WO1994003919A1 - Process and device for generating beams of any highly charged ions having low kinetic energy - Google Patents

Process and device for generating beams of any highly charged ions having low kinetic energy Download PDF

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WO1994003919A1
WO1994003919A1 PCT/EP1993/002047 EP9302047W WO9403919A1 WO 1994003919 A1 WO1994003919 A1 WO 1994003919A1 EP 9302047 W EP9302047 W EP 9302047W WO 9403919 A1 WO9403919 A1 WO 9403919A1
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plasma
ion
ion beam
ion source
axis
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PCT/EP1993/002047
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German (de)
French (fr)
Inventor
Jürgen ANDRÄ
Original Assignee
Andrae Juergen
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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01JELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J27/00Ion beam tubes
    • H01J27/02Ion sources; Ion guns
    • H01J27/16Ion sources; Ion guns using high-frequency excitation, e.g. microwave excitation
    • H01J27/18Ion sources; Ion guns using high-frequency excitation, e.g. microwave excitation with an applied axial magnetic field

Definitions

  • the invention relates to a method for generating rays of any highly charged ions of low kinetic energy (approximately 1 to 200 eV) with good brilliance according to the preamble of claim 1.
  • EZR ion sources It is known to extract highly charged ion beams from EZR ion sources with high yield.
  • the design features of known EZR ion sources are known from patent documents (EP 138 642, 130 607, 142 414, 145 584, 238 397, 252 845 and French laid-open documents 24 75 798, 25 12 623, 25 92 518) and other scientific and technical publications .
  • a plasma is enclosed by two or more circular, not necessarily identical magnetic coils that are at a certain axial distance from one another. A maximum of the magnetic field strength arises at the location of the coils on the axis of symmetry of the enclosed plasma and a minimum between the coils.
  • This magnetic field structure can be realized with conventional or with superconducting coils with the same or opposite current direction. In more recent designs, this axial magnetic field structure is also used with permanent magnets without Ver using coils.
  • the radial plasma confinement is effected by magnetic multipole sensors, usually hexapoles, which are usually constructed with permanent magnets. However, superconducting coils or iron-reinforced copper coils can also be used.
  • a cylindrical plasma chamber made of metal is used in this magnetic field structure on the axis of symmetry, which essentially serves as a vacuum chamber.
  • a low pressure of 10 -1 to 10 -3 Pa of the gas or gas mixture to be ionized is maintained in the plasma chamber.
  • the gas inlet takes place directly into the plasma chamber or into the pump lines between the vacuum pumps and the plasma chamber, with very often not only the gas to be ionized but also a so-called support gas being let in.
  • the microwave energy is coupled into the plasma chamber radially or axially with high-frequency waveguides or with coaxial lines, possibly in combination with antennas, a microwave-permeable but vacuum-tight window ensuring the vacuum closure of the plasma chamber.
  • the plasma electrode is a pierced electrode through which the ions are extracted axially using a drawing field.
  • This plasma electrode is arranged in the area of one of the two axial magnetic field maxima, hereinafter referred to as the front one.
  • the drawing field is built up by the voltage difference between the plasma electrode and another, pierced electrode, the so-called extraction electrode.
  • the plasma electrode and the entire plasma are at a more positive potential than the extraction electrode.
  • the geometrical shape and the axial distance of the plasma and extraction electrodes as well as their position relative to the magnetic field maximum and plasma partly determine the brilliance of the extracted ion beam. It is known to optimize the brilliance by the electrode gap and the axial magnetic field maximum can be varied during operation until the best brilliance of a desired ion type is achieved.
  • the brilliance of an ion beam is defined as the ion current of a given emittance, i.e. H. per beam cross-sectional area and solid angle, which are filled by the ion beam.
  • the surface normal and the axis of symmetry of the solid angle lie on the beam axis.
  • the brilliance is the measure for the achievable ion current per unit area and solid angle on a target surface.
  • Elements that are solid at room temperature are either introduced into the plasma in the form of gaseous chemical compounds or evaporated into the plasma or evaporated from the plasma itself after the element in question has been introduced into a plasma chamber in solid form.
  • ions of all elements can be generated with such EZR ion sources.
  • EZR ion sources are their relatively poor emittance relative to other ion sources, especially to electron beam ion sources. Despite absolutely high ion currents, optimal brilliance is not achieved. In applications where low-energy, highly charged ions are required, the non-optimal brilliance is a very disturbing, limiting
  • the plasma emission area is defined through the opening in the plasma electrode. This must necessarily be large in order to obtain a good acceleration field penetration up to the charged ions in the front EZR zone on the axis of symmetry. This leads to strong space charge expansions, which irreversibly deteriorate the emittance even over short stretches of an extraction stream. In addition, the average charge state of the extracted ions is reduced, since the ions have to pass through an area of neutral gases with significant density from the front of the EZR ion source to the extraction electrode, where they lose charge due to so-called resonant electron capture.
  • electron beam ion sources are known for the production of ion currents from highly charged ions.
  • An intense electron beam of given energy generates a mixture of charge states of the gas element up to high charge states in a given density in the geometric range of the highest electron beam density.
  • These uploaded ions are extracted either radially or axially from the area of high electron beam density with an electric pull field. This is generated between a pair of electrodes. Radial extraction does not allow an increase in the electron beam density due to a magnetic field running axially to the electron beam and requires the charged ions to pass through zones of relatively high gas density.
  • EBIS and EBIT sources result in an intense, axial electron beam in an axial magnetic field.
  • the magnetic field ensures the radial confinement of the ions, while the axial ion confinement can be ensured by pierced, negative electrode disks at the entrance and exit of the electron beam.
  • the ions are stored in an axial, mostly superconducting magnetic field structure over a relatively long distance of a few decimeters and exposed to the axial electron beam over their entire length in order to generate higher charge states through successive ionization, whereby the electron beam compressed in the magnetic field together acts as an ion trap with the magnetic field.
  • the ions After a selectable storage time of the ions, they are extracted axially from the source in the form of an ion beam pulse by changing the potentials of the pierced electrodes.
  • the EBIS source can be used to generate higher charge states with smaller absolute ion currents, but with much better emittance than with EZR sources, so that the brilliance of the EBIS source is greater, especially for highly charged ions than for EZR sources.
  • medium charge states q m 1 ⁇ 2.
  • the absolute ion currents from the EBIS source are not sufficient to compete with the brilliance of the EZR source.
  • EBIS sources also require a very high technical effort, which practically excludes their industrial use. The introduction of elements into the EBIS source, which are present at room temperature, is also very difficult, but is possible with high financial and technical effort in the form of ion injection.
  • the compressed electron beam has an extremely small diameter of the order of a few tens of ⁇ m, the ions can be extracted with very good emittance, as with the EBIS source, so that the brilliance of the EBIT source can be expected to be attractive values for very high charge states.
  • EBIT sources also require a very high technical outlay, which practically excludes the industrial use of previously known embodiments. The introduction of elements into the EBIT source that are permanently available at room temperature also creates great difficulties.
  • Extraction energy per charge and E 2 mean the decelerated energy of the ions per charge, so that the extraction brilliance must be as high as possible in order to achieve satisfactory brilliance of the decelerated ion beams.
  • the first object is achieved in a method for operating an ion source device of the type mentioned at the outset, which is characterized in that the ion beam coming from the plasma chamber and passing through the extraction electrode opens up behind the extraction electrode front surface (viewed in the direction of the ion beam) and is generated by the existing magnetic field the axis converging electron beam is sent towards the other side, so that a space charge compensating electron extraction channel for the ions is thereby formed.
  • the same basic idea also characterizes an ion source device of the aforementioned type, as follows from the characterizing part of claim 2.
  • the basic principles of EZR and electron beam ion sources are quasi combined to form an electron beam EZR hybrid ion source with space charge-compensated extraction for the generation of any uploaded ion beams with good emittance.
