EP2047497A2 - Ionenquelle zur erzeugung negativ geladener ionen - Google Patents

Ionenquelle zur erzeugung negativ geladener ionen

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Publication number
EP2047497A2
EP2047497A2 EP07786360A EP07786360A EP2047497A2 EP 2047497 A2 EP2047497 A2 EP 2047497A2 EP 07786360 A EP07786360 A EP 07786360A EP 07786360 A EP07786360 A EP 07786360A EP 2047497 A2 EP2047497 A2 EP 2047497A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
tubular portion
ion source
combustion chamber
source according
outlet opening
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP07786360A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Jens Peters
Hans-Hinrich Sahling
Ingo Hansen
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Deutsches Elektronen Synchrotron DESY
Original Assignee
Deutsches Elektronen Synchrotron DESY
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Filing date
Publication date
Application filed by Deutsches Elektronen Synchrotron DESY filed Critical Deutsches Elektronen Synchrotron DESY
Publication of EP2047497A2 publication Critical patent/EP2047497A2/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J27/00—Ion beam tubes
    • H01J27/02—Ion sources; Ion guns
    • H01J27/028—Negative ion sources
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J37/00—Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
    • H01J37/02—Details
    • H01J37/04—Arrangements of electrodes and associated parts for generating or controlling the discharge, e.g. electron-optical arrangement or ion-optical arrangement
    • H01J37/08—Ion sources; Ion guns
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
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    • H01J2237/02—Details
    • H01J2237/0203—Protection arrangements
    • H01J2237/0213—Avoiding deleterious effects due to interactions between particles and tube elements
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    • H01J2237/061—Construction
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    • H01J2237/06—Sources
    • H01J2237/08—Ion sources
    • H01J2237/0815—Methods of ionisation
    • H01J2237/0817—Microwaves
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    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J2237/00—Discharge tubes exposing object to beam, e.g. for analysis treatment, etching, imaging
    • H01J2237/30—Electron or ion beam tubes for processing objects
    • H01J2237/317—Processing objects on a microscale
    • H01J2237/31701—Ion implantation

Definitions

  • Ion source for generating negatively charged ions
  • the present invention relates to an ion source for generating negatively charged ions having a cover plate in which an outlet opening is provided with a wall surrounding a combustion chamber, wherein the wall has a tubular portion which extends from the outlet opening and is formed of an insulator material, and a rear wall, wherein the rear wall is arranged at the end of the tubular portion, which is opposite to the outlet opening, and closes the combustion chamber, with a coupling coil whose windings are arranged around the tubular portion of the wall outside the combustion chamber, and with a filter field magnet, which is arranged adjacent to the outlet opening, wherein the filter field magnet is designed such that the field lines of the filter field magnet extending transversely to the direction of extension of the tubular section.
  • Ion sources are generally used whenever atoms are to be accelerated by means of electromagnetic fields. On the one hand, this is the case in accelerator plants for scientific purposes, where in the field of nuclear and particle physics high-energy ions are collided with each other or with stationary targets.
  • some of the electrons of the shell are removed from the respective atoms by a plasma in an ion source, so that the remaining ions are then positively charged and can be extracted by a simultaneously applied electric field.
  • tandem accelerators in which the center of an acceleration section is at positive potential, it is necessary to generate initially negatively charged ions, which are then accelerated by the potential to the center of the acceleration section to be "stripped" there So to lose some of the electrons, and thus to be reloaded from negative to positive ions. Due to the now repelling potential for the ions they are accelerated again.
  • the principle of the tandem accelerator has the advantage that the acceleration potential is utilized several times.
  • an ion source is known for this purpose with a closure plate in which an outlet opening is provided and with a wall surrounding a combustion chamber, wherein the wall has a tubular portion extending from the outlet opening extends and is formed of an insulator material, and has a rear wall.
  • the rear wall is arranged at the end of the tubular portion, which is opposite to the outlet opening, wherein the rear wall closes the combustion chamber.
  • a coupling coil is provided, the windings are arranged around the tubular portion of the wall outside of the combustion chamber to couple a high frequency field in the combustion chamber.
  • a filter-field magnet is provided, which is arranged adjacent to the outlet opening and serves to prevent energetic electrons from the plasma from leaving the combustion chamber through the outlet opening. low-energy However, electrons can diffuse through the field, wherein the filter field magnet is configured such that the field lines of the filter field magnet extend transversely to the direction of extension of the tubular section.
  • a disadvantage of such an ion source is that the yield of negative ions is insufficient.
  • the filter-field magnet is located within the end plate adjacent to the exit port and thus exposed to the plasma. This may cause the magnet to be damaged during operation of the source and the source to be serviced after a short period of operation. It also affects the potential of the plasma in the exit region by pulling electrons out of the plasma.
  • this object is achieved in that the rear wall is formed of an insulator material and has an inlet opening for gas and that the filter field magnet is arranged on the side facing away from the combustion chamber side of the tubular portion.
  • the plasma formed within the combustion chamber by the radiated high-frequency field essentially comes into contact only with parts which are formed from an insulator material.
  • This has the advantage that the particle loss of the plasma is lower. It can therefore be worked with a smaller high-frequency power. Due to the isolation of the plasma, this becomes potential-free.
  • the insulating material is preferably aluminum oxide ceramic (Al 2 O 3 ) can be used, since it has a very low sputtering rate. This allows years of operation.
  • the filter magnet is disposed completely outside the combustion chamber and therefore has no contact with the plasma. This prevents the magnet from being damaged during operation. It does not need to be specially encapsulated and is not exposed to the temporary vacuum.
  • the filter field magnet is arranged so that it can effectively act on the plasma. It shields the area of the outlet opening by a low diffusion rate of energetic electrons and allows the low-energy, necessary for H ⁇ generation electrons happen.
  • the filter field magnet is arranged on the side facing away from the combustion chamber side of the tubular portion and thus spaced from the outlet opening, it no longer affects the potential at the outlet opening and does not conduct electron current.
  • the diameter of the outlet opening is greater than or equal to the diameter of the opening of the tubular section, which faces the outlet plate. Furthermore, a collar element is provided in the outlet opening, which has a through hole.
  • the collar element serves on the one hand to cause the generation of negatively charged ions, which process can proceed in the case of hydrogen as follows. Excited hydrogen molecules (H * 2 ) enter the region of the collar element from the plasma. It happens that the hydrogen molecule is split, a low-energy electron is absorbed and remain a neutral hydrogen atom and a negative hydrogen atom. Accordingly, the process proceeds according to the equation H 2 '+ e ⁇ ⁇ H 0 + H ⁇ .
  • the collar element serves to extract less electrons from the combustion chamber.
  • the collar element therefore has a plurality of electrodes arranged one behind the other in the axial direction of the outlet opening, which may typically be formed as ring segments and which are insulated from one another, wherein the electrodes can be placed on divergent electrical potentials.
  • an electric field can be created that causes electrons can pass through only with 'a low probability the collar member and the outlet opening of the plasma.
  • the negative hydrogen ions are still able to pass through the exit orifice.
  • a conversion of positive ions (H + ) into neutral but excited molecules (H 2 * ) occurs at the first half-ring, which together with slow electrons also form H 0 (neutral hydrogen atoms) and H ⁇ ions.
  • the inner diameter of the through hole of the collar member decreases with increasing distance from the combustion chamber.
  • the resulting funnel-shaped part can be regarded as a particle converter, on the surface of which H + ions are converted into H 2 * molecules by the addition of electrons. This then results in the manner already described H ⁇ - ions. In addition, however, a direct conversion of H + ions to H ⁇ ions is possible, and this proceeds according to the equation H + + 2e ⁇ - »H ⁇ .
  • the collar element is divided along a plane extending in the direction of the longitudinal axis of the throughbore, wherein in a further preferred embodiment the separating plane runs parallel to the field lines of the filter field magnet, so that the collar element has a first, left half shell and a second , Right half shell, and the half shells are insulated from each other.
  • an electric field transverse to both the direction of the bore and to the direction of the magnetic field can be generated, which increases the deflection of the electrons and makes it impossible for a larger proportion of electrons to pass through the collar element.
  • a plasma shutter with a bore in the outlet opening be provided, wherein the diameter of the bore is smaller than the diameter of the through hole of the collar member.
  • the rear wall and the holding plate parallel to the longitudinal axis of the tubular portion extending and encircling the outer periphery of the tubular portion bearing surfaces and between the abutment surfaces and the tubular portion circumferential seals are provided.
  • the tubular portion formed of insulating material is held so that the combustion chamber is sealed against the environment, but the tubular portion can still extend in the direction of its Clearrek- kung direction.
  • the seals are arranged so that they can be cooled by the radially outer end wall or holding plate.
  • the seals can be designed as conventional rubber seals on the one hand.
  • metal seals are used, which are fastened in such a way on the outer surface of the tubular portion that initially a metal layer applied to the tubular portion and attached thereto a metallic sealing element.
  • the coupling coil has windings with a flattened cross-section.
  • the ion source according to the invention has an electrode on the outwardly facing side of the tubular section in the region between the coupling coil and the rear wall. This has the effect that forms an electric field between the coupling coil and the electrode, which in turn causes the plasma continues to heat up.
  • the coupling coil on the side facing away from the tubular portion side can be surrounded by a ferrite sleeve, in order to ensure that the high-frequency field is irradiated for the most part in the combustion chamber and not radiated into the environment.
  • the high-frequency coupling coil is surrounded by a plurality of first magnets which extend in the axial direction of the tubular portion and are arranged parallel to each other around the circumference of the tubular portion. Furthermore, the dipole axes, ie the connecting line between the north pole and the south pole in the case of a permanent magnet, of the first magnets are aligned perpendicular to the longitudinal axis of the tubular section, and adjacent first magnets have mutually opposite polarity.
  • the first magnets form a magnetic field whose field lines are perpendicular to the longitudinal axis of the tubular portion and the plasma can be constricted in the combustion chamber. It only starts in at a certain distance from the wall of the tubular portion.
  • the region of the tubular portion between the coupling coil and the rear wall may be surrounded by a plurality of second magnets extending in the axial direction of the tubular portion and disposed perpendicular to each other about the circumference of the tubular portion, the dipole axes of the second magnets also being perpendicular are aligned with the longitudinal axis of the tubular portion and wherein adjacent second magnets have a mutually opposite polarity.
  • the number of second magnets around the circumference of the tubular portion is smaller than adjacent to the coupling coil.
  • an ignition source is provided with a gas inlet, wherein the ignition source has a housing surrounding an ignition space with an end face, which is opposite to the rear wall. Further, the ignition space is connected to the combustion chamber via the inlet opening and the end surface has an ignition electrode having a bore. The ignition electrode is covered with respect to the ignition space by a cover plate and insulated from the rear wall.
