zu den End­ platten nach innen zur Mitte des zylindrischen Gebildes hin erstreckenden Rippen, einen Einschnitt in Form eines Kreis­ sektors, der in den Endplatten und den Rippen in der Nähe des Zentrums angeordnet ist und eine Mittelbohrung bildet, durch die ein Elektronenstrahl von dem Elektronenstrahl-Er­ zeuger läuft, wobei die Elemente elektrisch leitend und an mit je einem isolierenden Element einer Außenhülle befestigt sind, und es ist ein leitfähiger Draht elektrisch mit jedem Element verbunden, um dieses Element auf einem vorbestimmten Potential zu halten.

Bei einer bevorzugten Ausführung der Erfindung besitzt die Zentralbohrung im wesentlichen den gleichen Durchmesser wie der Elektronenstrahl.

Bei einer weiteren bevorzugten Ausführung der Erfindung sind zwei Elemente vorhanden mit jeweils halbzylindrischem Auf­ bau.

Bei einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführung sind vier Elemente vorhanden mit jeweils der Form eines Viertelzylin­ ders, und die Spannung jedes Sektors wird auf einem unter­ schiedlichen Wert gehalten.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung bei­ spielsweise näher erläutert; in dieser zeigt:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer bevorzugten Aus­ führung eines Elektronenstrahlgeräts mit einer erfin­ dungsgemäßen Ionenfalle.

Ein Elektronenstrahl wird in Fig. 1 durch eine Katode 1 er­ zeugt und durch eine Anode 2 längs einer Mittellinie 12 zu einem Beschleuniger 5 hin beschleunigt. Der Elektronenstrahl wird durch Spulen 3 und 4 fokussiert, zwischen denen eine Io­ nenfalle angeordnet ist. Die Ionenfalle besteht aus zwei halbzylindrischen Elementen 10 und 11, die gegeneinander iso­ liert und mit Abstand voneinander angeordnet sind. Die halb­ zylindrischen Elemente 10 und 11 besitzen zentrale halbkreis­ förmige Öffnungen an ihren einander zugewendeten Seiten, und die Öffnungen bilden eine Zentralbohrung, welche die Mittel­ linie 12 umgibt, längs der der Elektronenstrahl läuft. Das Element 10 ist an einer Stütze 15 mit einem isolierten kera­ mischen Abstandshalter 6 angebracht, während das Element 11 an der Stütze 15 mit einem isolierenden keramischen Abstands­ halter 7 angebracht ist. Die Stütze 15 kann z. B. der Außen­ mantel des Geräts sein.

Jedes halbzylindrische Element besteht aus Titan und besitzt eine Anzahl von sich nach innen erstreckenden Rippen, so daß ein Prallplattenraum gebildet wird. Das Element 11 besitzt eine Endplatte 21 an dem katodenseitigen Ende und eine weite­ re Endplatte 25 am gegenüberliegenden Ende.

Die sich nach innen erstreckenden Rippen 22, 23 und 24 sind zwischen den Endplatten 21 und 25 angeordnet. In gleicher Weise besitzt das Element 10 Endplatten 21′ und 25′ und da­ zwischen Rippen 22′, 23′ und 24′. Jede Rippe und Platte ist mit einem zentralen halbkreisförmigen Einschnitt an der In­ nenkante versehen, und diese Einschnitte bilden zusammen die Mittelbohrung. Die halbkreisförmigen Einschnitte 16, 16′, 17 und 17′ in den Endplatten 21 bzw. 21′ und der benachbarten Rippe 22 bzw. 22′ sind gleich groß und besitzen parallel zu der Achse verlaufende ebene Innenkanten. Die nächste Rippe 23 bzw. 23′ hat jedoch einen etwas größeren zentralen Ein­ schnitt 18 bzw. 18′, und die darauffolgende Rippe 24 bzw. 24′ einen noch etwas größeren zentralen Einschnitt 19 bzw. 19′, und der Einschnitt 20 bzw. 20′ in der Endplatte 25 bzw. 25′ ist noch größer. Diese zuletzt erwähnten zentralen Ein­ schnitte bilden nicht eine zylindrische Zentralbohrung, wie die Einschnitte in der Endplatte 21 bzw. 21′ und der Rippe 22 bzw. 22′, sondern eine solche mit leicht konischer Form. Die Basis des Konus sitzt an einer Stelle, die am weitesten von der Katode abgewendet ist. Die Innenkanten der Öffnungen in den Rippen 23, 23′, 24 und 24′ und in den Endplatten 25 und 25′ sind so geneigt, daß sie zu der Oberfläche der Kegel­ form mit einem Neigungswinkel von ca. 7° parallel sind.