  • the aforementioned electron beam EZR hybrid ion source then results in a space charge-compensated extraction, in that, viewed in the direction of the ion beam behind the extraction electrode front surface and preferably concentrically around the ion beam, an intensive electron emission of approximately 10 to 400 eV energy is generated in such a way that the electron velocity vectors are parallel or superimposed on the magnetic stray field lines of the ion source so that the electrons on spiral tracks can follow these magnetic field lines into the plasma chamber, from the extraction electrode are accelerated to the plasma electrode in the pull field of the ions.
  • the ion current accelerated from the plasma is compensated for by the electrons in the entire superimposition region.
  • the EZR plasma serves as a supplier of high currents of highly charged ions, which are further ionized by the electron beam and channeled into a good emittance, the electron beam simultaneously increasing the electron density in the EZR plasma, so that the gas density is reduced can be and the average state of charge in the plasma is increased.
  • all known embodiments of EZR ion sources can be combined with the electron beam.
  • the electrons in the immediate vicinity of this zero crossing must be generated with velocity vectors parallel to the magnetic field lines in such a way that they are directed towards the extraction electrode on the side of the zero crossing facing the extraction electrode and on the side facing away from the extraction electrode Side of the zero crossing are directed away from the extraction electrode. Since, in the case of a hybrid ion source, the actual plasma area continues to have an EZR character, in principle everyone can also use her known methods of introducing ionizing elements and support gases in EZR ion sources continue to be used and improved if necessary.
  • a metallic extraction electrode with an inner cylinder is preferably used, in which there is an inner channel, on the inner walls of which highly charged ions, which diverge outwards at the periphery of the ion beam, produce secondary electrons with high yield.
  • these compensate for the space charge in the ion beam by means of axial velocity components in the direction of the ion beam; on the other hand, they generate an intense electron beam between the extraction and plasma electrodes by passing through the extraction field, which electron beam is accelerated into the plasma with the potential difference between the plasma and extraction electrodes, so that the ion current accelerated from the plasma between the plasma and the extraction electrode is compensated for space charge.
  • the electron beam is compressed in the magnetic field of the EZR ion source, which converges axially in the direction of the plasma electrode, so that there is a very small-area extraction channel for highly charged ions from the EZR zone to the extraction electrode.
  • the uploaded ions in the area from the EZR zone to the plasma electrode are temporarily stored and further ionized.
  • the extraction electrode preferably has a cylindrical inner channel in which the inner diameter is about 2: 1 to 3: 1 in length.
  • the inner channel can also be designed slightly conical, with it narrowing or widening slightly in the direction of the ion beam. Combinations of straight cylinders, an expanding inner cone and a narrowing inner cone are also possible. These are supposed to are subsumed under the term "substantially cylindrical”.
  • the inner channel of the extraction electrode is advantageously preceded by a front surface surrounding the inlet bore to the inner channel and concave towards the plasma chamber.
  • the method can also be carried out in that, viewed in the direction of the ion beam, behind the extraction electrode front surface at the potential of the extraction electrode and concentrically around the ion beam, an intensive low-energy electron emission is directed parallel to the magnetic stray field lines there and concentrically towards the ion beam and axially towards the plasma electrode.
  • this compensates for the space charge in the ion beam behind the extraction electrode front surface and, on the other hand, an intense electron beam is generated between the extraction and the plasma electrode of an EZR ion source.
  • the electrons are advantageously generated by glow emission with a relatively high anode voltage and are re-opened if necessary slowed down low energy.
  • electrons are extracted in the desired direction of the magnetic stray lines by glow emission from heating wires arranged conically and about the axis through an anode grid likewise arranged conically. Between the anode grid and a likewise conically arranged braking or post-acceleration grid, they can be braked to a desired energy or post-accelerated. Overheating of the overall arrangement can be prevented by cooling the extraction electrode body.
  • the electrons can be generated by field emission from micropoint surfaces arranged conically around the axis, and if necessary they can be decelerated or post-accelerated between the anode surface of the micropoints and a conical braking or post-acceleration grid.
  • the cone geometry can be replaced by a non-rotationally symmetrical emission geometry for the generation of the electrons by glow emission as well as by field emission with microdots, as long as it is ensured that the electrons are guided onto the axis by the magnetic stray field lines or by an additional guide field in the direction of the plasma electrode. This guiding field should influence the ions as little as possible.
  • the electron beam from the extraction electrode into the plasma can be made so intense with active generation and so much energy can be introduced into the plasma that the coupled microwave power for maintaining the plasma can be reduced to low values, in the limit case even to zero, since the electron beam then the plasma itself is supported with magnetic confinement and, in the limit, even completely gets right.
  • a significant increase in brilliance and emittance can be achieved if the plasma electrode - even during operation - of the ion source can be moved mechanically, axially relative to the plasma chamber. Furthermore, it is advantageous if both the piasmal electrode, the extraction electrode and possibly also the electron generation can be moved axially independently of one another and with a different stroke relative to the magnetic field structure and to the plasma chamber of the ion source.
  • a further significant improvement in the principle of the invention can be achieved if special precautions are taken for the introduction of solid elements, in particular by improving the evaporation technique.
  • the material to be evaporated is usually locked in a metal cylinder with a small axial steam outlet opening. This cylinder is thermally insulated, inserted axially from the rear into the EZR source until it touches the rear EZR zone, whereby it is heated.
  • Evaporation cylinder is not to be understood specifically, but generally in the sense of a cylindrical shape.
  • the well thermally conductive arm, the z. B. is formed as a copper tube, is connected to a well-defined heat sink (cooling).
  • the evaporation cylinder can be equipped with thermocouples in the front, in the middle and in the back be equipped, which allow an accurate temperature measurement along its axis.
  • the measured temperature, ie the signal from the heat sensors, is used to regulate the axial feed of the cylinder, so that the desired temperature is set for the optimal evaporation rate of the material to be ionized.
  • the contact between the cylinder and the heat sink should be small for very high temperatures and large for low temperatures.
  • the evaporation cylinder can additionally be provided with a heating coil.
  • the evaporation cylinder can therefore also be placed up to a few decimeters behind the EZR zone on the axis, so that an axial atomic (molecular) steam jet is directed into the plasma chamber.
  • the evaporation cylinder can also be attached outside the axis of the ion source. This makes it possible to arrange several evaporation cylinders charged with different materials around the ion source axis, which allows the element to be ionized to be successively changed during operation of the ion source.
  • the evaporation container is preferably provided with a gas flow opening in the direction of the thermally conductive arm. This embodiment preferably applies to all designs of evaporation cylinders.
  • a two-stage ion source is also advantageously used, in which two plasma confinement zones are provided by a microwave-transparent, differential pump aperture axial hole for the plasma passage are separated from each other.
  • a pressure drop is thus formed between the two plasma confinement zones, so that the plasma diffuses from the first zone through the aperture hole into the second zone on the extraction side.
  • a soft iron support in the form of a coaxial disk lying in front of the coil with an outer diameter that exceeds that of the coil by about 5 cm and with a central bore for the extraction is selected, so that the magnetic field strength outside the iron structure drops as quickly as possible without suffering a zero crossing of the field sign.
  • the rear field maximum is generated either like the front field by a coil with iron support or by radially arranged permanent magnets supported by soft iron, whereby a zero crossing of the field sign may occur.
  • the soft iron in the latter The arrangement can consist of two concentric rings, the outer diameter of the outer coil exceeding that of the front coil by approximately 5 cm and the inner diameter of the inner one being adapted to the passage for the microwave and gas supply. A multiple of six radially magnetized permanent magnets is arranged between the two rings in such a way that the polygonal outer diameter of the inner ring is fully equipped with permanent magnets.
  • the permanent magnets can have the shape of cuboids or trapezoids, they can also be replaced by a radially magnetized ring. If the other dimensions vary accordingly, one of the two soft iron rings can be omitted.