  • the ignition source serves to generate electrons which are shot through the inlet opening into the combustion chamber to ignite a plasma there, wherein it is utilized that a higher pressure prevails in the ignition source than in the combustion chamber.
  • a plasma can easily be generated by applying a voltage to the ignition electrode in the ignition source, with the electrons then being injected into the combustion chamber. which can reliably ignite the required plasma here and there.
  • the gas inlet of the ignition source may include an inlet valve with a controller, and the controller may be configured to provide opening and closing of the inlet valve and / or differential flow through the inlet valve as a function of time. This makes it possible to automatically change the pressure conditions in the ignition source time-dependent.
  • the front end plate has an inlet for gas and the inlet leads through the end plate into the combustion chamber.
  • an extractor is provided on the side facing away from the combustion chamber side of the end plate, wherein the extractor has a passage opening which is aligned to the outlet opening.
  • An acceleration voltage can be applied between the extractor and the end plate, and a magnetic spectrometer is provided behind the extractor, as seen from the end plate.
  • an electron collector disposed adjacent to the magnetic spectrometer is provided, and the electron collector is configured so that an electric voltage can be applied.
  • the electron collector can be set to an increased potential avoids the problem that a high electron flow from the ion source into the collector can lead to the effect between the extractor and the end plate. te adjacent extraction voltage is destabilized.
  • the two types of particles do not hit the extractor during normal operation.
  • the end plate is operated at negative high voltage, the extractor is grounded.
  • the electron collector is again at a negative potential, which is slightly lower than that of the end plate.
  • a braking field builds up on the electron collector relative to the electron beam deflected by the magnetic field. Therefore, the beam deposits only a small amount of energy in the electron collector, which heats up only slightly. The no longer required cooling and the lower stress of the catcher are already a significant advantage.
  • Another advantage is that the electrons are absorbed by a power supply with a lower voltage. This makes it possible to use cost-effective capacitors, which can be very large. Such a power supply is smaller and does not endanger the extractor and the source. It also comes to no rollovers, since the distances are very large. The actual power supply that generates the high voltage for the source is only burdened by the low H ⁇ ion current. The capacitance of the capacitor can therefore be lower, which is important, since then less energy is deposited from the capacitor into the short circuit during flashovers in the extractor and source region, which is a further advantage of this arrangement.
  • the end plate may be preferably attached to its periphery on a mounting plate formed of an insulator material so that the distances to the housing may be smaller compared to a plastic mount. This overall a smaller size with high reliability is possible.
  • FIG. 1 shows a section along the longitudinal axis of an embodiment of an ion source according to the invention
  • FIG. 2 is an enlarged view of the front extraction part of the ion source of FIG. 1;
  • Fig. 3 is a section along the line A-B of Figs. 1 and 2,
  • FIG. 4 is an enlarged view of the rear portion of the ion source of FIG. 1 and FIG. 4
  • 5a and 5b are circuit diagrams of the ion source according to the invention.
  • FIG. 1 shows an embodiment of an ion source 1 according to the invention in longitudinal section, the ion source 1 having an end plate 2 which is provided with a central outlet opening 3.
  • the end plate 2 is attached to a mounting plate 4, which is made of an insulator material such as a ceramic, in particular alumina ceramic (Al 2 O 3 ).
  • the mounting plate 4 is constructed in a ceramic-like manner, ie, simple and without a multiplicity of bores, grooves, etc.
  • a seal 5 is provided between the mounting plate 4 and the end plate 2, a seal 5 is provided and the mounting plate 4 is in turn attached to an end plate 6, from which the jet pipe of an accelerator system goes off. Due to the insulating mounting plate 4, the ion source 1 is electrically insulated from the end of the jet pipe.
  • a collar member 7 is provided, the structure will be explained later in detail in conjunction with FIG. 2.
  • a tubular portion 8 at its end opposite the outlet opening 3 a rear wall 9 is provided which has an inlet opening 10.
  • Both the tubular portion 8 and the rear wall 9 are formed of an insulator material.
  • the tubular portion 8 and the rear wall 9 together form the wall of a combustion chamber 11, wherein a plasma in the combustion chamber 11 with the exception of the collar member 7 does not come into contact with electrically conductive material.
  • the outlet opening 3 has a diameter which in this preferred embodiment so far is equal to the diameter d of the opening of the tubular portion 8, which faces the end plate 2.
  • the end plate 2 facing the end of the combustion chamber 11 is completely formed by the collar member 7.
  • tubular portion 8 is held between the end plate 2 and a holding plate 12, wherein the holding plate 12 also holds the rear wall 9 and is tensioned by means of clamping struts 13 against the end plate 2. So that the tubular portion 8 in a thermal Expansion due to high temperatures in the combustion chamber 11 is not under mechanical stress, the end plate 2 and the holding plate 12 parallel to the longitudinal axis of the tubular portion 8 extending and encircling the outer periphery of the tubular portion 8 bearing surfaces 14, in which grooves in turn are formed for receiving circumferential sealing rings 15 (see also Figs. 2 and 4).
  • the sealing rings 15 may be designed as conventional rubber seals as shown.
  • metal seals are used, wherein these are fastened to the outer surface of the tubular portion 8 in such a way that first a metal layer in the region of the contact surfaces 14 applied to the tubular portion 8 and a metallic sealing element is attached thereto ,
  • a filter field magnet 16 is provided adjacent to the outlet opening 3, which is constructed in this preferred embodiment of two opposing Perma- netmagneten (see Fig. 3). But it is also conceivable that instead of permanent magnets, an electromagnet is used.
  • the filter field magnet 16 is designed such that the field lines of the filter magnet 16 run transversely to the direction of extension of the tubular section 8, so that energetic electrons are prevented from leaving the combustion chamber 11 through the collar element 7 (see FIG.
  • the filter field magnet 16 Since the filter field magnet 16 is disposed outside the combustion chamber 11, it can not contact the plasma therein and can not be damaged. Besides, he does not influence more the potential at the outlet opening 3 and does not emit an electron current.
  • a coupling coil 17 is provided, whose windings are arranged around the tubular portion 8 of the wall outside of the combustion chamber 11.
  • the windings of the coupling coil 17 are provided with a flattened cross-section, which increases the efficiency with which a Hochfreguenzfeld can be coupled into the combustion chamber 11.
  • the coupling coil 17 is also surrounded by ferrite elements, which form a ferrite sleeve 18, which ensures that the high-frequency field is radiated into the combustion chamber 11 to a large extent and is not radiated into the environment so as to minimize the losses.
  • the coupling coil 17 is surrounded by a plurality of first magnets 19 which extend in the axial direction of the tubular portion 8 and are arranged parallel to each other around the circumference of the tubular portion 8.
  • the dipole axes, i. the connecting lines between north and south pole, the first magnets 19 aligned perpendicular to the longitudinal axis of the tubular portion 8, and adjacent first magnets 19 have a mutually opposite polarity. It is thereby achieved that magnetic north poles and magnetic south poles are adjacent to each other around the circumference of the tubular portion.
  • the field lines run in the combustion chamber 11 approximately parabolic in the plane perpendicular to the direction of extension of the tubular portion
  • the exemplary embodiment of an ion source 1 has an electrode 20 on the outwardly facing side of the tubular section 8 in the region between the coupling coil 17 and the rear wall 9.
  • This electrode 20 causes an electric field to form between the coupling coil 17 and the electrode 20 when a high frequency is applied. the coupling coil 17 is applied. This electric field in turn causes a plasma in the combustion chamber 11 can continue to heat up.
  • the region of the tubular portion 8 between the coupling coil 17 and the rear wall 9 is surrounded by a plurality of second magnets 21 which extend in the axial direction of the tubular portion 8 and are arranged perpendicular to each other around the circumference of the tubular portion 8. Furthermore, the dipole axes of the second magnets 21 are also aligned perpendicular to the longitudinal axis of the tubular portion 8 and adjacent second magnets 21 have a mutually opposite polarity.
  • Such a construction leads, as in the case of the first magnets 19, to a parabolic field course in the plane perpendicular to the extension direction of the tubular section 8, so that a plasma in the combustion chamber 11 is compressed to the area around the central axis.
  • Both the first and second magnets 19 and 21 and the coupling coil 17 may be formed coolable.
  • the number of second magnets 21 adjacent to the rear wall 9 around the circumference of the tubular portion 8 is less than adjacent to the coupling coil 17th
  • the end plate 2 is shown with the collar member 7 disposed in the outlet opening 3 and having a through-bore 22, the longitudinal axis of the through-bore 22 being inclined with respect to the longitudinal axis of the tubular portion 8.
  • the collar element 7 has a multiplicity of electrodes 23, 24, 25, 26, 27, 28, which are arranged one behind the other in the axial direction of the outlet opening 3 and which have a ring-shaped design and are opposite to one another. are insulated from each other so that the electrodes 23, 24, 25, 26, 27, 28 can be placed on divergent electrical potentials.
  • the electrodes 23, 24, 25, 26, 27, 28 have different tasks in the operation of the ion source, which will be explained later.
  • the electrodes 23, 24, 25, 26, 27, 28 designed such that the inner diameter of the through hole 22 of the collar member 7 decreases with increasing distance from the combustion chamber 11.
  • a plasma shutter 29 is provided with a bore 30 in the outlet opening 3.
  • the plasma shutter 29 is arranged on the side facing away from the combustion chamber 11 side of the collar member 7, and the diameter of the bore 30 is smaller than the diameter of the through hole 22nd
  • Fig. 2 further shows that the end plate 2 has an inlet 31 for gas, which leads through the end plate 2 in the combustion chamber.
  • gas can be introduced into the combustion chamber 11 through the front inlet 31.
  • the ion source 1 also has an ignition source in this preferred embodiment 32 with a gas inlet 33, wherein the gas inlet 33 has an inlet valve 34 which is connected to a controller 35 (see Fig. 1).
  • the controller 35 is configured to allow opening and closing of the intake valve 34 and / or differential flow through the intake valve 34 as a function of time such that gas may be introduced into the ignition source 32 in a pulse-wise and / or time-modulated manner.
  • the ignition source 32 comprises a housing 37 surrounding an ignition space 36 and having an end face 38 which is opposite the rear wall 9, the ignition space 36 being connected to the combustion chamber 11 via the inlet opening 10.
  • the end surface 38 is provided with an ignition electrode 39 having a bore 40, and the ignition electrode 39 is covered with respect to the ignition space 36 by a cover plate 41. Since the end face 38 is formed of an insulator material, the ignition electrode 39 is insulated from the rear wall 9. The operation of the ignition source 32 will be explained in more detail below.
  • the ion source 1 on the side remote from the combustion chamber 11 side of the end plate 2 an extractor 42 having a passage opening 43 which is aligned with the outlet opening 3 and the through hole 22.
