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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine schnelle
Atomstrahlquelle, die fähig ist, einen schnellen
Atomstrahl bzw. einen Strahl schneller Atome wirksam
auszusenden.
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Atome und Moleküle, die thermischen kinetischen vorgängen
in der Atmosphäre bei Raumtemperatur unterworfen sind,
besitzen eine kinetische Energie von ungefähr 0,05 eV.
Atome und Moleküle, die mit viel größerer kinetischer
Energie fliegen als die obigen werden im allgemeinen
"schnelle Atome" genannt, und wenn eine Gruppe von
solchen schnellen Atomen in Form eines Strahls in eine
Richtung fliegt, wird dieser "schneller Atomstrahl" genannt.
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Figur 2 zeigt ein Beispiel für eine schnelle
Atomstrahlquelle, die aus EP-A-0 430 081 bekannt ist, die Argon-
Atome mit einer kinetischen Energie von 0,5 bis 10keV
aussendet, und zwar unter herkömmlichen schnellen
Atomstrahlquellen, die dazu konstruiert sind, um einen
schnellen Strahl von Gasatomen zu erzeugen. In der Figur
bezeichnet das Bezugszeichen 1 eine zylindrische Kathode,
2a eine torusförmige Anode, 3 eine
Gleichstromhochspannungsleistungsversorgung von 0,5 bis 10 kV, 4 eine
Gasdüse, die als Gaseinführ- bzw. Gaseinleitungsmittel dient,
5 Argon-Gas, 6 ein Plasma, 7 atomaussendende Löcher, 8
einen schnellen Atomstrahl, und 9 einen
Entladungsstabilisierungswiderstand.
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Die Aufbauelemente außer der
Gleichstromhochspannungsleistungsversorgung 3 und dem
Entladungsstabilisierungswiderstand
9 sind in einem Vakuumbehälter angeordnet.
Nachdem der Vakuumbehälter ausreichend evakuiert worden ist,
wird Argon-Gas 5 ins Innere der zylindrischen Kathode 1
von der Gasdüse 4 injiziert bzw. eingespritzt. In der
Zwischenzeit wird eine Gleichstromhochspannung zwischen
der torusförmigen Anode 2 und der zylindrischen Kathode 1
angelegt, und zwar von der
Gleichstromhochspannungsleistungsversorgung 3 in einer solchen Weise, daß die Anode
2 ein positives Potential besitzt und die Kathode 1 ein
negatives Potential. Folglich tritt eine Gasentladung
zwischen der Kathode 1 und der Anode 2 auf, um ein Plasma
6 zu erzeugen, wobei somit Argon-Ionen und Elektronen
erzeugt werden. Während dieses Prozesses werden Elektronen,
die von der Bodenfläche 10 der zylindrischen Kathode 1
ausgesandt werden, zur Anode 2 hin beschleunigt und gehen
durch das Mittelloch in der Anode 2 hindurch, um die
Bodenfläche 11 am anderen Ende der Kathode 4 zu erreichen.
Die Elektronen, die die Bodenfläche 11 erreichen,
verlieren dort ihre Geschwindigkeit. Dann kehren die Elektronen
um und werden zur Anode 2 hin heschleunigt;. Somit
oszillieren die Elektronen mit hoher Frequenz zwischen den
beiden Bodenflächen 10 und 11 der zylindrischen Kathode 1
durch das Mittelloch in der Anode 2. Während sie die
Hochfrequenzoszillation ausführen, kollidieren die
Elektronen mit dem Argon-Gas, um eine große Anzahl von Argon-
Ionen zu erzeugen.
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Die auf diese Weise erzeugten Argon-Ionen werden zur
Bodenfläche 11 der zylindrischen Kathode 1 beschleunigt, um
eine ausreichend große kinetische Energie zu erhalten.