  • the field strength of the maxima is thereby increased and the external stray fields of the overall arrangement are reduced in that a soft iron cylinder with the inner diameter of the outer diameter of the front coil and about 5 cm larger outer diameter effects the main magnetic connection from the front soft iron disc to the rear, outer soft iron ring.
  • a small part of the magnetic flux in this soft iron cylinder is deflected in the radial direction by appropriate shaping shortly behind the coil and in the same way in front of the rear, concentric soft iron rings by a relatively thin, coaxial soft iron disk with a large inner diameter. This creates magnetic shunts through which the field strength of the field minimum between the two maxima can be determined as desired.
  • the soft iron cylinder of the magnetic main circuit therefore has a smaller thickness in the middle than at both ends. The thickness difference for the river deflections in the radial direction changes into the thickness of the two soft iron disks.
  • the soft iron disks can be on their respective Front and rear sides are covered with current-carrying coils so that the field minimum can be varied electrically during operation of the ion source.
  • the radial field generated by these disks can be strengthened by radially magnetized permanent magnets which are inserted into the slides in a similar manner to that described for the rear, concentric rings.
  • the stray field should be significantly stronger than other interfering fields, e.g. the earth's magnetic field or the stray field of an ion-optical component.
  • the electrons For the space charge compensation of the ion beam on the side of the zero crossing facing away from the plasma, the electrons must be generated as just described, but on this side of the zero crossing.
  • a coaxial, as strong as possible multipole field made of permanent magnets was placed in direct contact with the outer wall of the plasma chamber, as was customary so far, in order to ensure the radial magnetic inclusion of the plasma.
  • This permanent magnet multipole field may only be supported by soft iron, i.e. be reinforced that the axial magnetic field described above is not disturbed or only in a well-controlled manner.
  • FIGS. 1a, 1b and 1c show a schematic structure of a first arrangement of an electron beam EZR hybrid ion source, with details in FIGS. 1a, 1b and 1c;
  • FIG. 2 shows a second embodiment, with details in
  • FIGS 3 and 4 further embodiments, each with details in Figures 3a, 3b and 3c and 4a;
  • Figure 5 shows a modified embodiment with two or more evaporation cylinders and with details in Figure 5a;
  • FIG. 6 shows an embodiment of an arrangement for compensating for the intrinsic rotation of the ion beam when braking.
  • Embodiment 1 (see FIGS. 1, 1a, 1b and 1c)
  • 1, 1a, 1b and 1c schematically show an ion source device for the generation and extraction of ion beams, which corresponds to the CAPRICE type, as is evident from the documents of the European patent 138 642.
  • a plasma is magnetically enclosed in a plasma zone 1.
  • the magnetic confinement of the plasma in the plasma zone 1 is in this case effected by two coaxial coils 2, which are located in a composite iron yoke 3 (3a to 3f), and a permanent multipole magnet (Quadru-, Hexa- or Octopol) 4.
  • coaxial discs 3a, 3b with central bores for the Ex are used as soft iron support for the coils traction or selected for the microwave inlet (tube 11) so that the magnetic field strength outside the iron structure drops as quickly as possible without suffering a zero crossing of the field sign.
  • a field strengthening is achieved at the microwave inlet by a soft iron ring 3f.
  • the field strength of the axial magnetic field 5 (represented schematically by the curve) is thereby increased and the external stray fields of the overall arrangement are reduced in that the outer soft iron cylinder 3c establishes the main magnetic connection between the soft iron disks 3a and 3b.
  • a small part of the magnetic flux in this soft iron cylinder is deflected in the radial direction by appropriate shaping on the inside of the coils by a relatively thin, coaxial soft iron disk 3d and 3e with a large inside diameter. This creates magnetic shunts through which the field strength of the field minimum 6 between the two maxima 7 and 8 can be determined as desired.
  • the outer soft iron cylinder 3c therefore has a smaller thickness in the middle than at its two ends. The difference in thickness for the flow deflections in the radial direction changes into the thickness of the two soft iron disks.
  • the plasma zone 1 is enclosed by a cylindrical plasma chamber 9 designed as a partial cylinder. High-temperature metals, ceramics or quartz are used for this.
  • a plasma chamber made of electrically conductive material is separated from the soft iron yoke 3 and the multipole magnet 4 by an insulation layer 10.
  • the microwave power is coupled into the plasma chamber 9 through the coaxial tube 11.
  • a pipe 22, preferably made of copper, is inserted concentrically to the pipe 11 and can be moved axially.
  • a cylindrical ver Steaming container 20 is fitted with the help of a casing 21 at the end of the tube 22, as can also be seen from FIGS. 1b and 1c.
  • the sheath 21 of the cylindrical evaporation container 20 and the support tube 22 assume the role of the inner conductor of a microwave coaxial line, the outer sheath of which forms the tube 11, ie the microwave power is thus coupled into the plasma chamber 9.
  • the plasma chamber 9 is closed off by a pierced plasma electrode 12. Furthermore, there is an extraction electrode 13 which has a hollow, cylindrical shape and the end 13 'of which is solid with a cylindrical inner channel 15.
  • the extraction electrode 13 lies opposite the plasma electrode 12 at a negative potential, so that a so-called pulling field is formed between these two electrodes, which extracts an ion beam 16 through the plasma electrode 12 from the plasma 1 created by the coupling of the microwave power, which then forms the inner channel 15 of the Extraction electrode 13 penetrates; the inner channel can therefore also be referred to as an extraction channel.
  • the extraction electrode 13 is axially movable relative to the plasma electrode 12. In order to achieve this mobility, a vacuum-tight bellows 14 is provided for the corresponding
  • Parts of the ion source device are arranged, as can be seen from FIG. 1.
  • FIG. 1 a shows the situation in an enlarged view.
  • the axially drilled inner channel 15, through which the ion beam 16 passes, is designed as an elongated cylinder jacket or as a weak, positive or negative cone, the length being centered behave like 2: 1 to 3: 1.
  • the front surface 17 of the extraction electrode 13 is made concave in the region up to approximately three times the bore diameter, the radius of curvature of the concavity corresponding approximately to three to five times the radius of the inner channel 15.
  • Parts of the diverging ion beam 16 hit the inner wall of the inner channel 15 and generate there a number of very low-energy secondary electrons, corresponding to approximately q 2 , which increases rapidly with the charge of the ions.
  • These secondary electrons have radial but also axial speed components.
  • Another part of the secondary electrons with velocity components in the direction of the ion beam 16 runs with the ion beam and compensates for its space charge in the area 19 up to the next ion-optical component.
  • This space charge compensation in region 19 largely prevents and prevents the Coulomb explosion of the very intense ion beam after the extraction thus also improving its emittance and brilliance.
  • FIG. 1b and 1c show examples of evaporation containers 20.
  • the cylinders are inserted axially into the plasma chamber 9 from behind. They are each supported by a jacket 21 and a heat-conducting tube 22 as an arm, which is connected at its rear end 23 to a heat sink (cooling) in order to generate a well-defined heat loss at the rear end of the evaporation container 20.
  • the heat-conducting tube 22 is preferably made of copper.
  • thermocouples 25 are attached along the evaporation container 20, which not only allow temperature reading, but also allow the axial, motorized feed of the evaporation container 20 to be controlled by means of an electronic control circuit in comparison with a setpoint temperature, as in FIG 1 schematically outlined.
  • a corresponding signal can be generated via a differential amplifier (not shown).
  • the evaporation container 20 is shown in FIG. 1b as a closed container (first embodiment) with a small opening 26 for the steam outlet in the direction of the plasma. In FIG. 1c (second embodiment), it also has a second opening 27 at the rear end, through which an additional gas can flow through the evaporation container from behind during operation.
  • Embodiment 2 see FIGS. 2 and 2a
  • FIG. 2 schematically shows a two-stage ion source device which doubles the principle of the CAPRICE type ion source according to FIG. 1.
  • a plasma chamber 9 two plasma zones 1 'and 1 "are formed with different pressures.