  • an acceleration voltage can be applied to accelerate the ions from the combustion chamber 11 in the direction of the extractor 42.
  • the procedure is such that the extractor 42 is at ground potential, while the end plate 2 and the combustion chamber 11 are placed on an increased potential of, for example - 35kV (see Fig. 5a). This is readily possible because the end plate 2 is insulated from the jet pipe.
  • a magnetic spectrometer 44 which serves to deflect electrons extracted by the acceleration voltage, which are collected by an electron collector 45, which is arranged adjacent to the magnetic spectrometer 44.
  • the electron collector 45 is configured so that an electrical voltage can be applied, which reduces the potential difference between the end plate 2 and the electrical catcher 45, the structure being explained below with reference to FIGS. 5a and 5b.
  • a first power supply 46 is provided, through which a high voltage (-35 kV) is applied between the ground potential extractor 42 and the end plate 2.
  • a second power supply 47 is connected between the end plate 2 on the one hand and the electron catcher 45 on the other hand, so that the electron catcher 45 is at + 5 kV with respect to the end plate 2, so that the energy which an electron deposits in the electron collector is about 5 keV and thus comparatively low.
  • the ion source 1 is operated in the following manner.
  • the gas is introduced into the ion source 1 via the gas inlet 33, from which negatively charged ions are to be obtained.
  • the inlet valve 34 can be controlled in a time-dependent manner via the control 35 so that the gas, for example, enters the ignition source 32 in pulses.
  • the ignition source 32 electrons are first generated by applying a high voltage of approximately 1 kV to the ignition electrode 39, so that a plasma forms in the ignition space 36.
  • Electrons from the ignition chamber 36 pass through the bore 40 and the inlet opening 10 into the combustion chamber 11 and serve to ignite the actual plasma in the combustion chamber 11.
  • the gas in the combustion chamber 11 is heated by means of the radiated high-frequency field.
  • gas is introduced into the combustion chamber 11 via the ignition source 32 and the inlet opening 10 and secondly via the inlet 31.
  • a high-frequency field is radiated into the combustion chamber 11 via the coupling coil 17, wherein the flattened cross section of the turns provides high efficiency.
  • an electric field builds up in the combustion chamber 11, which causes the plasma to heat up.
  • the arrangement of the first and second magnets 19 and 21 causes the plasma to concentrate on the central area of the combustion chamber 11.
  • insulating material tubular portion 8 and also formed of insulating material rear wall 9 prevents the plasma is "grounded” and thus lost particles. These would have to be additionally generated, which would require additional high-frequency power. Further, since the filter field magnet 16 is disposed outside of the combustion chamber 11, it can neither "ground” the plasma nor be damaged by the plasma.
  • excited hydrogen molecules enter the region of the collar element 7 from the plasma.
  • the hydrogen molecule is split up and a filtered, slow electron is absorbed and a neutral hydrogen atom and a negative hydrogen ion. so that the process proceeds according to the equation H 2 ' + e - »H 0 + H.
  • the transhipment process is further enhanced by the arrangement of the electrodes 23, 24, 25, 26, 27, 28.
  • the first rings of electrodes 23, 24, 25 and the potential applied thereto serve to convert positive hydrogen ions (H + ) to neutral hydrogen molecules (H 2 *), from which they then react with slow electrons H ⁇ ions are formed.
  • the field of the filter field magnet 16 already prevents energetic electrons from the plasma in the combustion chamber 11 from reaching the region of the collar element 7, where they could otherwise destroy the H ⁇ ions just formed.
  • the H ⁇ ions are then extracted from the source by the potential difference through the first power supply 46 between the end plate 2 and the extractor 42, the plasma end
  • the magnetic spectrometer 44 directs electrons present in the beam into the electron collector 45, which, unlike the extractor 42, is not at ground potential, but at an increased potential due to the second power supply 47 (see FIGS. 5a and 5b). This has the advantage that high electron currents in the electron collector 45 do not affect the stability of the high voltage between extractor 42 and end plate 2 and the power loss in the electron collector 45 is low and cooling of the electron collector 45 is not required.
  • the fact that the electron collector 45 can be set to an increased potential circumvents the problem that a high electron flow from the ion source into the catcher 45 causes the extraction voltage (first power supply 46) present between extractor 42 and end plate 2 to destabilize becomes.
  • first power supply 46 first power supply 46
  • the two particle types do not hit the extractor 42 during normal operation.
  • the end plate 2 is operated at negative high voltage, the extractor 42 is grounded.
  • the electron collector 45 is again at a negative potential which is slightly lower than that of the end plate 2.
  • a braking field on the electron collector 45 builds up against the deflected by the magnetic field of the magnetic spectrometer 44 electron beam. Therefore, the beam deposits only a small amount of energy in the electron collector 45, which thereby heats only slightly. The therefore no longer required cooling and the lower stress of the catcher 45 are already a significant advantage.
  • the electrons are picked up by the second power supply 47 at a lower voltage (see FIG. 5b).
  • the second power supply 47 which can be very large.
  • Such Power supply is smaller and does not endanger the extractor 42 and the source. It also comes to no rollovers, since the distances are very large.
  • the first power supply 46 which generates the high voltage for the source, is burdened only by the low H ⁇ ion current, for example, to the target 48.
  • the capacitance of the capacitor may therefore be lower, which is important, since less energy is then dumped from the capacitor into the short circuit during flashovers in the extractor 42 and source region, which is a further advantage of this arrangement.
  • the ion source 1 can also be used for the ionization of gaseous substances such as hydrogen, which can be introduced into the combustion chamber 11 via the inlet opening 10 in the rear wall.

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Abstract

Dargestellt und beschrieben ist eine Ionenquelle zur Erzeugung negativ geladener Ionen mit einer Abschlussplatte, in der eine Austrittsöffnung vorgesehen ist, mit einer einen Brennraum umgebenden Wandung, wobei die Wandung einen rohrförmigen Abschnitt, der sich von der Austrittsöffnung erstreckt und aus einem Isolatormaterial gebildet ist, und eine Rückwand aufweist, wobei die Rückwand an dem Ende des rohrförmigen Abschnitts angeordnet ist, das der Austrittsöffnung gegenüber liegt, und den Brennraum abschließt, mit einer Koppelspule, deren Wicklungen um den rohrförmigen Abschnitt der Wandung außerhalb des Brennraumes angeordnet sind, und mit einem Filterfeldmagneten. Die Aufgabe, eine Ionenquelle zur Erzeugung negativ geladener Ionen bereitzustellen, die eine erhöhte Ausbeute liefert und geeignet ist, auch aus lediglich gasförmig verfügbaren Stoffen Ionen zur erzeugen, wird dadurch gelöst, dass die Rückwand aus einem Isolatormaterial gebildet ist und eine Einlassöffnung aufweist und dass der Filterfeldmagnet auf der von dem Brennraum abgewandten Seite des rohrförmigen Abschnitts angeordnet ist.

Description

Ionenquelle zur Erzeugung negativ geladener Ionen
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Ionenquelle zur Erzeugung negativ geladener Ionen mit einer Abschlussplatte, in der eine Austrittsöffnung vorgesehen ist, mit einer einen Brennraum umgebenden Wandung, wobei die Wandung einen rohrförmigen Abschnitt, der sich von der Austrittsöffnung erstreckt und aus einem Isolatormaterial gebildet ist, und eine Rückwand aufweist, wobei die Rückwand an dem Ende des rohrförmigen Abschnitts angeordnet ist, das der Austrittsöffnung gegenüber liegt, und den Brennraum abschließt, mit einer Koppelspule, deren Wicklungen um den rohrförmigen Abschnitt der Wandung außerhalb des Brennraumes angeordnet sind, und mit einem Filterfeldmagneten, der benachbart zu der Austrittsöffnung angeordnet ist, wobei der Filterfeldmagnet derart ausgestaltet ist, dass die Feldlinien des Filterfeldmagneten quer zur Erstrek- kungsrichtung des rohrförmigen Abschnitts verlaufen.
Ionenquellen finden allgemein immer dann Anwendung, wenn Atome mit Hilfe elektromagnetischer Felder beschleunigt werden sollen. Dies ist einerseits in Beschleunigeranlagen zu wissenschaftlichen Zwecken der Fall, wo im Bereich der Kern- und Teilchenphysik hochenergetische Ionen miteinander oder mit ortsfesten Targets zur Kollision gebracht werden.
Andererseits werden im Bereich der Halbleitertechnik Materia- len in der Weise dotiert, also Fremdatome in diese eingebracht, dass die gewünschte Spezies von Atomen in der benötigten Menge in das Material "implantiert" wird. Dazu werden die entsprechenden Atome mittels eines Beschleunigers in das Material hineingeschossen. Dies ist mit dem Vorteil verbunden, dass durch die definierte Energie der Atome auch die Tiefe festgelegt werden kann, bis zu der die Atome in das Material eindringen. In jedem Fall ist es aber erforderlich, dass die Atome nach außen hin nicht neutral sondern geladen sind, damit ein elektromagnetisches Feld eine beschleunigende Kraft auf die Atome ausüben kann. Es ist also notwendig, dass die zu beschleunigenden Atome ionisiert werden, und damit in der Elektronenhülle nicht die Anzahl an Elektronen vorhanden ist, die der Ordnungszahl des jeweiligen Atoms entspricht. Vielmehr muss die Anzahl der Elektronen davon abweichen, damit sich die Ladung des Atomkerns und die der Elektronenhülle nicht gegenseitig kompensieren .
In der einfachsten Form der Ionisierung werden den jeweiligen Atomen durch ein Plasma in einer Ionenquelle ein Teil der Elektronen der Hülle entfernt, sodass die verbliebenen Ionen dann positiv geladen sind und durch ein gleichzeitig angelegtes elektrisches Feld extrahiert werden können.
In speziellen Beschleunigeranlagen, so genannten Tandembeschleunigern, bei denen die Mitte einer Beschleunigungsstrecke auf positivem Potential liegt, ist es jedoch erforderlich, zunächst negativ geladene Ionen zu erzeugen, die dann durch das Potential zur Mitte der Beschleunigungsstrecke beschleunigt werden, um dort "gestrippt" zu werden, also einen Teil der Elektronen zu verlieren, und somit von negativen zu positiven Ionen umgeladen zu werden. Durch das für die Ionen nunmehr abstoßende Potential werden diese erneut beschleunigt. Dabei ist das Prinzip des Tandembeschleunigers mit dem Vorteil verbunden, dass das Beschleunigungspotential mehrfach ausgenutzt wird.