Die kinetische Energie, die dieses Mal erhalten wird, ist
ungefähr 1 keV, wenn die Spannung, die zwischen der Anode
2 und der Kathode 1 angelegt bzw. geliefert wird,
beispielsweise 1 kV ist. Der Raum in der Nachbarschaft der
Bodenfläche 11 der zylindrischen Kathode 1 bildet einen
Wendepunkt für Elektronen, die bei hoher Frequenz
oszillieren, wobei eine große Anzahl von Elektronen in einem
niedrigen Energiezustand anwesend sind. Somit kehren
Argon-Ionen, die in diese Region eintreten, zu Argon-Atomen
durch Kollision und Rekombination bzw.
Wiederzusammenstellung mit Elektronen zurück. Bei der Kollision
zwischen Ionen und Elektronen liefern die Argon-Ionen, da
die Masse der Elektronen viel geringer ist als die der
Argon-Ionen, so daß sie ignoriert werden kann, die
kinetische Energie an die Atome, ohne irgendeinen
wesentlichen Verlust, wobei somit schnelle Atome gebildet werden.
Dementsprechend ist die kinetische Energie der schnellen
Atome ungefähr 1 keV. Die schnellen Atome werden in Form
eines schnellen Atomstrahls 8 nach außen durch die Atome
emittierenden bzw. aussendenden Löcher 7 ausgestoßen, die
in der Bodenfläche 11 der zylindrischen Kathode 1
vorgesehen sind.
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Bei der herkömmlichen schnellen Atomstrahlquelle, die in
Figur 2 gezeigt ist, gibt es jedoch, da die elektrische
Kraftlinie in der Entladungsregion nicht senkrecht zur
Kathode ist, sondern in unregelmäßiger Form aufgrund der
torusförmigen Anode und der zylindrischen Kathode
verteilt ist, ein Problem, daß die Richtungshaltigkeit bzw.
Richtungskonstanz des schnellen Atomstrahls nicht
zufriedenstellend ist. Dieses Problem wird insbesondere
ausgesprochen, wenn ein schneller Atomstrahl mit einem großen
Durchmesser erzeugt wird. Zusätzlich variiert die Rate
bzw. Geschwindigkeit der Neutralisierung mit der
Veränderung der Rate, mit der das Gas in die zylindrische
Kathode 1 eingeleitet wird. Die Rate der Neutralisierung
bedeutet hier das Verhältnis der Anzahl von neutralisierten
schnellen Atompartikeln zur Gesamtzahl der Partikel, die
im Strahl ausgesandt werden. Im Fall der herkömmlichen
schnellen Atomstrahlquelle, die in Figur 2 gezeigt ist,
ist die Rate der Neutralisierung im Bereich von 30% bis
60%.
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Im Hinblick auf den oben beschriebenen Stand der Technik
ist es ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine klein
bemessene schnelle Atomstrahlquelle vorzusehen, die fähig
ist, wirkungsvoll Ionen zu neutralisieren und einen
schnellen Atomstrahl mit ausgezeichneter
Richtungshaltigkeit auszusenden.
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Um die oben beschriebenen Ziele zu verwirklichen, sieht
die vorliegende Erfindung eine schnelle Atomstrahlquelle
vor, die folgendes aufweist: ein Gehäuse; eine
plattenförmige Kathode, die in dem Gehäuse vorgesehen ist, und
die eine Vielzahl von atomaussendenden Löchern besitzt,
und zwar mit einer Länge, die größer ist als der
Durchmesser dieser Löcher; eine plattenförmige Anode, die in
dem Gehäuse vorgesehen ist, um zur plattenförmigen
Kathode hinzuweisen; Mittel zum Einleiten von Gas in das
Gebiet zwischen der plattenförmigen Kathode und der
plattenförmigen Anode; und eine
Gleichstromhochspannungsleistungsversorgung, die außerhalb des Gehäuses und zwischen
der plattenförmigen Kathode und der plattenförmigen Anode
vorgesehen ist, und zwar zum Einleiten einer elektrischen
Entladung in das Gebiet zwischen der plattenförmigen
Anode und der plattenförmigen Kathode. Die atomaussendenden
Löcher in der plattenförmigen Kathode besitzen
vorzugsweise eine Länge, die im Bereich von 1 bis 100 mal ihres
Durchmesers sind.