  • the rear zone 1" has the higher pressure and therefore has a plasma zone with a lower mean state of charge in the plasma, while the front zone 1' has the lower pressure and therefore has a higher mean state of charge of the plasma in the plasma zone 1 '.
  • the plasma chamber 9 is separated into the two areas by a differential pump aperture 30, which is partially transparent to the microwave. Pumping takes place on the (left) extraction side. The gas or vapor to be ionized is admitted from the rear (right).
  • this ion source is realized in comparison to that in FIG. 1 by an elongated soft iron yoke 31, by three coils 32 and by two multipole permanent magnets 33.
  • the cylindrical wall of the extraction electrode 13, which is movable in the axial direction, is broken through in such a way that a heat-resistant, electrically insulating body 35, which is shaped in this way, can be fastened in the interior of the extraction electrode 13 in a fixed position 34 relative to the soft iron yoke 31 of the ion source and is drilled to allow wires to be clamped onto three electrically separated cone surfaces 36, 37, and 38.
  • the wires can be clamped in a spiral or, as here, in planes parallel to the axes.
  • a potential protection 39 on the isolating body 35 ensures that they run through it de ion beam 16 is always exposed to the potential of the extraction electrode.
  • the wire of the cone surface 36 is heated and so this cone surface is used as a hot cathode grid for electron emission of the energy U K eV.
  • the wire on the cone surface 37 is charged to positive voltage U A , so that a conical anode grid for the increased extraction of the electrons from the hot cathode grid with an electron energy of e • (
  • the wire on the cone surface 38 is at the same potential U E as the extraction electrode 13 and thus forms a conical brake grid, so that the electrons pass through this grid with the final energy e ⁇ U K eV.
  • an intensive electron emission of about 10 to 400 eV energy can be generated actively, concentrically around the ion beam and perpendicular to the conical lattice surfaces in such a way that the electron velocity vectors are approximately parallel or antiparallel to the magnetic stray field lines of the ion source if the opening angles of the conical ones Grids are adapted to the local magnetic lines.
  • the electrons generated in this way follow the magnetic field lines into the plasma 1, where they converge on spiral paths around these magnetic field lines up to the maximum of the axial magnetic field to a minimum electron beam diameter and then diverge again and at the same time accelerate from the extraction electrode surface 17 to the plasma electrode 12 in the pulling field of the ions become.
  • the ion beam 16 accelerated from the plasma is offered in the entire superimposed area by the electron beam 18 an extraction channel which compensates for space charge and which increases its brilliance.
  • a cooling 28 of the extraction electrode 13 is provided in order to prevent the glu to dissipate heat developed.
  • the electron generation described in FIG. 2a is attached as close as possible to this component in FIG. arranged at a great distance from the plasma electrode 12, where the magnetic stray field components of the ion source just outweigh other stray fields and thus ensure a well-defined electron beam.
  • the concentric and rotationally symmetrical electron generation can be replaced by asymmetrical electron generation on one side of the axis if the magnetic guidance of the electrons ensures that the Electrons converge towards the axis of the ion source and, especially in the extraction area between the extraction electrode 13 and the plasma electrode 12 in the area near the axis, offer an extraction channel and a space charge compensation for the ions.
  • Embodiment 3 (see FIGS. 3, 3a, 3b and 3c)
  • FIG. 3 shows a magnetic field configuration and the resulting axial magnetic field component 40 on the axis, in which the left magnetic field maximum 41 is generated by a current-carrying coil 42 and the right magnetic field maximum 43 by permanent magnets 44 arranged radially over the entire circumference, with a zero crossing of the field sign takes place.
  • a multiple of six radially magnetized permanent magnets 44 is arranged between the two rings 45 and 46 such that the polygonal outer diameter of the inner ring is fully equipped with permanent magnets.
  • the permanent magnets 44 can have the shape of cuboids or trapezoids, they can also be replaced by a radially magnetized ring. With a corresponding variation of the other dimensions, one of the two soft iron rings 45 or 46 can be omitted.
  • the arrangement is completed by a permanent multipole magnet 53 for radial, magnetic confinement of the plasma.
  • micropoint arrangement 48 As can be seen from FIG. 3a, electrons can be actively generated in the interior of the extraction electrode 13 on a cone jacket analogous to embodiment 2. In contrast to embodiment 2, the electrons are not generated here by glow emission, but with a so-called micropoint arrangement 48, as shown enlarged in FIG. 3a.
  • Such a micropoint arrangement 48 consists of approximately 1 ⁇ m conical tips 49 at intervals of 10 ⁇ m, so that there are 10,000 micropoints per mm 2 .
  • Such a construction is known from the publications such as follows: CA Spindt, I. Brodie, L.
  • the electron generation described in FIG. 3a is placed as close as possible to this component, that is to say arranged at a great distance from the plasma electrode 12, so that the overlapping region of the ion beam 16 and electron beam 18 fills the entire space near the axis up to the first ion-optical component.
  • the opening angle of the Electron production cone is adapted to the direction of the magnetic stray field components in this area.
  • the evaporation container 20 in this example is actively heated by a heating coil 54, as is shown enlarged in FIG. 3c. You will z. B.
  • exemplary embodiment 1 carried by a cylindrical ceramic holder 55 with a furrow spiral 56. Otherwise, all the essential features of exemplary embodiment 1 are obtained, as were explained with reference to FIGS. 1b and 1c.
  • the current is supplied by a single supply line 57, because the return line is taken over by the conductive sheathing 21 of the ceramic cylinder 55 and by the heat-conducting carrier tube 22.
  • Embodiment 4 (see FIGS. 4 and 4a)
  • the exemplary embodiment according to FIG. 4 schematically shows an embodiment in which the front 60 (in the sketch on the left) and the rear magnetic field maximum 61 for the axial inclusion of the plasma 1 are generated by radially magnetized permanent magnets 62.
  • the radial permanent magnets are embedded in concentric soft iron rings 63 and 64 for the front maximum and 65 and 66 for the rear maximum so that the polygonal outer diameter of the inner rings and the polygonal inner diameter of the outer rings are fully equipped with permanent magnets.
  • the permanent magnets 62 can take the form of cuboids or
  • Trapezoids they can also be replaced by a radially magnetized ring. With a corresponding variation of the other radial dimensions, either the outer or the inner soft iron ring can be omitted.
  • a soft iron cylinder 3c serves as a mechanical spacer and as the main magnetic circuit of the overall arrangement.
  • a permanent multipole magnet 68 again ensures the magnetic radial confinement of the plasma 1.
  • the soft iron rings and their fitting with radial permanent magnets on the extraction side are significantly longer than on the back of the ion source, with a ratio of 1: 0.8 to 1: 1.2 between the inner diameter of the inner ring 63 and its axial length is desirable.
  • the resultant lower axial field gradient in the region of the zero crossing of the sign of the axial magnetic field component 69 is used profitably for the arrangement of an active electron production which is concentric about the axis and takes place on a cone surface with a suitable opening angle, as shown in FIG 4a is shown enlarged.
  • 3a of embodiment 3 is chosen in a double arrangement, mirror-symmetrical to the zero crossing, "once with the cone 70 opening towards the plasma and once with the cone 71 opening in the opposite direction.
  • the two microdot cones with respective anode and brake grids 51 are carried by a common carrier body 72 made of any heat-resistant material (preferably ceramic) and centered exactly on the zero crossing, for this purpose the carrier body is mechanically fixed to the soft iron structure via a metallic cylinder 73, via insulation elements 74 and via a holder 75 connected to the ion source, the carrier body 72 and the Zy Linder 73 are electrically connected to the brake grids 51 and the extraction electrode 13.
  • This arrangement of electron generation compensates for the space charge of the ion beam 16 in the region from the zero crossing to the plasma electrode 12 by the electron beam 18 and in the region from the zero crossing to the next ion-optical component by the electron beam 76.