Das bedeutet, dass es in diesem Fall erforderlich ist, in der Ionenquelle dafür zu sorgen, dass die Atome in ihrer Hülle zumindest ein Elektron mehr haben, als dies im Normalzustand der Fall ist. Hinsichtlich der Ionenquelle bei Tandembeschleunigern ist ferner zu berücksichtigen, dass eine solche Beschleu- nigeranlage in der Regel derart eingestellt ist, dass nur diejenigen Ionen nach dem Beschleunigungsvorgang weiter zu dem Target geführt werden, die einen bestimmten Ladungszustand haben. Das Umladen ist aber ein statistischer Prozess und nicht alle in den Beschleuniger eingeschossenen Ionen haben nach dem Umladen den gewünschten Ladungszustand, sondern es ergibt sich eine Verteilung, die von den Parametern beim Strippen abhängt.
Dies wiederum führt dazu, dass es durch das Umladen zu einem erheblichen Verlust an Strahlstrom kommt, sodass es erforderlich ist, einen sehr hohen Strahlstrom negativ geladener Ionen in den Tandem-Beschleuniger einzuschießen, um in der Folge einen hinreichend hohen Strom positiver Ionen mit dem gewünschten Ladungszustand zu bekommen. Dies wiederum setzt voraus, dass die dem Beschleuniger vorgeschaltete Ionenquelle zu Erzeugung negativ geladener Ionen eine möglichst hohe Ausbeute liefert .
Aus der US 2004/0104683, von der die vorliegende Erfindung ausgeht, ist dazu eine Ionenquelle bekannt mit einer Abschlussplatte, in der eine Austrittsöffnung vorgesehen ist, und mit einer einen Brennraum umgebenden Wandung, wobei die Wandung einen rohrförmigen Abschnitt, der sich von der Austrittsöffnung erstreckt und aus einem Isolatormaterial gebildet ist, und eine Rückwand aufweist. Die Rückwand ist an dem Ende des rohrförmigen Abschnitts angeordnet, das der Austrittsöffnung gegenüber liegt, wobei die Rückwand den Brennraum abschließt. Außerdem ist eine Koppelspule vorgesehen, deren Wicklungen um den rohrförmigen Abschnitt der Wandung außerhalb des Brennraumes angeordnet sind, um ein Hochfrequenzfeld in den Brennraum einzukoppeln. Schließlich ist ein Filterfeldmagnet vorgesehen, der benachbart zu der Austrittsöffnung angeordnet ist und dazu dient, energetische Elektronen aus dem Plasma daran zu hindern, den Brennraum durch die Austrittsöffnung zu verlassen. Niederenergetische Elektronen können aber durch das Feld hindurch diffundieren, wobei der Filterfeldmagnet derart ausgestaltet ist, dass die Feldlinien des Filterfeldmagneten quer zur Erstreckungsrich- tung des rohrförmigen Abschnitts verlaufen. Nachteilig an einer derartigen Ionenquelle ist jedoch, dass die Ausbeute an negativen Ionen nicht ausreichend ist.
Ein weiteres Problem dieser Quelle besteht darin, dass der Filterfeldmagnet innerhalb der Abschlussplatte benachbart zu der Austrittsöffnung angeordnet ist und damit dem Plasma ausgesetzt ist. Dies kann dazu führen, dass der Magnet während des Betriebs der Quelle Schaden nimmt und die Quelle nach einer kurzen Betriebszeit gewartet werden muss. Auch beeinflusst er das Potential des Plasmas im Austrittsbereich, indem er Elektronen aus dem Plasma zieht.
Ausgehend vom Stand der Technik ist es daher die Aufgabe, eine Ionenquelle zur Erzeugung negativ geladener Ionen bereitzustellen, die eine erhöhte Ausbeute liefert und geeignet ist, auch aus lediglich gasförmig verfügbaren Stoffen Ionen zur erzeugen.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass die Rückwand aus einem Isolatormaterial gebildet ist und eine Einlassöffnung für Gas aufweist und dass der Filterfeldmagnet auf der von dem Brennraum abgewandten Seite des rohrförmigen Abschnitts angeordnet ist.
Durch den erfindungsgemäßen Aufbau wird erreicht, dass das innerhalb des Brennraums durch das eingestrahlte Hochfrequenzfeld gebildete Plasma im Unterschied zum Stand der Technik im Wesentlichen nur mit Teilen in Kontakt kommt, die aus einem Isolatormaterial gebildet sind. Dies hat den Vorteil, dass der Teilchenverlust des Plasmas geringer ist. Es kann deshalb mit einer kleineren Hochfrequenzleistung gearbeitet werden. Durch die Isolation des Plasmas wird dieses potentialfrei. Es besteht damit die Möglichkeit, Elektroden beispielsweise im Bereich der Austrittsöffnung oder der Einlassöffnung frei anzuordnen und über deren Potential das Plasmapotential und damit die Teilchenströme und Konzentrationen zu manipulieren. Als Isolationsmaterial ist bevorzugt Aluminiumoxyd Keramik (Al2O3) einsetzbar, da sie eine besonders geringe Sputterrate hat. Hierdurch ist ein jahrelanger Betrieb möglich.
Ein weiterer Vorteil dieser Anordnung besteht darin, dass der Filtermagnet vollständig außerhalb des Brennraumes angeordnet ist und damit keinen Kontakt zu dem Plasma mehr hat. Damit wird verhindert, dass der Magnet während des Betriebs Schaden nehmen kann. Er braucht nicht mehr speziell gekapselt zu werden und ist auch nicht dem zeitweiligen Vakuum ausgesetzt.
Auf der anderen Seite ist der Filterfeldmagnet so angeordnet, dass dieser effektiv auf das Plasma einwirken kann. Er schirmt den Bereich der Austrittsöffnung durch eine geringe Diffusionsrate von energetischen Elektronen ab und lässt die niederenergetischen, zur H~-Erzeugung notwendigen Elektronen passieren.
Da der Filterfeldmagnet auf der von dem Brennraum abgewandten Seite des rohrförmigen Abschnitts angeordnet ist und damit beabstandet von der Austrittsöffnung, beeinflusst er nicht mehr das Potential an der Austrittsöffnung und leitet keinen Elektronenstrom ab.
Insgesamt ergibt sich damit bei einer hohen Ausbeute an negativ geladenen Ionen ein geringer Bedarf für Wartungsarbeiten, und die Quelle kann auch zur Ionisierung von gasförmigen Stoffen wie beispielsweise Wasserstoff eingesetzt werden, da die- ser über die Einlassöffnung in der Rückwand in den Brennraum eingelassen werden kann.
In einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Ionenquelle ist der Durchmesser der Austrittsöffnung größer oder gleich dem Durchmesser der Öffnung des rohrförmigen Abschnitts, die der Austrittsplatte zugewandt ist. Ferner ist in der Austrittsöffnung ein Kragenelement vorgesehen, das eine Durchgangsbohrung aufweist.
Das Kragenelement dient zum einen dazu, die Erzeugung negativ geladener Ionen zu bewirken, wobei dieser Prozess im Fall von Wasserstoff wie folgt ablaufen kann. Aus dem Plasma gelangen angeregte Wasserstoffmoleküle (H* 2) in den Bereich des Kragenelements. Dabei kommt es dazu, dass das Wasserstoffmolekül aufgespalten wird, ein niederenergetisches Elektron aufgenommen wird und ein neutrales Wasserstoffatom sowie ein negatives Wasserstoffatom verbleiben. Demnach läuft der Prozess gemäß der Gleichung H2' +e~ → H0 + H~ ab.
Zum anderen dient das Kragenelement dazu, dass weniger Elektronen aus dem Brennraum extrahiert werden. In weiter bevorzugter Weise weist das Kragenelement daher eine Vielzahl von in axialer Richtung der Austrittsöffnung gesehen hintereinander angeordneten Elektroden auf, die typischer Weise als Ringsegmente ausgebildet sein können und die gegeneinander isoliert sind, wobei die Elektroden auf voneinander abweichende elektrische Potentiale gelegt werden können. Auf diese Weise kann im Bereich des Kragenelements ein elektrisches Feld erzeugt werden, dass dazu führt, dass Elektronen aus dem Plasma mit nur ' einer geringen Wahrscheinlichkeit das Kragenelement und damit die Austrittsöffnung passieren können. Im Unterschied dazu sind die negativen Wasserstoff-Ionen aufgrund ihrer höheren Masse dennoch in der Lage die Austrittsöffnung zu passieren . Ferner erfolgt an den ersten Halbringen eine Umwandlung positiver Ionen (H+) zu neutralen aber angeregten Molekülen (H2 *) , die zusammen mit langsamen Elektronen ebenfalls H0 (neutrale Wasserstoffatome) und H~-Ionen bilden.
Um den Filtereffekt hinsichtlich der Elektronen sowie die Effizienz bei der Umladung weiter zu verstärken, ist es besonders bevorzugt, wenn der Innendurchmesser der Durchgangsbohrung des Kragenelements mit zunehmendem Abstand vom Brennraum sinkt .
Der so entstehende trichterförmige Teil kann als ein Teilchenkonverter angesehen werden, an dessen Oberfläche durch die Zufuhr von Elektronen H+-Ionen in H2 *-Moleküle umgewandelt werden. Hieraus entstehen in der bereits beschriebenen Weise dann H~- Ionen. Daneben ist aber auch eine direkte Umwandlung von H+- Ionen in H~-Ionen möglich, wobei dies entsprechend der Gleichung H+ +2e~ -» H~ abläuft.
Weiterhin ist es möglich, dass das Kragenelement entlang einer Ebene, die in Richtung der Längsachse der Durchgangsbohrung verläuft, geteilt ist, wobei in weiter bevorzugter Wiese die Trennebene parallel zu den Feldlinien des Filterfeldmagneten verläuft, sodass das Kragenelement eine erste, linke Halbschale und eine zweite, rechte Halbschale aufweist, und die Halbschalen gegeneinander isoliert sind. Dadurch kann im Bereich des Kragenelements ein sowohl zur Richtung der Bohrung als auch zur Richtung des Magnetfelds quer verlaufendes elektrisches Feld erzeugt werden, was die Ablenkung der Elektronen erhöht und ein Passieren des Kragenelements für einen größeren Anteil von Elektronen unmöglich macht.
Um eine gute Bündelung des Strahles negativer Ionen aus der Quelle zu erreichen, kann in einer bevorzugten Ausführungsform eine Plasmablende mit einer Bohrung in der Austrittsöffnung vorgesehen sein, wobei der Durchmesser der Bohrung kleiner als der Durchmesser der Durchgangsbohrung des Kragenelements ist.
Schließlich hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn die Längsachse der Durchgangsbohrung des Kragenelements in Bezug auf die Längsachse des rohrförmigen Abschnitts geneigt ist. Hierdurch wird der Ablenkung der Teilchen durch das Magnetfeld des Filterfeldmagneten Rechnung getragen. Die schweren, wenig abgelenkten H"-Ionen können passieren, während die stark abgelenkten Elektronen auf die Wandungen des Kragenelements schlagen.