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Wenn die negativen und positiven Potentiale von der
Gleichstromhochspannungsleistungsversorgung an die
plattenförmige
Kathode bzw. die plattenförmige Anode angelegt
werden, die gegenüberliegend zueinander angeordnet sind,
leitet das Gas, welches in das Gebiet zwischen den beiden
Elektronen eingeleitet wird, eine Gasentladung ein, um
ein Plasma zu erzeugen, wodurch somit Ionen erzeugt
werden. Die so erzeugten Ionen werden zur plattenförmigen
Kathode hin beschleunigt, die im negativen Potential
angeordnet ist, werden in und nahe der Vielzahl von
atomaussendenden Löchern neutralisiert, und werden in
Form eines schnellen Atomstrahls von den atomaussendenden
Löchern nach außen emittiert. Mittels der plattenförmigen
Anode und der Kathode, die angeordnet sind, um zueinander
hinzuweisen, wird ein Strahl mit ausgezeichneter
Richtungshaltigkeit gebildet und insbesondere in dem Fall,
daß die Länge der atomaussendenden Löcher größer gemacht
werden als ihr Durchmesser, werden Ionenpartikel bei
hoher Geschwindigkeit bzw. Rale neutralisiert, während sie
durch die atomaussendenden Löcher hindurchlaufen, was
eine Vergrößerung der Neutralisierungsrate des Atomstrahls
zur Folge hat.
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Die obigen und andere Ziele, Merkmale und Vorteile der
vorliegenden Erfindung werden offensichtlicher aus der
folgenden Beschreibung, wenn sie in Verbindung mit den
Begleitzeichnungen gesehen wird, in denen ein bevorzugtes
Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung mittels
veranschaulichender Beispiele gezeigt ist.
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Figur 1 veranschaulicht eine schnelle Atomstrahlquelle
gemäß eines Ausführungsbeispiels der
vorliegenden Erfindung; und
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Figur 2 veranschaulicht eine schnelle Atomstrahlquelle
gemäß eines Standes der Technik.
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Figur 1 veranschaulicht eine schnelle Atomstrahlquelle
gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden
Erfindung. Das Bezugszeichen 21 bezeichnet eine plattenförmige
Kathode, 22 eine plattenförmige Anode und 23 ein
Isoliergehäuse (Keramik). Wie veranschaulicht, ist die
plattenförmige Kathode 21 mit einer Vielzahl von
atomaussendenden Löchern versehen, während die plattenförmige Anode 22
mit gaseinleitenden Löchern 24 versehen ist.
Bezugszeichen, die den Figuren 1 und 2 gemeinsam sind, bezeichnen
Elemente, die die gleichen Funktionen besitzen, daher
wird die Beschreibung dieser Elemente weggelassen. Die
schnelle Atomstrahlquelle in diesem Ausführungsbeispiel
arbeitet wie folgt.
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Die Zusammensetzungselemente außer der
Gleichstromhochspannungsleistungsversorgung 3 und dem
Eritladungsstabiiisierungswiderstand 9 sind in einem Vakuumbehälter
angeordnet, und nachdem der Vakuumbehälter ausreichend
evakuiert worden ist, wird ein Gas 5, beispielsweise Argon-Gas
dort hinein von einer Gasdüse 4 eingeleitet, die als
Gaseinleitungsmittel dient, und eine
Gleichstromhochspannung wird zwischen der plattenförmigen Kathode 21 und der
plattenförmigen Anode 22 von der
Gleichstromhochspannungsleistungsversorgung 3 eingeleitet, wobei die Kathode
21 und die Anode 22 bei einem negativen Potential bzw.