Der Innendurchmesser der durch die Endplatten 21, 21′ und die Rippen 22, 22′ ausgebildeten Mittelbohrung ist so ausge­ legt, daß der Strahl leicht die Kanten streift. Die Elemente 10 und 11 sind durch die Isolatoren 6 bzw. 7 gegeneinander isoliert. Die Elemente 10 und 11 werden damit durch die Elek­ tronen des Strahls durch den streifenden Strahl aufgeladen. Um das Fallenelement 10 auf ca. -1500 V zu halten, wird ein entsprechender Ableitwiderstand und ein Funkenspalt zwischen dem Element 10 und Masse über eine elektrische Zuleitung 8 angeschlossen. Wenn der Strahl abgeschaltet wird, entlädt sich das Element 10 langsam über den Ableitwiderstand und bleibt einige Zeit zu einem gewissen Grad funktionsbereit. Wenn so das Element 10 negativ aufgeladen ist, werden zu der Katode 1 hin triftende positive Ionen 30 in ihren Bahnen nach der Darstellung in Fig. 1 abgelenkt. Das zweite Element 11 der Falle kann über eine Zuleitung 9 oder durch einen wei­ teren Ableitwiderstand mit Funkenspalt an Masse angeschlos­ sen werden, wenn es gewünscht ist, das Element 11 auf einem gewissen Potential, z. B. -200 V, zu halten. In diesem Fall werden auch positive Ionen, die in enge Nachbarschaft zum zweiten Element 11 kommen, mit einer der Titanplatten im Ele­ ment 11 kollidieren. Die Zuleitungen 8 und 9 sind gegen die Stütze 15 durch Isolatoren 26 bzw. 27 isoliert.

Die Ionenfalle kann auch in mehr Elemente als zwei unter­ teilt sein. Beispielsweise kann die Ionenfalle aus vier Vier­ telsektor-Elementen bestehen, die auf noch weiter unterteil­ ten unterschiedlichen Potentialen gehalten werden können. Da­ durch ergibt sich ein noch größerer Bereich von Ionen niedri­ ger Energie, die eingefangen werden können.

Der Durchmesser der Durchgangsbohrung und die Ionenfalle werden miteinander so ausgelegt, daß sie eine einzige Stufe eines Differentialpumpsystems bilden. Die Eintrittsbohrung für den Elektronenstrahl muß sorgfältig an den Durchmesser des jeweiligen Elektronenstrahls angepaßt werden. Die Größe der Stahlabdeckung durch die Zentralöffnung an der Endplatte 21 und der Rippe 22 kann jedoch mit der Fokussierungsspule 3 eingestellt werden. Wenn bei dem System ein Auftreffen der Strahlrandbereiche auf den Rand der Öffnungen nicht ge­ wünscht wird, kann eine Hochspannungs-Leistungsversorgung an die Leitung 8 angeschlossen werden, um das entsprechende Po­ tential an dem Element 10 zu halten.

Durch in der Nähe der Katode angeordnete Ionenpumpen 40 und 41 kann die Anzahl von Gasmolekülen in dem Bereich auf einem niedrigen Wert gehalten werden.

Claims (14)