Ferner ist es bevorzugt, wenn der rohrförmige Abschnitt zwischen der Abschlussplatte und einer Halteplatte gehalten ist, die Rückwand und die Halteplatte parallel zu der Längsachse des rohrförmigen Abschnitts verlaufende und um den äußeren Umfang des rohrförmigen Abschnitts umlaufende Anlageflächen aufweisen und zwischen den Anlageflächen und dem rohrförmigen Abschnitt umlaufende Dichtungen vorgesehen sind.
Bei einem derartigen Aufbau ist der rohrförmige, aus Isolationsmaterial gebildete Abschnitt so gehalten, dass der Brennraum zwar gegenüber der Umgebung abgedichtet ist, sich der rohrförmige Abschnitt aber dennoch in Richtung seiner Erstrek- kungsrichtung ausdehnen kann. Somit wird vermieden, dass es aufgrund der hohen Temperaturen zu Spannungen im Material des rohrförmigen Abschnitts kommt, die zu Rissen in dem Abschnitt führen könnten. Auch sind die Dichtungen so angeordnet, dass sie durch die radial außen liegende Abschlusswand bzw. Halteplatte gekühlt werden kann. Die Dichtungen können zum einen als herkömmliche Gummidichtungen ausgeführt sein. Es ist zum anderen aber auch denkbar, dass Metalldichtungen verwendet werden, die in der Weise an der Außenfläche des rohrförmigen Abschnitts befestigt werden, dass zunächst eine Metallschicht auf den rohrförmigen Abschnitt aufgebracht und daran ein metallisches Dichtungselement befestigt wird.
Um die Effizienz zu erhöhen, mit der das Hochfrequenzfeld in den Brennraum eingekoppelt wird, hat es sich ferner als vorteilhaft erwiesen, wenn die Koppelspule Wicklungen mit abgeflachtem Querschnitt aufweist.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist die erfindungsgemäße Ionenquelle auf der nach außen weisende Seite des rohrförmigen Abschnitts im Bereich zwischen der Koppelspule und der Rückwand eine Elektrode auf. Dies hat die Wirkung, dass sich zwischen der Koppelspule und der Elektrode ein elektrisches Feld ausbildet, das wiederum dazu führt, dass sich das Plasma weiter aufheizt.
Schließlich kann die Koppelspule auf der von dem rohrförmigen Abschnitt abgewandten Seite von einer Ferrithülse umgeben sein, um dafür zu sorgen, dass das Hochfrequenzfeld zum überwiegenden Teil in den Brennraum eingestrahlt und nicht in die Umgebung abgestrahlt wird.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Hochfrequenz-Koppelspule von einer Vielzahl von ersten Magneten umgeben, die in axialer Richtung des rohrförmigen Abschnitts verlaufen und parallel zueinander um den Umfang des rohrförmigen Abschnitts angeordnet sind. Ferner sind die Dipolachsen, also die Verbindungslinie zwischen dem Nordpol und dem Südpol bei einem Permanentmagnet, der ersten Magnete senkrecht zur Längsachse des rohrförmigen Abschnitts ausgerichtet, und benachbarte erste Magnete weisen eine zueinander entgegen gesetzte Polung auf. Durch die ersten Magnete bildet sich ein magnetisches Feld, dessen Feldlinien senkrecht zur Längsachse des rohrförmigen Abschnitts verlaufen und das Plasma kann in dem Brennraum eingeschnürt werden. Es beginnt dadurch erst in ei- nem gewissen Abstand von der Wandung des rohrförmigen Abschnitts .
Daneben kann der Bereich des rohrförmigen Abschnitts zwischen der Koppelspule und der Rückwand von einer Vielzahl von zweiten Magneten umgeben sein, die in axialer Richtung des rohrförmigen Abschnitts verlaufen und senkrecht zueinander um den Umfang des rohrförmigen Abschnitts angeordnet sind, wobei die Dipolachsen der zweiten Magnete ebenfalls senkrecht zur Längsachse des rohrförmigen Abschnitts ausgerichtet sind und wobei benachbarte zweite Magnete eine zueinander entgegen gesetzte Polung aufweisen.
Dabei ist es besonders bevorzugt, wenn benachbart zur Rückwand die Anzahl zweiter Magnete um den Umfang des rohrförmigen Abschnitts geringer ist als benachbart zu der Koppelspule. Dadurch wird das durch die ersten Magnete auf den Zentralbereich des Brennraumes zusammengedrückte Plasma von der Rückwand fern gehalten.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist eine Zündquelle mit einem Gaseinlass vorgesehen, wobei die Zündquelle ein einen Zündraum umgebendes Gehäuse mit einer Endfläche aufweist, die der Rückwand gegenüberliegt. Ferner ist der Zündraum über die Einlassöffnung mit dem Brennraum verbunden und die Endfläche weist eine Zündelektrode auf, die eine Bohrung aufweist. Die Zündelektrode ist gegenüber dem Zündraum durch eine Abdeckplatte abgedeckt und gegenüber der Rückwand isoliert. Die Zündquelle dient dazu, Elektronen zu erzeugen, die durch die Einlassöffnung in den Brennraum geschossen werden, um dort ein Plasma zu zünden, wobei ausgenutzt wird, dass in der Zündquelle ein höherer Druck herrscht als in dem Brennraum. Dadurch kann durch Anlegen einer Spannung an die Zündelektrode in der Zündquelle leicht ein Plasma erzeugt werden, wobei die Elektronen dann in den Brennraum eingeschossen wer- den und dort das erforderliche Plasma zuverlässig zünden können.
Weiter kann bevorzugt der Gaseinlass der Zündquelle ein Einlassventil mit einer Steuerung aufweisen, und die Steuerung kann ausgestaltet sein, ein Öffnen und Schließen des Einlassventils und/oder einen unterschiedlichen Durchfluss durch das Einlassventil als Funktion der Zeit vorzusehen. Dadurch wird ermöglicht, die Druckverhältnisse in der Zündquelle automatisch zeitabhängig zu verändern.
Um die Druckverhältnisse in dem Brennraum besser steuern zu können, ist es vorteilhaft eine zusätzliche Möglichkeit zu haben, Gas in den Brennraum einzuleiten, ohne beispielsweise den Zustand in der Zündquelle zu beeinflussen. Dazu ist es bevorzugt, wenn die vordere Abschlussplatte einen Einlass für Gas aufweist und der Einlass durch die Abschlussplatte in den Brennraum führt .
Schließlich ist in einer bevorzugten Ausführungsform auf der von dem Brennraum abgewandten Seite der Abschlussplatte ein Extraktor vorgesehen, wobei der Extraktor eine Durchtrittsöffnung aufweist, die zur der Austrittsöffnung hin ausgerichtet ist. Zwischen dem Extraktor und der Abschlussplatte ist eine Beschleunigungsspannung anlegbar, und von der Abschlussplatte gesehen hinter dem Extraktor ist ein Magnetspektrometer vorgesehen. Ferner ist ein Elektronenauffänger vorgesehen, der benachbart zu dem Magnetspektrometer angeordnet ist, und der Elektronenauffänger ist so ausgestaltet, dass eine elektrische Spannung angelegt werden kann.
Dadurch, dass der Elektronenauffänger auf ein erhöhtes Potential gelegt werden kann, wird das Problem umgangen, dass ein hoher Elektronenstrom aus der Ionenquelle in den Auffänger dazu führen kann, dass die zwischen Extraktor und Abschlussplat- te anliegende Extraktionsspannung destabilisiert wird. Wenn aus der Austrittsöffnung Elektronen und H~-Ionen extrahiert werden, treffen die beiden Teilchenarten den Extraktor im Normalbetrieb nicht. Während die Abschlussplatte auf negativer Hochspannung betrieben wird, liegt der Extraktor auf Masse. Der Elektronenauffänger liegt wiederum auf einem negativen Potential, das etwas niedriger ist als das der Abschlussplatte. Es baut sich somit ein Bremsfeld am Elektronenauffänger gegenüber dem durch das Magnetfeld abgelenkten Elektronenstrahl auf. Der Strahl deponiert deshalb nur eine geringe Energie in dem Elektronenauffänger, der sich dadurch nur noch geringfügig erwärmt. Die deshalb nicht mehr erforderliche Kühlung und die geringere Beanspruchung des Auffängers sind bereits ein erheblicher Vorteil.
Ein weiterer Vorteil ist, dass die Elektronen von einem Netzteil mit einer geringeren Spannung aufgenommen werden. Hierdurch kann man kostengünstige Kondensatoren einsetzen, die sehr groß sein können. Ein solches Netzteil ist kleiner und gefährdet den Extraktor und die Quelle nicht. Es kommt auch zu keinen Überschlägen, da die Abstände sehr groß sind. Das eigentliche Netzteil, das die Hochspannung für die Quelle erzeugt ist nur noch durch den geringen H~-Ionen-Strom belastet. Die Kapazität des Kondensators kann deshalb geringer sein, was wichtig ist, da dann bei Überschlägen im Extraktor und Quellenbereich weniger Energie aus dem Kondensator in den Kurz- schluss deponiert wird, was ein weiterer Vorteil dieser Anordnung ist.
Schließlich kann die Abschlussplatte in bevorzugter Weise an deren Umfang an einer Befestigungsplatte angebracht sein, die aus einem Isolatormaterial gebildet ist, sodass die Abstände zum Gehäuse im Vergleich zu einer Kunststoffhalterung kleiner sein können. Damit ist insgesamt eine kleinere Baugröße bei hoher Betriebssicherheit möglich. Im Folgenden wird die vorliegende Erfindung anhand einer Zeichnung erläutert, die lediglich ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel darstellt, wobei
Fig. 1 einen Schnitt entlang der Längsachse eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Ionenquelle zeigt,
Fig. 2 eine vergrößerte Darstellung des vorderen Extraktionsteils der Ionenquelle aus Fig. 1 ist ,
Fig. 3 ein Schnitt entlang der Linie A-B aus Fig. 1 und 2 ist,
Fig. 4 eine vergrößerte Darstellung des hinteren Teils der Ionenquelle aus Fig. 1 ist und
Fig. 5a und 5b Schaltbilder zu der erfindungsgemäßen Ionenquelle sind.
Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Ionenquelle 1 im Längsschnitt, wobei die Ionenquelle 1 eine Abschlussplatte 2 aufweist, die mit einer zentralen Austrittsöffnung 3 versehen ist. Die Abschlussplatte 2 ist an einer Befestigungsplatte 4 angebracht, die aus einen Isolatormaterial wie beispielsweise einer Keramik, insbesondere Aluminiumoxyd-Keramik (AI2O3) hergestellt ist. Die Befestigungsplatte 4 ist in einer keramikgerechten Weise, d.h. einfach und ohne eine Vielzahl von Bohrungen, Nuten usw. konstruiert. Hierdurch kann der Vorteil dieses Werkstoffes gegenüber Kunststoff, der durch Bildung von Kohlenstoffbahnen nach Überschlägen schnell unbrauchbar wird, voll ausgenutzt werden. Es können so die Abstände zum Gehäuse im Vergleich zu Kunststoff kleiner gewählt sein, so dass insgesamt eine kleinere Baugröße bei hoher Betriebssicherheit möglich wird.
Zwischen der Befestigungsplatte 4 und der Abschlussplatte 2 ist eine Dichtung 5 vorgesehen und die Befestigungsplatte 4 ist wiederum an einer Endplatte 6 angebracht, von der das Strahlrohr einer Beschleunigeranlage abgeht. Durch die isolierende Befestigungsplatte 4 ist die Ionenguelle 1 gegenüber dem Ende des Strahlrohres elektrisch isoliert.
In der Austrittsöffnung 3 ist ein Kragenelement 7 vorgesehen, dessen Aufbau später im Detail in Verbindung mit Fig. 2 erläutert werden wird. Von der Austrittsöffnung 3 in der Abschlussplatte 2 erstreckt sich ein rohrförmiger Abschnitt 8, an dessen der Austrittsöffnung 3 gegenüberliegenden Ende eine Rückwand 9 vorgesehen ist, die eine Einlassöffnung 10 aufweist. Sowohl der rohrförmige Abschnitt 8 als auch die Rückwand 9 sind aus einem Isolatormaterial gebildet. Dabei bilden der rohrförmige Abschnitt 8 und die Rückwand 9 zusammen die Wandung eines Brennraums 11, wobei ein Plasma in dem Brennraum 11 mit Ausnahme des Kragenelements 7 nicht mit elektrisch leitenden Material in Kontakt kommt.
Ferner hat die Austrittsöffnung 3 einen Durchmesser, der in diesem insoweit bevorzugten Ausführungsbeispiel gleich dem Durchmesser d der Öffnung des rohrförmigen Abschnitts 8 ist, die der Abschlussplatte 2 zugewandt ist. Damit wird das der Abschlussplatte 2 zugewandte Ende des Brennraumes 11 vollständig durch das Kragenelement 7 gebildet.
Außerdem ist der rohrförmige Abschnitt 8 zwischen der Abschlussplatte 2 und einer Halteplatte 12 gehalten, wobei die Halteplatte 12 ebenfalls die Rückwand 9 hält und mittels Spannstreben 13 gegen die Abschlussplatte 2 gespannt wird. Damit der rohrförmige Abschnitt 8 auch bei einer thermischen Ausdehnung infolge hoher Temperaturen im Brennraum 11 nicht unter mechanischer Spannung steht, weisen die Abschlussplatte 2 und die Halteplatte 12 parallel zu der Längsachse des rohr- förmigen Abschnitts 8 verlaufende und um den äußeren Umfang des rohrförmigen Abschnitts 8 umlaufende Anlageflächen 14 auf, in denen wiederum Nuten zur Aufnahme von umlaufenden Dichtungsringen 15 ausgebildet sind (siehe auch Fig. 2 und 4). Durch diese Anordnung ist der Brennraum 11 über die Dichtungsringe 15 zwar gegenüber der Umgebung abgedichtet, es ist aber dennoch möglich, dass sich der rohrförmige Abschnitt 8 entlang seiner Längsachse ausdehnen kann, ohne dass dies Einfluss auf die Wirkung der Dichtungsringe 15 hat. Die Dichtungsringe 15 können zum einen wie dargestellt als herkömmliche Gummidichtungen ausgeführt sein. Es ist zum anderen aber auch denkbar, dass Metalldichtungen verwendet werden, wobei diese in der Weise an der Außenfläche des rohrförmigen Abschnitts 8 befestigt werden, dass zunächst eine Metallschicht im Bereich der Anlageflächen 14 auf den rohrförmigen Abschnitt 8 aufgebracht und daran ein metallisches Dichtungselement befestigt wird.
Auf der von dem Brennraum 11 abgewandten Seite des rohrförmigen Abschnitts 8 ist benachbart zu der Austrittsöffnung 3 ein Filterfeldmagnet 16 vorgesehen, der in diesem bevorzugten Ausführungsbeispiel aus zwei einander gegenüberliegenden Perma- netmagneten aufgebaut ist (s. Fig. 3). Es ist aber auch denkbar, dass statt Permanentmagneten ein Elektromagnet verwendet wird. Der Filterfeldmagnet 16 ist derart ausgestaltet, dass die Feldlinien des Filtermagneten 16 quer zur Erstreckungs- richtung des rohrförmigen Abschnitts 8 verlaufen, sodass energetische Elektronen daran gehindert werden, den Brennraum 11 durch das Kragenelement 7 zu verlassen (s. Fig. 3).
Da der Filterfeldmagnet 16 außerhalb des Brennraumes 11 angeordnet ist, kann er keinen Kontakt zu dem Plasma darin haben und nicht beschädigt werden. Außerdem beeinflusst er nicht mehr das Potential an der Austrittsöffnung 3 und leitet keinen Elektronenstrom ab.
Ferner ist eine Koppelspule 17 vorgesehen, deren Wicklungen um den rohrförmigen Abschnitt 8 der Wandung außerhalb des Brennraumes 11 angeordnet sind. Dabei sind die Wicklungen der Koppelspule 17 mit abgeflachtem Querschnitt versehen, was die Effizienz erhöht, mit der ein Hochfreguenzfeld in den Brennraum 11 eingekoppelt werden kann. Die Koppelspule 17 ist .außerdem von Ferritelementen umgeben, die eine Ferrithülse 18 bilden, die dafür sorgt, dass das Hochfrequenzfeld zu einem großen Umfang in den Brennraum 11 eingestrahlt wird und nicht in die Umgebung abgestrahlt wird, um so die Verluste zu minimieren.
Zudem ist die Koppelspule 17 von einer Vielzahl von ersten Magneten 19 umgeben, die in axialer Richtung des rohrförmigen Abschnitts 8 verlaufen und parallel zueinander um den Umfang des rohrförmigen Abschnitts 8 angeordnet sind. Außerdem sind die Dipolachsen, d.h. die Verbindungslinien zwischen Nord- und Südpol, der ersten Magnete 19 senkrecht zur Längsachse des rohrförmigen Abschnitts 8 ausgerichtet, und benachbarte erste Magnete 19 weisen eine zueinander entgegen gesetzte Polung auf. Dadurch wird erreicht, dass um den Umfang des rohrförmigen Abschnitts jeweils magnetische Nordpole und magnetische Südpole zueinander benachbart sind. Dadurch verlaufen die Feldlinien im Brennraum 11 etwa parabelförmig in der Ebene senkrecht zur Erstreckungsrichtung des rohrförmigen Abschnitts
Ferner weist das Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Ionenquelle 1 auf der nach außen weisende Seite des rohrförmigen Abschnitts 8 im Bereich zwischen der Koppelspule 17 und der Rückwand 9 eine Elektrode 20 auf. Diese Elektrode 20 führt dazu, dass sich zwischen der Koppelspule 17 und der Elektrode 20 ein elektrisches Feld ausbildet, wenn eine Hochfrequenz an. die Koppelspule 17 angelegt wird. Dieses elektrische Feld führt wiederum dazu, dass sich ein Plasma im Brennraum 11 weiter aufheizen kann.
Außerdem ist der Bereich des rohrförmigen Abschnitts 8 zwischen der Koppelspule 17 und der Rückwand 9 von einer Vielzahl von zweiten Magneten 21 umgeben, die in axialer Richtung des rohrförmigen Abschnitts 8 verlaufen und senkrecht zueinander um den Umfang des rohrförmigen Abschnitts 8 angeordnet sind. Ferner sind die Dipolachsen der zweiten Magnete 21 ebenfalls senkrecht zur Längsachse des rohrförmigen Abschnitts 8 ausgerichtet und benachbarte zweite Magnete 21 weisen eine zueinander entgegen gesetzte Polung auf. Ein derartiger Aufbau führt wie bei den ersten Magneten 19 zu einem parabelförmigen Feldverlauf in der Ebene senkrecht zur Erstreckungsrichtung des rohrförmigen Abschnitts 8, sodass ein Plasma im Brennraum 11 auf den Bereich um die Mittelachse zusammengedrückt wird.
Sowohl die ersten und zweiten Magnete 19 und 21 als auch die Koppelspule 17 können kühlbar ausgebildet sein.
Um sicherzustellen, dass ein Plasma im Brennraum 11 beabstandet von der Rückwand 9 ist, ist in diesem insoweit bevorzugten Ausführungsbeispiel die Anzahl zweiter Magnete 21 benachbart zur Rückwand 9 um den Umfang des rohrförmigen Abschnitts 8 geringer als benachbart zu der Koppelspule 17.
In Fig. 2 ist insbesondere die Abschlussplatte 2 mit dem Kragenelement 7 dargestellt, das in der Austrittsöffnung 3 angeordnet ist und eine Durchgangsbohrung 22 aufweist, wobei die Längsachse der Durchgangsbohrung 22 in Bezug auf die Längsachse des rohrförmigen Abschnitts 8 geneigt ist. Das Kragenelement 7 hat eine Vielzahl von in axialer Richtung der Austrittsöffnung 3 gesehen hintereinander angeordneten Elektroden 23, 24, 25, 26, 27, 28, die ringförmig ausgebildet und gegen- einander isoliert sind, sodass die Elektroden 23, 24, 25, 26, 27, 28 auf voneinander abweichende elektrische Potentiale gelegt werden können. Die Elektroden 23, 24, 25, 26, 27, 28 haben im Betrieb der Ionenquelle unterschiedliche Aufgaben, die später noch erläutert werden. Insbesondere sind die Elektroden 23, 24, 25, 26, 27, 28 derart ausgestaltet, dass der Innendurchmesser der Durchgangsbohrung 22 des Kragenelements 7 mit zunehmendem Abstand vom Brennraum 11 sinkt.
Außerdem sind in diesem bevorzugten Ausführungsbeispiel das Kragenelement 7 und damit die Elektroden 23, 24, 25, 26, 27, 28 entlang einer Trennebene, die in Richtung der Längsachse der Durchgangsbohrung 22 und parallel zu den Feldlinien des Filterfeldmagneten 16 verläuft, geteilt, sodass es eine erste, linke Halbschale und eine zweite, rechte Halbschale aufweist, die außerdem gegeneinander isoliert sind. Dadurch ist es möglich, zwischen der einen Halbschale und der anderen Halbschale ein elektrisches Feld anzulegen, das quer zur Durchgangsbohrung 22 und dem Filterfeldmagnetfeld verläuft.