einem positiven Potential angeordnet sind. Folglich tritt
eine Gasentladung im Gebiet zwischen der plattenförmigen
Kathode 21 und der plattenförmigen Anode 22 auf. Als eine
Folge wird ein Plasma erzeugt und Gas-Ionen,
beispielsweise Argon-Ionen und Elektronen werden erzeugt. Danach
werden die Gas-Ionen, die so erzeugt werden, zur
plattenförmigen Kathode 21 durch das negative Potential
beschleunigt, das daran von der
Gleichstromhochspannungsleistungsversorgung
3 angelegt wird, um dadurch eine
große Energie zu erhalten. Die Gas-Ionen verlieren ihre
elektrischen Ladungen durch Kollision mit den Atomen und
Molekülen des Gases 5, welches in den atomaussendenden
Löchern 7 bleibt oder durch Rekombination mit Elektronen,
wodurch sie in schnelle Atome umgewandelt werden. Somit
werden die schnellen Atome in Form eines schnellen
Atomstrahls 8 nach außen aus den atomaussendenden Löchern 7
ausgesandt bzw. emittiert.
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Die atomaussendenden Löcher sind so geformt, daß ihre
Länge größer als ihr Durchmesser ist, d.h. die Länge ist
im Bereich von 1 bis 100 mal des Durchmessers. Somit
verlieren die Gas-Ionen, wenn sie durch die atomaussendenden
Löcher 7 hindurchgehen, die in der plattenförmigen
Kathode 21 vorgesehen sind, ihre elektrische Ladung und werden
durch Kollision mit den Atomen und Molekülen
neutralisiert, die darin bleiben, wobei somit ein schneller
Atomstrahl gebildet wird. Es ist wichtig, atomaussendende
Löcher mit einer ordnungsgemäßen bzw. geeigneten Länge
einzusetzen, um die Neutralisierungsrate der Ionen
anzuheben. Wenn die Länge der atomaussendenden Löcher 7 im
Bereich von mehreren Millimetern bis mehreren zehntel
Millimetern eingestellt wird, wenn ihr Durchmesser im
Bereich von 1 mm bis 2 mm liegt, kann eine hohe
Neutralisierungsrate (d.h. 80% oder mehr) im allgemeinen erhalten
werden. Die optimale Länge der atomaussendenden Löcher 7
hängt von der Art, dem Druck, usw. des Gases ab, welches
die Gasentladung einleitet. Obwohl die atomaussendenden
Löcher 7 ausreichend lang sein müssen, um es den Ionen zu
gestatten, in die atomaussendenden Löcher 7 einzutreten,
um mit einer hohen Rate neutralisiert zu werden, geht die
Energie verloren, die erforderlich ist, um den
erwünschten schnellen Atomstrahl zu bilden, wenn die Löcher 7
übermäßig lang sind, und zwar durch übermäßige Kollision
mit den übrigen Gaspartikeln.
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In dem in Figur 1 gezeigten Ausführungsbeispiel tritt das
Gas, beispielsweise Argon-Gas in das Isoliergehäuse
(Keramik) 23 von der Gasdüse 4 ein, die als ein
Gaseinleitungsglied dient, und geht durch die
Gaseinleitungslöcher 24 hindurch, die in der plattenförmigen Anode 22
vorgesehen sind, um in das Gebiet einzutreten, das als
eine Entladungsregion zwischen der plattenförmigen Anode
22 und der plattenförmigen Kathode 21 definiert ist.
Ionen, die von der Gasentladung erzeugt werden, werden zur
plattenförmigen Kathode 21 hin beschleunigt und werden in
Form eines schnellen Atomstrahls aus den atomaussendenden
Löchern 7 ausgesandt bzw. emittiert.