  • the resulting improved brilliance of the ion source can be further optimized by varying the axial position of the plasma electrode 77 and independently of the extraction electrode 78. This is necessary because the electron generation and the magnetic field configuration are fixed in space and time by permanent magnets and therefore only these mechanical variations are available for optimization.
  • the microwave supply with its vacuum window 81 is schematically indicated here for longer microwave lengths with a Lecher line 82, the two conductors being shown next to one another in FIG. 4, but in reality are supposed to lie one behind the other.
  • Embodiment 5 (see FIGS. 5 and 5a)
  • the exemplary embodiment according to FIG. 5 schematically shows a magnetic field configuration equivalent to exemplary embodiment 4, as is evident from the similarity of the course of the FIG axial magnetic field component on the axis 90 with the course 69 shown in FIG. However, it differs significantly in that an iron-free design, which is only constructed with permanent magnets, is shown.
  • the radially magnetized permanent magnet rings embedded in soft iron in FIG. 4 are arranged here in direct contact with the outer wall (including insulation and possible cooling) of the plasma chamber 91 to 93.
  • the front ring which is attached in the area of the extraction, is in two rings 92 and 93 divided, wherein the ring 92 can have a larger inner diameter than the ring 93, which are separated by a space 94, so as to bring about a minimum of the positive slope of the axial magnetic field component 90 in the region of the electron generation 95.
  • additional, radially magnetized permanent magnet rings 96 and 97 have to be attached here, which reduce the field of the permanent magnet main rings 91 to 93 to the center in such a way that their strength and position reduce the depth of the magnetic field minimum 98, relative to the front maximum 110 and to the rear maximum 111 of the magnetic mirror field.
  • composition of the radially magnetized permanent magnet rings can be carried out as in exemplary embodiment 4 or using adhesive technology.
  • the axial magnetic structure is again supplemented by a permanent multipole magnet 99 for the radial confinement of the plasma 1.
  • FIGS. 4 and 4a The small axial field gradient caused by the gap 94 between the radially magnetized permanent magnet rings 92 and 93 at the zero crossing of the sign of the axial magnetic field component 90 (further simply called zero crossing) is analogous to FIGS. 4 and 4a is also used here profitably for the arrangement of active electron generation which is concentric about the axis and takes place on a cone surface with a suitable opening angle, as is shown enlarged in FIG. 5a.
  • Electron generation with glow emission according to FIG. 2a of embodiment 2 is selected here in a double arrangement, mirror-symmetrical to the zero crossing, one with opening of the
  • the two glow emission cones 102 with respective anode 103 and brake grids 104 are carried by a common carrier body 105 made of any high-temperature-resistant material (preferably ceramic) and centered exactly on the zero crossing.
  • the carrier body 105 is mechanically connected to the soft iron structure of the ion source via a metallic cylinder 106, via insulation elements 107 and via a holder 108, the carrier body 105 and the cylinder 106 being electrically connected to the brake grids 104 and the extraction electrode 13.
  • This arrangement of electron generation compensates for the space charge of the ion beam 16 in the region from the zero crossing to the plasma electrode 12 by the electron beam 18 and in the region from the zero crossing to the next ion-optical component by the electron beam 76.
  • the resulting improved brilliance of the ion source can be further optimized by varying the axial position of the plasma electrode 77 and independently of the extraction electrode 78.
  • FIG. 5 also schematically shows how at the same time a plurality of evaporation containers 20, actively heated by heating coils and charged with different substances, outside the actual ion source body with the steam direction into the plasma 1 and with steam jet valves len 109 can be attached. It is thus possible to change the vapor material and recharge the evaporation containers while the ion source device is operating.
  • Axis of the ion source device is and the coupling location can be freely selected between the permanent magnet rings 96 and 97.
  • the incident microwave power can be coupled out again on the opposite one, or can be reflected in a manner adapted in such a way by a rectangular waveguide piece 86 with a movable closing piston 87 that a standing wave with a field maximum arises on the axis of the plasma chamber.
  • the same standing microwave with a field maximum on the axis of the plasma chamber can also be achieved actively by symmetrically supplying two identical microwave powers with corresponding phase adaptation from above 84 and from below 86 in FIG.
  • the rectangular waveguide 88 and thus also the microwave coupling can take place at angles other than 90 degrees to the axis of the plasma chamber, so that the field maximum not only on the axis but also e.g. is forced near the front resonance zone 89.
  • microwave supply from three radial directions offset by 120 degrees with corresponding phase adjustments of 120 degrees each a maximum electrical field vector rotating about the ion source axis can be generated on the ion source axis.
  • Plasma chamber of approximately less than 0.59 of the wavelength of the microwave used.
  • microwave resonances in the plasma chamber and thus not only unstable functional areas of the ion source, but also the axial microwave power transport to cyclotron resonance areas outside the multipole magnet are reduced.
  • a standing microwave with an electric field maximum is almost achieved on the axis of the ion source by reflection on the opposite plasma chamber wall.
  • Embodiment 6 (see FIG. 6)
  • the exemplary embodiment 6 according to FIG. 6 shows schematically the braking of an ion beam 120 in a system of five pierced electrode disks 121 to 125, to which a magnetic field is superimposed with the aid of a coil 127 supported by a soft iron yoke 126.
  • the ion beam 120 which originally comes from the right with 20q keV beam energy, is focused at point 128 and then passes through the five electrodes which are on the in
  • Figure 6 potentials are, and will be braked to the final energy of 1q keV and focused at point 129.
  • q is the charge of the ions in the ion beam.
  • the shape and the axial position of the course of the axial magnetic field component 130 shown are chosen so that the still high-energy ion beam enters the magnetic field in such a way that it experiences a strong inherent rotation due to the radial components of the increasing magnetic field 130 which are necessarily present and which emerge from the Magnetic field with lower energy is only partially reversed. 6, a well-defined self-rotation of the ion beam about its own axis is generated, which depends on the shape and the axial position of the magnetic field and the deceleration factor depend..
  • the beam rotation generated in this way can be made the same in sign and strength in exactly the opposite direction as the beam's own rotation, as the ion beam 120 incident from the right has due to its acceleration of extraction from areas with radial magnetic field components of the ion source.
  • the net result after the deceleration of the ion beam is therefore an ion beam 131 without self-rotation and thus an ion beam with better emittance and brilliance.