1. Ionenfalle für einen Elektronenstrahl-Erzeuger, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei elektrisch leitende Elemente (10, 11) in Form eines Zylindersektors vorgese­ hen sind, die voneinander mit Abstand angeordnet sind und zusammen ein zylindrisches Gebilde formen, wobei jedes Element (10, 11) Endplatten (21′, 25′; 21, 25) und eine Anzahl von Rippen (22′, 23′, 24′; 22, 23, 24) besitzt, welche im wesentlichen parallel zu den Endplatten (21, 25) nach innen zur Mitte des zylindrischen Gebildes abste­ hen, daß ein kreissektorförmiger Einschnitt (16′, 17′, 18′, 19′, 20′; 16, 17, 18, 19, 20) in der Nähe des Zen­ trums ausgebildet ist und eine Zentralbohrung bildet, durch die ein Elektronenstrahl von einem Elektronen­ strahl-Erzeuger (1) läuft; daß die Elemente an einem Au­ ßenmantel (15) durch isolierende Elemente (6, 7) ange­ bracht sind mit je einer an jedem Element angeschlossenen Zuleitung (8, 9), um das Element auf einem vorbestimmten Potential zu halten, und daß die Zentralbohrung im wesent­ lichen den gleichen Durchmesser wie der Elektronenstrahl besitzt.

2. Ionenfalle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die am nächsten zum Elektronenstrahl-Erzeuger (1) sitzen­ den Endplatten (21; 21′) und die benachbarten Rippen (22; 22′) jeweils Einschnitte (16, 17; 16′, 17′) identischer Größe besitzen, die eine zylindrische Zentralbohrung bilden, während die Einschnitte (18, 19, 20; 18′, 19′, 20′) in den anderen Rippen (23, 24; 23′, 24′) bzw. Endplatten (25; 25′) mit zunehmendem Abstand vom Elektronenstrahl-Er­ zeuger (1) langsam größer werden, um so eine konische Zen­ tralbohrung zu bilden mit geringer Steigung, deren Grund­ fläche in der am weitesten vom Elektronenstrahl-Erzeuger (1) entfernten Endplatte (25; 25′) sitzt.

3. Ionenfalle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Steigung der konischen Zentralbohrung etwa 7° be­ trägt.

4. Ionenfalle nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die durch die Einschnitte (16, 17; 16′, 17′) in den dem Elektronenstrahl-Erzeuger am nächsten sitzenden Endplat­ ten (21; 21′) und benachbarten Rippen (22; 22′) parallel zur Zentralachse (12) liegen und die durch die Einschnit­ te (18, 19, 20; 18′, 19′, 20′) in den anderen Rippen (23, 24; 23′, 24′) und Endplatten (25; 25′) parallel zur Konus­ verjüngung geneigt sind.

5. Ionenfalle nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die zylindrische Bohrung einen geringfügig kleineren Durchmesser als der Elektronenstrahl an dieser Stelle be­ sitzt, so daß der Umfang des Strahls die Innenkanten der Bohrung streift, um die Elemente (10, 11) aufzuladen, daß die Zuleitungs (8 oder 9) zu mindestens einem Element (10 oder 11) über einen Ableitwiderstand und einen Luftspalt mit Masse verbunden ist, um das Element auf einem vorbe­ stimmten Potential zu halten.

6. Ionenfalle nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die zylindrische Bohrung einen etwas größeren Durchmesser als der Elektronenstrahl an dieser Stelle besitzt, und daß die Zuleitung zu mindestens einem Element mit einer Hochspannungsquelle verbunden ist, um das zugehörige Ele­ ment auf einer vorbestimmten Spannung zu halten.

7. Ionenfalle nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Elemente (10, 11) einschließlich Endplatten (21, 25; 21′, 25′) und Rippen (22, 23, 24; 22′, 23′, 24′) aus Titan ge­ bildet sind.

8. Ionenfalle nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Elemente einschließlich Endplatten und Rippen aus Titan gebildet sind.

9. Ionenfalle nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwei halbzylindrische Elemente vorgesehen sind.

10. Ionenfalle nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß vier Elemente in Form von Viertelzylindern vorgesehen sind und daß die Zuleitungen zu den Elementen auf unter­ schiedlichen vorbestimmten Potentialen gehalten sind.

11. Ionenfalle nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuleitung zu mindestens einem anderen Element mit Masse verbunden ist.

12. Ionenfalle nach Anspruch 6, daß zwei halbzylindrische Elemente vorgesehen sind.

13. Ionenfalle nach Anspruch 6,daß vier Elemente in Form von Viertelzylindern vorgesehen sind und daß die Zuleitungen zu den Elementen auf unterschiedlichen vorbestimmten Po­ tentialen gehalten sind.

14. Ionenfalle nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuleitung zu mindestens einem anderen Element mit Masse verbunden ist.