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Dementsprechend wird ein Strahl mit ausgezeichneter
Richtungshaltigkeit durch die Anordnung gebildet, die die
plattenförmige Anode 22 und die plattenförmige Kathode 21
aufweist, die angeordnet sind, um zueinander zu weisen
und mit der Vielzahl von atomaussendenden Löchern 7, die
in der plattenförmigen Kathode 21 vorgesehen sind. Wenn
in dieser Anordnung die plattenförmige Anode 22 mit einer
Vielzahl von gaseinleitenden Löchern 24 versehen ist,
wird der Fluß des Gases 5, beispielsweise Argon-Gas, noch
gleichförmiger, so daß die Gasdichte in der
Entladungsregion gleichförmig gemacht werden kann und die
Gasentladung kann stabil eingeleitet werden. Dementsprechend kann
ein gleichförmiger schneller Atomstrahl erhalten werden.
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Die Gasdüse, die als Gaseinleitungsmittel dient, kann
zwischen der plattenförmigen Anode 22 und der
plattenförmigen Kathode 21 angeordnet werden, wie vom Pfeil A in
Figur 1 bezeichnet. In diesem Fall besitzt die
plattenförmige
Anode 22 kein Gaseinleitungsloch 24. Ein Gas,
beispielsweise Argon-Gas, welches von außen eingeleitet
wird, tritt direkt in das Gebiet zwischen der
plattenförmigen Anode 22 und der plattenförmigen Kathode 21 ein und
erzeugt ein Plasma durch eine Gasentladung, wodurch es
somit Ionen erzeugt. Bei einer solchen Struktur kann Gas
senkrecht zum schnellen Atomstrahl 8 eingeleitet werden,
der ausgesandt bzw. emittiert wird. Daher kann diese
Struktur vorteilhafterweise in einem Fall eingesetzt
werden, bei dem Gas nicht von der Anodenseite geliefert wird
und sie ermöglicht auch eine Verringerung der Gesamtgröße
der Vorrichtung.
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Wie oben im Detail beschrieben, liefert die vorliegende
Erfindung eine klein bemessene und hochwirksame schnelle
Atomstrahlquelle, die fähig ist, einen schnellen
Atomstrahl mit einer hohen Neutralisierungsrate und mit
ausgezeichneter Richtungshaltigkeit auszusenden. Da der
schnelle Atomstrahl, der von der vorliegenden Erfindung
erhalten bzw. erlangt wird, elektrisch neutral ist, kann
er somit effektiv nicht nur auf Metalle und Halbleiter
aufgebracht werden, sondern auch auf Isolatoren, wie
beispielsweise Plastik, Keramik usw., auf die die
Ionenstrahltechnik nicht effektiv bzw. wirkungsvoll angewandt
werden kann, und zwar bei der Zusammensetzungsanalyse,
bei der Feinverarbeitung, usw.
Schnelle Atomstrahlquelle
ZUSAMMENFASSUNG DER OFFENBARUNG
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Eine klein bemessene schnelle Atomstrahlquelle, die fähig
ist, Ionen mit einer hohen Geschwindigkeit bzw. Rate zu
neutralisieren, und einen schnellen Atomstrahl
wirkungsvoll und mit ausgezeichneter Richtungshaltigkeit
auszusenden, wobei ein Gas in das Gebiet zwischen der
plattenförmigen Kathode mit einer Vielzahl von atomaussendenden
Löchern und einer plattenförmigen Anode eingeleitet wird,
welche gegenüberliegend zur Kathode angeordnet ist, um
eine Gasentladung durch eine
Gleichstromhochspannungsleistungsversorgung einzuleiten, wodurch ein Plasma gebildet
wird, und Ionen, die vom Plasma erzeugt werden, werden
zur Kathode hin beschleunigt und in oder nahe den
atomaussendenden Löchern neutralisiert, welche eine
größere Länge als ihr Durchmesser besitzen, wodurch ein
schneller Atomstrahl mit einer hohen Neutralisierungsrate
ausgesandt wird.