  • the extraction electrode (13) has a substantially cylindrical inner channel (15), in which preferably the inner diameter is about 2: 1 to 3: 1 to the length;
  • the inner channel (15) of the extraction electrode is preceded by a front surface (17) surrounding the inlet bore to the inner channel and concave towards the plasma chamber, which preferably has a radius of curvature which corresponds to three to five times the inner diameter of the inner channel (15);
  • micropoint surfaces (48) suitable for field emission are arranged concentrically and conically around the axis of the extraction electrode, from which electrons can be extracted by means of a drawing voltage between the micropoints (49) and the associated anode hole matrix (50);
  • the evaporation container (20) consists of heat-resistant material, is provided with a steam outlet opening (26), and with the help of a jacket (21) at the end of a heat-conducting arm (22)
  • the other end (23) can be cooled and with which the evaporation container (20) with its casing (21) can be displaced in the vicinity of an EZR zone (24) located in the plasma chamber;
  • the arm is a thermally conductive tube (22), preferably of the same diameter as the casing (21) of the evaporation container (20);
  • a heating device preferably consisting of heating coil (s) (54);
  • That the evaporation tank (20) is an evaporation cylinder made of a ceramic carrier cylinder the (55) is surrounded, which in turn carries the heating coil (54), and that the current is supplied via a wire (57) and the current is discharged via the casing (21) and the support arm designed as a tube (22);
  • That the plasma chamber (9) of a two-stage ion source device is divided into two plasma areas (1 'and 1 ") by a perforated aperture that is as transparent as possible for microwaves and as tight as possible for gas, the plasma from the first area
  • Ion source device characterized in that the radially magnetized permanent magnets (62) packed between soft iron rings (63) and (64) are replaced by a radially magnetized permanent magnet ring with an outer soft iron ring, the inside diameter of the permanent magnet ring changing to its length as less than 1: 0. 6 behaves;
  • the soft iron support of the magnetic field generation in the interior is equipped with two soft iron disks (3d) or (3e) for the purpose of magnetic shunt, which are to be dimensioned so that the magnetic field minimum (6,52,67,98) the desired value relative to the magnetic field maxima (7.41.60.99) or (8.43.61.100);
  • Field vector perpendicular to the ion source axis is coupled into a plasma chamber, the metallic inner diameter of which is chosen to be less than 0.59 times the microwave length in a vacuum, so that the microwave is reflected on the cylinder wall opposite the coupling and thus a standing wave with maximum amplitude near the plasma chamber axis arises;
  • Partial waves are chosen so that a standing microwave with a field maximum is formed on the ion source axis in the plasma range;
  • Rectangular waveguides attached to the ion source axis are radially coupled into the plasma chamber between the poles of the permanent multipole magnet, the phase position of the N partial waves being selected so that a standing microwave with an electric field maximum is formed on the ion source axis in the plasma region, the electric field vector of which rotates with the microwave frequency around the ion source axis ;
  • the microwave power is coupled radially into the plasma chamber with rectangular waveguides between the poles of the permanent magnet dipole magnet, the axes of the rectangular waveguides taking an angle other than 90 degrees with respect to the axis of the ion source;
  • the plasma chamber is designed in the entire area of the magnetic structure as a continuous, metal-coated, microwave-transparent quartz or ceramic tube, which at the same time assumes the vacuum window function for the microwave supply;
  • isolation circuit 20 evaporation container - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
  • Magnetic field profile 50 Anode matrix 41 Magnetic field maximum 51 Brake grid 42 Coil 52 Magnetic field minimum 43 Magnetic field maximum 53 Multipole magnet 44 Radial permanent magnet. 54 Heating winding 45 Soft iron inner ring 55 Ceramic body 46 Soft iron outer ring 56 Furrow spiral 47 Auxiliary coils 57 Power supply 48 Electron generation 49 Micropoint cone - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

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Abstract

A plasma chamber (5) is disclosed in which the vacuum required for generating the plasma is generated and in which the microwaves are input, with a plasma electrode (10) and an extraction electrode (13) through which the generated ions are extracted from the plasma, a so-called drawing field being formed between the plasma electrode and the extraction electrode by a potential difference (about 20 kV). The plasma chamber (5) is equipped with one or several material evaporating ovens (8) which allow plasmas and thus ions of any desired elements to be generated. An electrically and magnetically directed electron beam (12) generated in the extraction electrode (13) is superimposed on the ion beam (11) coming from the plasma chamber (5) and running through the plasma and extraction electrodes (10 and 13), so that an electronic extraction channel with space charge compensation for the ions is formed.

Description

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Verfahren zur Erzeugung von Strahlen beliebiger, hochgeladener Ionen niedriger kinetischer Energie sowie Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens Method for generating rays of any high-energy ions with low kinetic energy and device for carrying out the method
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung von Strahlen beliebiger, hochgeladener Ionen niedriger kinetischer Energie (etwa 1 bis 200 eV) mit guter Brillanz gemäß Oberbegriff des. Anspruches 1. The invention relates to a method for generating rays of any highly charged ions of low kinetic energy (approximately 1 to 200 eV) with good brilliance according to the preamble of claim 1.
Es ist bekannt, Strahlen hochgeladener Ionen mit hoher Ausbeute aus EZR-Ionenquellen zu extrahieren. Die Konstruktionsmerkmale bekannter EZR-Ionenquellen sind aus Patentdokumenten (EP 138 642, 130 607, 142 414, 145 584, 238 397, 252 845 sowie französischen Offenlegungsschriften 24 75 798, 25 12 623, 25 92 518) und anderen wissenschaftlich-technischen Veröffentlichungen bekannt. Nach den Vorveröffentlichungen wird ein Plasma durch zwei oder mehrere kreisförmige, nicht notwendigerweise identische Magnetspulen, die in einem gewissen axialen Abstand voneinander stehen, eingeschlossen. Auf der Symmetrieachse des eingeschlossenen Plasmas entsteht jeweils am Ort der Spulen ein Maximum und zwischen den Spulen ein Minimum der Magnetfeldstärke. Diese Magnetfeldstruktur läßt sich mit herkömmlichen oder mit supraleitenden Spulen mit gleichsinniger oder entgegengesetzter Stromrichtung realisieren. In neueren Konzeptionen wird diese axiale Magnetfeldstruktur auch mit Permanent-Magneten ohne Ver wendung von Spulen realisiert. Der radiale Plasmaeinschluß wird durch magnetische Multipolfeider, meist Hexapole, bewirkt, die meist mit Permanent-Magneten aufgebaut sind. Es können aber auch supraleitende Spulen oder eisenbewehrte Kupferspulen verwendet werden. It is known to extract highly charged ion beams from EZR ion sources with high yield. The design features of known EZR ion sources are known from patent documents (EP 138 642, 130 607, 142 414, 145 584, 238 397, 252 845 and French laid-open documents 24 75 798, 25 12 623, 25 92 518) and other scientific and technical publications . According to the previous publications, a plasma is enclosed by two or more circular, not necessarily identical magnetic coils that are at a certain axial distance from one another. A maximum of the magnetic field strength arises at the location of the coils on the axis of symmetry of the enclosed plasma and a minimum between the coils. This magnetic field structure can be realized with conventional or with superconducting coils with the same or opposite current direction. In more recent designs, this axial magnetic field structure is also used with permanent magnets without Ver using coils. The radial plasma confinement is effected by magnetic multipole sensors, usually hexapoles, which are usually constructed with permanent magnets. However, superconducting coils or iron-reinforced copper coils can also be used.
In diese Magnetfeldstruktur wird auf der Symmetrieachse eine zylindrische Plasmakammer aus Metall eingesetzt, die im wesentlichen als Vakuumkammer dient. In der Plasmakammer wird ein niedriger Druck von 10-1 bis 10-3 Pa des zu ionisierenden Gases oder Gasgemisches aufrecht erhalten. Der Gaseinlaß erfolgt direkt in die Plasmakammer oder in die Pumpleitungen zwischen den Vakuumpumpen und der Plasmakammer, wobei sehr häufig nicht nur das zu ionisierende Gas, sondern auch ein sogenanntes Unterstützungsgas eingelassen wird. Die Mikrowellenenergie wird mit Hochfrequenz-Hohlleitern oder mit Koaxialleitungen, eventuell in Kombination mit Antennen, radial oder axial in die Plasmakammer eingekoppelt, wobei ein mikrowellen-durchlässiges, aber vakuumdichtes Fenster den Vakuumabschluß der Plasmakammer gewährleistet. Bei der Plasmaelektrode handelt es sich um eine durchbohrte Elektrode, durch welche die Ionen mittels eines Ziehfeldes axial extrahiert werden. Diese Plasmaelektrode ist im Bereich eines der beiden axialen Magnetfeldmaxima, im folgenden als vorderes bezeichnet, angeordnet. Das Ziehfeld wird durch Spannungsdifferenz zwischen der Plasmaelektrode und einer weiteren, durchbohrten Elektrode, der sogenannten Extraktionselektrode aufgebaut. Die Plasmaelektrode und das gesamte Plasma liegen auf einem positiveren Potential als die Extraktionselektrode. A cylindrical plasma chamber made of metal is used in this magnetic field structure on the axis of symmetry, which essentially serves as a vacuum chamber. A low pressure of 10 -1 to 10 -3 Pa of the gas or gas mixture to be ionized is maintained in the plasma chamber. The gas inlet takes place directly into the plasma chamber or into the pump lines between the vacuum pumps and the plasma chamber, with very often not only the gas to be ionized but also a so-called support gas being let in. The microwave energy is coupled into the plasma chamber radially or axially with high-frequency waveguides or with coaxial lines, possibly in combination with antennas, a microwave-permeable but vacuum-tight window ensuring the vacuum closure of the plasma chamber. The plasma electrode is a pierced electrode through which the ions are extracted axially using a drawing field. This plasma electrode is arranged in the area of one of the two axial magnetic field maxima, hereinafter referred to as the front one. The drawing field is built up by the voltage difference between the plasma electrode and another, pierced electrode, the so-called extraction electrode. The plasma electrode and the entire plasma are at a more positive potential than the extraction electrode.