Zur Fokussierung des Strahls aus der Ionenquelle 1 austretender Ionen ist eine Plasmablende 29 mit einer Bohrung 30 in der Austrittsöffnung 3 vorgesehen. Die Plasmablende 29 ist dabei auf der vom Brennraum 11 abgewandten Seite des Kragenelements 7 angeordnet, und der Durchmesser der Bohrung 30 ist kleiner als der Durchmesser der Durchgangsbohrung 22.
Fig. 2 zeigt ferner, dass die Abschlussplatte 2 einen Einlass 31 für Gas aufweist, der durch die Abschlussplatte 2 in den Brennraum führt. Damit kann durch den Fronteinlass 31 zusätzlich zu der Einlassöffnung 10 Gas in den Brennraum 11 eingeleitet werden.
Wie in Fig. 4 gezeigt, weist die Ionenquelle 1 in diesem insoweit bevorzugten Ausführungsbeispiel außerdem eine Zündquelle 32 mit einem Gaseinlass 33 auf, wobei der Gaseinlass 33 ein Einlassventil 34 aufweist, das mit einer Steuerung 35 verbunden ist (s. Fig. 1). Die Steuerung 35 ist ausgestaltet, ein Öffnen und Schließen des Einlassventils 34 und/oder einen unterschiedlichen Durchfluss durch das Einlassventil 34 als Funktion der Zeit zu ermöglichen, sodass Gas pulsweise und/oder zeitlich moduliert in die Zündquelle 32 eingeleitet werden kann.
Die Zündquelle 32 umfasst ein einen Zündraum 36 umgebendes Gehäuse 37 mit einer Endfläche 38, die der Rückwand 9 gegenüberliegt, wobei der Zündraum 36 über die Einlassöffnung 10 mit dem Brennraum 11 verbunden ist. Die Endfläche 38 ist mit einer Zündelektrode 39 versehen, die eine Bohrung 40 aufweist, und die Zündelektrode 39 ist gegenüber dem Zündraum 36 durch eine Abdeckplatte 41 abgedeckt. Da die Endfläche 38 aus einem Isolatormaterial gebildet ist, ist die Zündelektrode 39 gegenüber der Rückwand 9 isoliert. Die Wirkungsweise der Zündquelle 32 wird im Folgenden noch genauer erläutert werden.
In dem dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispiel weist die Ionenquelle 1 auf der von dem Brennraum 11 abgewandten Seite der Abschlussplatte 2 einen Extraktor 42 mit einer Durchtrittsöffnung 43 auf, der zu der Austrittsöffnung 3 sowie zur Durchgangsbohrung 22 ausgerichtet ist. Zwischen dem Extraktor 42 und der Abschlussplatte 2 kann eine Beschleunigungsspannung angelegt werden, um die Ionen aus dem Brennraum 11 in Richtung des Extraktors 42 zu beschleunigen. Dabei wird so verfahren, dass der Extraktor 42 auf Erdpotential liegt, während die Abschlussplatte 2 und der Brennraum 11 auf ein erhöhtes Potential von beispielsweise - 35kV gelegt werden (siehe Fig. 5a) . Dies ist ohne weiteres möglich, da die Abschlussplatte 2 gegenüber dem Strahlrohr isoliert ist. Aus Sicht der Abschlussplatte 2 gesehen hinter dem Extraktor 40 ist ein Magnetspektrometer 44 vorgesehen, dass dazu dient, durch die Beschleunigungsspannung extrahierte Elektronen abzulenken, wobei diese von einem Elektronenauffänger 45 aufgefangen werden, der benachbart zu dem Magnetspektrometer 44 angeordnet ist. Dabei ist der Elektronenauffänger 45 so ausgestaltet, dass eine elektrische Spannung angelegt werden kann, was die Potentialdifferenz zwischen Abschlussplatte 2 und Elektro- nenauffänger 45 verringert, wobei der Aufbau im Folgenden unter Bezugnahme auf die Fig. 5a und 5b erläutert wird.
Zum einen ist ein erstes Netzteil 46 vorgesehen, durch das eine Hochspannung (- 35 kV) zwischen dem auf Erdpotential liegenden Extraktor 42 und der Abschlussplatte 2 angelegt wird. Zwischen die Abschlussplatte 2 einerseits und den Elektronen- auffänger 45 andererseits ist zum anderen ein zweites Netzteil 47 geschaltet, sodass der Elektronenauffänger 45 auf + 5 kV gegenüber der Abschlussplatte 2 liegt, sodass die Energie, die ein Elektron in dem Elektronenauffänger deponiert etwa 5 keV beträgt und damit vergleichsweise gering ist.
Die erfindungsgemäße Ionenquelle 1 wird in der folgenden Weise betrieben. Zunächst wird über den Gaseinlass 33 das Gas in die Ionenquelle 1 eingeleitet, aus dem negativ geladene Ionen gewonnen werden sollen. Dabei kann das Einlassventil 34 über die Steuerung 35 zeitabhängig angesteuert werden, sodass das Gas zum Beispiel pulsweise in die Zündquelle 32 eintritt. In der Zündquelle 32 werden zunächst Elektronen dadurch erzeugt, dass an die Zündelektrode 39 eine Hochspannung von etwa 1 kV angelegt wird, sodass sich ein Plasma im Zündraum 36 bildet. ~ Elektronen aus dem Zündraum 36 gelangen über die Bohrung 40 und die Einlassöffnung 10 in den Brennraum 11 und dienen dazu, in dem Brennraum 11 das eigentliche Plasma zu zünden. Das Gas im Brennraum 11 wird hierbei mittels des eingestrahlten Hochfrequenzfeldes aufgeheizt. Dabei wird ausgenutzt, dass aufgrund des geringen Querschnitts der Einlassöffnung 10 bzw. der Bohrung 40 in dem Zündraum 36 ein höherer Druck herrscht, als es für das eigentliche Plasma im Brennraum 11 gewünscht ist. Dieser höhere Druck ermöglicht eine Elektrodenzündung aus dem so erzeugten Plasma, und es ist möglich , die benötigten Elektronen zu erhalten.
Zur Erzeugung des Plasmas im Brennraum 11 wird zum einen über die Zündquelle 32 und die Einlassöffnung 10 und zum anderen über den Einlass 31 Gas in den Brennraum 11 eingeleitet. Zum anderen wird über die Koppelspule 17 ein Hochfrequenzfeld in den Brennraum 11 eingestrahlt, wobei der abgeflachte Querschnitt der Windungen eine hohe Effizienz liefert. Zwischen der Koppelspule 17 und der Elektrode 20 baut sich im Brennraum 11 zusätzlich ein elektrisches Feld auf, das bewirkt, dass sich das Plasma aufheizt. Die Anordnung der ersten und zweiten Magnete 19 und 21 führt dazu, dass das Plasma sich auf den zentralen Bereich des Brennraums 11 konzentriert.
Außerdem verhindert der aus einem Isolatormaterial gebildete rohrförmige Abschnitt 8 sowie die ebenfalls aus Isolatormaterial gebildete Rückwand 9, dass das Plasma "geerdet" wird und damit Teilchen verloren gehen. Diese müssten zusätzlich generiert werden, wozu zusätzliche Hochfrequenzleistung erforderlich wäre. Da ferner der Filterfeldmagnet 16 außerhalb des Brennraums 11 angeordnet ist, kann dieser weder das Plasma "erden" noch durch das Plasma Schaden nehmen.
Aus dem Plasma gelangen für den Fall, dass als Gas Wasserstoff in den Brennraum 11 eingeleitet wird, angeregte Wasserstoffmoleküle (H* 2) in den Bereich des Kragenelements 7. Dabei kommt es dazu, dass das Wasserstoffmolekül aufgespalten wird, ein gefiltertes, langsames Elektron aufgenommen wird und ein neutrales Wasserstoffatom sowie ein negatives Wasserstoffion ver- bleiben, sodass der Prozess gemäß der Gleichung H2 '+e —» H0 + H abläuft .
An den Elektroden 23, 24, 25, 26, 27, 28 des Kragenelements 7 sind voneinander abweichende elektrische Potentiale angelegt, wobei aufgrund der Teilung der Elektroden 23, 24, 25, 26, 27,
28 entlang der Ebene in Richtung der Längsachse auch eine Spannung zwischen den Ηalbschalen angelegt wird. Auf diese Weise kann im Bereich des Kragenelements 7 ein elektrisches Feld erzeugt werden, dass dazu führt, dass Elektronen aus dem Plasma mit nur einer geringeren Wahrscheinlichkeit das Kragenelement 7 und damit die Austrittsöffnung 3 passieren können. Im Unterschied dazu sind die negativen Wasserstoff-Ionen aufgrund ihrer höheren Masse und der damit verbundenen geringeren Beeinflussbarkeit durch Felder dennoch in der Lage die Austrittsöffnung 3 zu passieren.
Außerdem wird der Umladungsprozess durch die Anordnung der Elektroden 23, 24, 25, 26, 27, 28 weiter verstärkt. Speziell dienen die aus Richtung der Brennkammer 11 gesehen ersten Ringe von Elektroden 23, 24, 25 und das daran angelegte Potential dazu, positive Wasserstoff-Ionen (H+) in neutrale Wasserstoffmoleküle (H2*) zu konvertieren, aus denen dann mit langsamen Elektronen H~-Ionen gebildet werden.
Außerdem verhindert das Feld des Filterfeldmagneten 16 bereits, dass energetische Elektronen aus dem Plasma im Brennraum 11 in den Bereich des Kragenelements 7 gelangen, wo sie die gerade gebildeten H~-Ionen sonst zerstören könnten.
Die H~-Ionen werden dann durch die Potentialdifferenz durch das erste Netzteil 46 zwischen der Abschlussplatte 2 und dem Ex- traktor 42 aus der Quelle extrahiert, wobei die Plasmablende
29 mit der Bohrung 30 dazu dient, den Strahl zu fokussieren. Das Magnetspektrometer 44 lenkt in dem Strahl vorhandene Elektronen in den Elektronenauffänger 45, wobei dieser im Unterschied zu dem Extraktor 42 nicht auf Erdpotential liegt, sondern aufgrund des zweiten Netzteils 47 auf einem erhöhten Potential (siehe Fig. 5a und 5b). Dies hat den Vorteil, dass hohe Elektronenströme in den Elektronenauffänger 45 nicht die Stabilität der Hochspannung zwischen Extraktor 42 und Abschlussplatte 2 beeinträchtigen und die Verlustleistung im Elektronenauffänger 45 gering ist und eine Kühlung des Elektronenauffängers 45 nicht erforderlich ist.