Die geometrische Form und der axiale Abstand der Plasmaund Extraktionselektroden als auch ihre Position relativ zum Magnetfeldmaximum und Plasma bestimmen zum Teil die Brillanz des extrahierten Ionenstrahls. Es ist bekannt, die Brillanz zu optimieren, indem der Elektrodenabstand und das axiale Magnetfeldmaximum während des Betriebs variiert werden, bis die beste Brillanz einer gewünschten Ionensorte erreicht ist. The geometrical shape and the axial distance of the plasma and extraction electrodes as well as their position relative to the magnetic field maximum and plasma partly determine the brilliance of the extracted ion beam. It is known to optimize the brilliance by the electrode gap and the axial magnetic field maximum can be varied during operation until the best brilliance of a desired ion type is achieved.
Als Brillanz eines Ionenstrahls ist definiert der Ionenstrom einer gegebenen Emittanz, d. h. pro Strahlquerschnittsfläche und Raumwinkel, die vom Ionenstrahl ausgefüllt werden. Die Flächennormale und die Symmetrieachse des Raumwinkels liegen auf der Strahlachse. Je kleiner die Emittanz und je größer die Brillanz ist, desto besser ist die Ionenquelle mit ihrer Extraktion, denn die Brillanz läßt sich durch keine ionenoptische Manipulation verbessern (Theorem von Liouville). Die Brillanz ist das Maß für den erzielbaren Ionenstrom pro Flächeneinheit und Raumwinkel auf einer Zielfläche (Target). The brilliance of an ion beam is defined as the ion current of a given emittance, i.e. H. per beam cross-sectional area and solid angle, which are filled by the ion beam. The surface normal and the axis of symmetry of the solid angle lie on the beam axis. The smaller the emittance and the greater the brilliance, the better the ion source with its extraction, because the brilliance cannot be improved by ion-optical manipulation (Liouville theorem). The brilliance is the measure for the achievable ion current per unit area and solid angle on a target surface.
Im kontinuierlichen Betrieb derartiger EZR-Ionenquellen können hohe absolute Ionenströme mittleren Ladungszustandes qm = ½ · Z erzielt werden. (Z = Ordnungszahl des entsprechenden, gasförmigen Elementes). In the continuous operation of such EZR ion sources, high absolute ion currents of medium charge q m = ½ · Z can be achieved. (Z = atomic number of the corresponding gaseous element).
Elemente, die bei Zimmertemperatur fest vorliegen, werden entweder in Form gasförmiger, chemischer Verbindungen in das Plasma eingebracht oder in das Plasma eingedampft oder vom Plasma selbst verdampft, nachdem das betreffende Element in fester Form in eine Plasmakammer eingebracht wurde. Bei derartigen EZR-Ionenquellen lassen sich also im Prinzip Ionen aller Elemente erzeugen. Elements that are solid at room temperature are either introduced into the plasma in the form of gaseous chemical compounds or evaporated into the plasma or evaporated from the plasma itself after the element in question has been introduced into a plasma chamber in solid form. In principle, ions of all elements can be generated with such EZR ion sources.
Als nachteilig erweist sich bei EZR-Ionenquellen ihre relativ schlechte Emittanz relativ zu anderen Ionenquellen, speziell zu Elektronenstrahl-Ionenquellen. Trotz absolut hoher Ionenströme wird keine optimale Brillanz erzielt. Bei Anwendungen, wo niederenergetische, hochgeladene Ionen benötigt werden, stellt die nicht optimale Brillanz einen sehr störenden, begrenzenden A disadvantage of EZR ion sources is their relatively poor emittance relative to other ion sources, especially to electron beam ion sources. Despite absolutely high ion currents, optimal brilliance is not achieved. In applications where low-energy, highly charged ions are required, the non-optimal brilliance is a very disturbing, limiting
Faktor dar. Die Gründe für die relativ schlechte Emittanz von EZR-Ionenquellen sind in der sehr großen Plasmaemissionsflache und in dem großen Extraktionsstrom von mehreren mA zu suchen. The reasons for the relatively poor emittance of EZR ion sources are to be found in the very large plasma emission area and in the large extraction current of several mA.
Man definiert die Plasmaemissionsflache durch die Öffnung in der Plasmaelektrode. Diese muß notwendigerweise groß sein, um einen guten Beschleunigungsfeldurchgriff bis zu den hochgeladenen Ionen in der vorderen EZR-Zone auf der Symmetrieachse zu erhalten. Damit kommt es zu starken Raumladungsexpansionen, die selbst auf kurzen Strecken eines Extraktionsstromes irreversibel die Emittanz verschlechtern. Außerdem wird der mittlere Ladungszustand der extrahierten Ionen reduziert, da die Ionen von der Vorderseite der EZR-Ionenquelle bis zur Extraktionselektrode einen Bereich neutraler Gase mit nennenswerter Dichte durchlaufen müssen, wo sie durch sogenannten resonanten Elektroneneinfang an Ladung verlieren. The plasma emission area is defined through the opening in the plasma electrode. This must necessarily be large in order to obtain a good acceleration field penetration up to the charged ions in the front EZR zone on the axis of symmetry. This leads to strong space charge expansions, which irreversibly deteriorate the emittance even over short stretches of an extraction stream. In addition, the average charge state of the extracted ions is reduced, since the ions have to pass through an area of neutral gases with significant density from the front of the EZR ion source to the extraction electrode, where they lose charge due to so-called resonant electron capture.
Alternativ zu EZR-Ionenquellen sind ElektronenstrahlIonenquellen bekannt für die Produktion von Ionenströmen hochgeladener Ionen. Ein intensiver Elektronenstrahl gegebener Energie erzeugt in einem Gas gegebener Dichte im geometrischen Bereich höchster Elektronenstrahldichte ein Ladungszustandgemisch des Gas-Elementes bis zu hohen Ladungszuständen. Diese hochgeladenen Ionen werden entweder radial oder axial aus dem Bereich hoher Elektronenstrahldichte mit einem elektrischen Ziehfeld extrahiert. Dieses wird zwischen einem Elektrodenpaar erzeugt. Eine radiale Extraktion erlaubt keine Erhöhung der Elektronenstrahldichte durch ein axial zum Elektronenstrahl verlaufendes Magnetfeld und erfordert die Passage der hochgeladenen Ionen durch Zonen relativ hoher Gasdichte. Bei axialer Extraktion entfallen diese Nachteile, so daß im folgenden nur noch Ionenquellen mit axialer Extraktion diskutiert werden, wofür die EBIS-Quelle (engl.: "Electron Beam Ions Source") [M. P. Stöckli, Zeitschrift für Physik D, Zeitschrift für Physik D, Band 21, Supplement, Seiten Slll bis S115, 1991] und die EBIT-Quelle As an alternative to EZR ion sources, electron beam ion sources are known for the production of ion currents from highly charged ions. An intense electron beam of given energy generates a mixture of charge states of the gas element up to high charge states in a given density in the geometric range of the highest electron beam density. These uploaded ions are extracted either radially or axially from the area of high electron beam density with an electric pull field. This is generated between a pair of electrodes. Radial extraction does not allow an increase in the electron beam density due to a magnetic field running axially to the electron beam and requires the charged ions to pass through zones of relatively high gas density. at Axial extraction eliminates these disadvantages, so that only ion sources with axial extraction are discussed below, for which the EBIS source ("Electron Beam Ions Source") [MP Stöckli, Zeitschrift für Physik D, Zeitschrift für Physik D, volume 21, Supplement, pages Slll to S115, 1991] and the EBIT source
(engl. : "Electron Beam Ion Trap") [D. Schneider, M. W. Clark, B. M. Penetrante, J. McDonald, D. DeWitt, and J. N. Bardsley, Physical Review A, Band 44, Seiten 3119 bis 3124, 1991] die herausragenden Beispiele sind. EBIS- und EBIT-Quelle ergeben einen intensiven, axialen Elektronen-strahl in einem axialen Magnetfeld. Das Magnetfeld gewährleistet den radialen Einschluß der Ionen, während der axiale Ioneneinschluß durch durchbohrte, negative Elektrodenscheiben am Eintritt und Austritt des Elektronenstrahls sichergestellt werden kann. ("Electron Beam Ion Trap") [D. Schneider, M.W. Clark, B.M. Penetrante, J. McDonald, D. DeWitt, and J.N. Bardsley, Physical Review A, Volume 44, pages 3119 to 3124, 1991] are the outstanding examples. EBIS and EBIT sources result in an intense, axial electron beam in an axial magnetic field. The magnetic field ensures the radial confinement of the ions, while the axial ion confinement can be ensured by pierced, negative electrode disks at the entrance and exit of the electron beam.