Insbesondere wird dadurch, dass der Elektronenauffänger 45 auf ein erhöhtes Potential gelegt werden kann, das Problem umgangen, dass ein hoher Elektronenstrom aus der Ionenquelle in den Auffänger 45 dazu führt, dass die zwischen Extraktor 42 und Abschlussplatte 2 anliegende Extraktionsspannung (erstes Netzteil 46) destabilisiert wird. Wenn aus der Austrittsöffnung 3 Elektronen und H~-Ionen extrahiert werden, treffen die beiden Teilchenarten den Extraktor 42 im Normalbetrieb nicht. Während die Abschlussplatte 2 auf negativer Hochspannung betrieben wird, liegt der Extraktor 42 auf Masse. Der Elektronenauffänger 45 liegt wiederum auf einem negativen Potential, das etwas niedriger ist als das der Abschlussplatte 2. Es baut sich somit ein Bremsfeld am Elektronenauffänger 45 gegenüber dem durch das Magnetfeld des Magnetspektrometers 44 abgelenkten Elektronenstrahl auf. Der Strahl deponiert deshalb nur eine geringe Energie in dem Elektronenauffänger 45, der sich dadurch nur noch geringfügig erwärmt. Die deshalb nicht mehr erforderliche Kühlung und die geringere Beanspruchung des Auffängers 45 sind bereits ein erheblicher Vorteil.
Ferner werden die Elektronen von dem zweiten Netzteil 47 mit einer geringeren Spannung aufgenommen (siehe Fig. 5b). Hierdurch kann man kostengünstige Kondensatoren in dem zweiten Netzteil 47 einsetzen, die sehr groß sein können. Ein solches Netzteil ist kleiner und gefährdet den Extraktor 42 und die Quelle nicht. Es kommt auch zu keinen Überschlägen, da die Abstände sehr groß sind. Das erste Netzteil 46, das die Hochspannung für die Quelle erzeugt, ist nur noch durch den geringen H~-Ionen-Strom beispielsweise zu dem Target 48 belastet. Die Kapazität des Kondensators kann deshalb geringer sein, was wichtig ist, da dann bei Überschlägen im Extraktor 42 und Quellenbereich weniger Energie aus dem Kondensator in den Kurzschluss deponiert wird, was ein weiterer Vorteil dieser Anordnung ist.
Somit kann mit der erfindungsgemäßen Ionenquelle 1 eine hohe Ausbeute an negativ geladenen Ionen erreicht werden, wobei ein geringer Bedarf für Wartungsarbeiten besteht. Außerdem kann die Quelle auch zur Ionisierung von gasförmigen Stoffen wie beispielsweise Wasserstoff eingesetzt werden, der über die Einlassöffnung 10 in der Rückwand in den Brennraum 11 eingelassen werden kann.

Claims

Patentansprüche
1. Ionenquelle zur Erzeugung negativ geladener Ionen mit einer Abschlussplatte (2), in der eine Austrittsöffnung (3) vorgesehen ist, mit einer einen Brennraum (11) umgebenden Wandung, wobei die Wandung einen rohrförmigen Abschnitt (8), der sich von der Austrittsöffnung (3) erstreckt und aus einem Isolatormaterial gebildet ist, und eine Rückwand (9) aufweist, wobei die Rückwand (9) an dem Ende des rohrförmigen Abschnitts (8) angeordnet ist, das der Austrittsöffnung (3) gegenüber liegt, und den Brennraum (11) abschließt, mit einer Koppelspule (17), deren Wicklungen um den rohrförmigen Abschnitt (8) der Wandung außerhalb des Brennraumes (11) angeordnet sind, und mit einem Filterfeldmagneten (16), der benachbart zu der Austrittsöffnung (3) angeordnet ist, wobei der Filterfeldmagnet (16) derart ausgestaltet ist, dass die Feldlinien des Filterfeldmagneten (16) quer zur Erstreckungsrichtung des rohrförmigen Abschnitts (8) verlaufen, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückwand (9) aus einem Isolatormaterial gebildet ist und eine Einlassöffnung (10) aufweist und dass der Filterfeldmagnet (16) auf der von dem Brennraum (11) abgewandten Seite des rohrförmigen Abschnitts (8) angeordnet ist.
2. Ionenquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser der Austrittsöffnung (3) größer oder gleich dem Durchmesser (d) der Öffnung des rohrförmigen Abschnitts (8) ist, die der Abschlussplatte (2) zugewandt ist, und dass in der Austrittsöffnung (3) ein Kragenelement (7) vorgesehen ist, das eine Durchgangsbohrung (22) aufweist .
3. Ionenquelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Kragenelement (7) eine Vielzahl von in axialer Richtung der Austrittsöffnung (3) gesehen hintereinander angeordneter Elektroden (23, 24, 25, 26, 27, 28) aufweist, die gegeneinander isoliert sind.
4. Ionenquelle nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden (23, 24, 25, 26, 27, 28) auf voneinander abweichenden elektrische Potentiale gelegt werden können.
5. Ionenquelle nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Innendurchmesser der Durchgangsbohrung (22) des Kragenelements (7) mit zunehmendem Abstand vom Brennraum (11) sinkt.
6. Ionenquelle nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Kragenelement (7) entlang einer Trennebene, die in Richtung der Längsachse der Durchgangsbohrung (22) verläuft, geteilt ist, sodass es eine erste Halbschale und eine zweite Halbschale aufweist, und dass die Halbschalen gegeneinander isoliert sind.
7. Ionenquelle nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennebene parallel zu den Feldlinien des Filterfeldmagneten (16) verläuft.
8. Ionenquelle nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Plasmablende (29) mit einer Bohrung (30) in der Austrittsöffnung (3) vorgesehen ist und dass der Durchmesser der Bohrung (30) kleiner als der Durchmesser der Durchgangsbohrung (22) des Kragenelements (7) ist.
9. Ionenquelle nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Längsachse der Durchgangsbohrung (22) des Kragenelements (7) in Bezug auf die Längsachse des rohrförmigen Abschnitts (8) geneigt ist.
10. Ionenquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der rohrförmige Abschnitt (8) zwischen der Abschlussplatte (2) und einer Halteplatte (12) gehalten ist, dass die Abschlussplatte (2) und die Halteplatte (12) parallel zu der Längsachse des rohrförmigen Abschnitts (8) verlaufende und um den äußeren Umfang des rohrförmigen Abschnitts (8) umlaufende Anlageflächen (14) aufweisen und dass zwischen den Anlageflächen (14) und dem rohrförmigen Abschnitt (8) umlaufende Dichtungen (15) vorgesehen sind.
11. Ionenquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Koppelspule (17) Wicklungen mit abgeflachtem Querschnitt aufweist.
12. Ionenquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die nach außen weisende Seite des rohrförmigen Abschnitts (8) im Bereich zwischen der Koppelspule (16) und der Rückwand (9) von einer Elektrode (20) umgeben ist.
13. Ionenquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Koppelspule (17) auf der von dem rohrförmigen Abschnitt (8) abgewandten Seite von einer Ferrithülse (18) umgeben ist.
14. Ionenquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Koppelspule (17) von einer Vielzahl von ersten Magneten (19) umgeben ist, die in axialer Richtung des rohrförmigen Abschnitts (8) verlaufen und parallel zueinander um den Umfang des rohrförmigen Abschnitts (8) angeordnet sind, dass die Dipolachsen der ersten Magnete (19) senkrecht zur Längsachse des rohrförmigen Abschnitts (8) ausgerichtet sind und dass benachbarte erste Magnete (19) eine zueinander entgegen gesetzte Polung aufweisen.
15. Ionenquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Bereich des rohrförmigen Abschnitts (8) zwischen der Koppelspule (17) und der Rückwand (9) von einer Vielzahl von zweiten Magnete (21) umgeben ist, die in axialer Richtung des rohrförmigen Abschnitts (8) verlaufen und parallel zueinander um den Umfang des rohrförmigen Abschnitts (8) angeordnet sind, dass die Dipolachsen der zweiten Magnete (21) senkrecht zur Längsachse des rohrförmigen Abschnitts (8) ausgerichtet sind und dass benachbarte zweite Magnete (21) eine zueinander entgegen gesetzte Polung aufweisen.
16. Ionenquelle nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass benachbart zur Rückwand (9) die Anzahl zweiter Magnete
(21) um den Umfang des rohrförmigen Abschnitts (8) geringer ist als benachbart zu der Koppelspule (17).
17. Ionenquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass eine Zündquelle (32) mit einem Gasein- lass (33) vorgesehen ist, dass die Zündquelle (32) ein einen Zündraum (36) umgebendes Gehäuse (37) mit einer Endfläche (38) aufweist, die der Rückwand (9) gegenüberliegt, dass der Zündraum (36) über die Einlassöffnung (10) mit dem Brennraum (11) verbunden ist, dass die Endfläche (38) eine Zündelektrode (39) aufweist, die eine Bohrung (40) aufweist, dass die Zündelektrode (39) gegenüber dem Brennraum (11) durch eine Abdeckplatte (41) abgedeckt ist und dass die Zündelektrode (39) gegenüber der Rückwand (9) isoliert ist.
18. Ionenquelle nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Gaseinlass (33) ein Einlassventil (34) mit einer Steuerung (35) aufweist und dass die Steuerung (35) ausgestaltet ist, ein Öffnen und Schließen des Einlassventils (34) und/oder einen unterschiedlichen Durchfluss durch das
Einlassventil (34) als Funktion der Zeit vorzusehen.
19. Ionenquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Abschlussplatte (2) einen Einlass (31) für Gas aufweist und dass der Einlass (31) durch die Abschlussplatte (2) in den Brennraum (11) führt.
20. Ionenquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass auf der von dem Brennraum (11) abgewandten Seite der Abschlussplatte (2) ein Extraktor (42) vorgesehen ist, dass der Extraktor (42) eine Durchtrittsöffnung (43) aufweist, die zur der Austrittsöffnung (3) ausgerichtet ist, dass zwischen dem Extraktor (42) und der Abschlussplatte (2) eine Beschleunigungsspannung anlegbar ist, dass von der Abschlussplatte (2) gesehen hinter dem
Extraktor (42) ein Magnetspektrometer (44) vorgesehen ist, dass ein Elektronenauffänger (45) vorgesehen ist, der benachbart zu dem Magnetspektrometer (44) angeordnet ist, und dass der Elektronenauffänger (45) so ausgestaltet ist, dass eine elektrische Spannung angelegt werden kann.
21. Ionenquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 20,. dadurch gekennzeichnet, dass die Abschlussplatte (2) an deren Umfang an einer Befestigungsplatte (4), die aus einem Isolatormaterial gebildet ist, angebracht ist.
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