In der EBIS-Quelle werden die Ionen in einer axialen, meist supraleitenden Magnetfeldstruktur auf einer relativ langen Strecke von einigen Dezimetern gespeichert und auf der gesamten Länge dem axialen Elektronenstrahl ausgesetzt, um durch sukzessive Ionisation höhere Ladungszustände zu erzeugen, wobei der im Magnetfeld komprimierte Elektronenstrahl gemeinsam mit dem Magnetfeld als Ionenfalle wirkt. Nach einer wählbaren Speicherzeit der Ionen werden sie axial in Form eines Ionenstrahlpulses durch Ändern der Potentiale der durchbohrten Elektroden aus der Quelle exktrahiert. Mit der EBIS-Quelle können im Mittel höhere Ladungszustände mit kleineren absoluten Ionenströmen, aber mit wesentlich besserer Emittanz als mit EZR-Quellen erzeugt werden, so daß die Brillanz der EBIS-Quelle speziell für hochgeladene Ionen größer ist als für EZR-Quellen. Bei mittleren Ladungszuständen qm = ½ . Z reichen die absoluten Ionenströme der EBIS-Quelle aber nicht aus, um mit der Brillanz der EZR-Quelle konkurrieren zu können. EBIS-Quellen erfordern außerdem einen sehr hohen technische Aufwand, der ihren industriellen Einsatz praktisch ausschließt. Das Einbringen von Elementen in die EBIS-Quelle, die bei Zimmertemperatur fest vorliegen, bereitet darüber hinaus große Schwierigkeiten, ist aber mit hohem finanziellen und technischen Aufwand in Form von Ioneninjektion möglich. In the EBIS source, the ions are stored in an axial, mostly superconducting magnetic field structure over a relatively long distance of a few decimeters and exposed to the axial electron beam over their entire length in order to generate higher charge states through successive ionization, whereby the electron beam compressed in the magnetic field together acts as an ion trap with the magnetic field. After a selectable storage time of the ions, they are extracted axially from the source in the form of an ion beam pulse by changing the potentials of the pierced electrodes. On average, the EBIS source can be used to generate higher charge states with smaller absolute ion currents, but with much better emittance than with EZR sources, so that the brilliance of the EBIS source is greater, especially for highly charged ions than for EZR sources. With medium charge states q m = ½. Z. the absolute ion currents from the EBIS source are not sufficient to compete with the brilliance of the EZR source. EBIS sources also require a very high technical effort, which practically excludes their industrial use. The introduction of elements into the EBIS source, which are present at room temperature, is also very difficult, but is possible with high financial and technical effort in the form of ion injection.
In der EBIT-Quelle wird ein möglichst hohes axiales Magnetfeld mit supraleitenden Spulen auf einer Strecke von einigen Zentimetern erzeugt, in dem ein intensiver axialer Elektronenstrahl auf dieser Strecke maximal komprimiert wird und so sehr hohe Elektronenstrahldichten erreicht werden. Diese Elektronendichten werden so groß, daß der Elektronenstrahl unterstützt durch das Magnetfeld auf dieser Strecke als radiale Ionenfalle dient, die axial durch ein negatives Elektrodenpaar elektrostatisch geschlossen wird. In dieser Ionenfalle werden die bisher absolut höchsten Ladungszustände mit q = 82 erzeugt, die mit geringer Wahrscheinlichkeit nach einer wählbaren Speicherzeit durch elektrische axiale Öffnung der Falle axial extrahiert werden können. Die so erzielbaren Ionenströme sehr hoher Ladungszustände sind absolut sehr klein. Da der komprimierte Elektronenstrahl einen extrem kleinen Durchmesser von der Größenordnung einiger zig μm besitzt, können die Ionen wie bei der EBIS-Quelle mit sehr guter Emittanz extrahiert werden, so daß die Brillanz der EBIT-Quelle für sehr hohe Ladungszustände ansprechende Werte erwarten läßt. Bei mittleren Ladungszuständen qm = ½ · Z reichen die absoluten Ionenströme der EBIT-Quelle aber nicht aus, um mit der Brillanz der EZR-Quelle konkur rieren zu können. EBIT-Quellen erfordern außerdem einen sehr hohen technische Aufwand, der den industriellen Einsatz bisher bekannter Ausführungsformen praktisch ausschließt. Das Einbringen von Elementen in die EBIT-Quelle, die bei Zimmertemperatur fest vorliegen, bereitet darüber hinaus große Schwierigkeiten. In the EBIT source, the highest possible axial magnetic field with superconducting coils is generated over a distance of a few centimeters, in which an intense axial electron beam is maximally compressed on this route and very high electron beam densities are achieved. These electron densities are so great that the electron beam, supported by the magnetic field, serves as a radial ion trap on this route, which is axially closed electrostatically by a negative pair of electrodes. In this ion trap the absolutely highest charge states with q = 82 are generated, which are less likely to be axially extracted after a selectable storage time by electrically opening the trap. The ion currents that can be achieved in this way are very high and absolutely very small. Since the compressed electron beam has an extremely small diameter of the order of a few tens of μm, the ions can be extracted with very good emittance, as with the EBIS source, so that the brilliance of the EBIT source can be expected to be attractive values for very high charge states. With medium charge states q m = ½ · Z, the absolute ion currents of the EBIT source are not sufficient to compete with the brilliance of the EZR source to be able to. EBIT sources also require a very high technical outlay, which practically excludes the industrial use of previously known embodiments. The introduction of elements into the EBIT source that are permanently available at room temperature also creates great difficulties.
Zusammenfassend kann demnach festgehalten werden, daß EZR-Ionenquellen mit hohen absoluten Ionenströmen mittleren Ladungszustandes, aber nur mittelmäßiger Emittanz und Elektronenstrahl-Ionenquellen mit sehr guter Emittanz, aber nur kleinen absoluten Ionenströmen mittleren und hohen Ladungszustandes existieren und daß für beide Typen von Ionenquellen das Einbringen fester Elemente nicht zufriedenstellend gelöst ist. Diese Situation begrenzt den Einsatz hochgeladener Ionen speziell bei Anwendungen, wo niederenergetische Ionen benötigt werden, denn die Abbremsung von Ionenstrahlen erniedrigt prinzipiell deren Brillanz um den Faktor E1/E2, wobei E1 dieIn summary, it can be stated that EZR ion sources with high absolute ion currents of medium charge state, but only moderate emittance and electron beam ion sources with very good emittance, but only small absolute ion currents of medium and high charge state exist and that for both types of ion sources the introduction is more solid Elements is not solved satisfactorily. This situation limits the use of highly charged ions, especially in applications where low-energy ions are required, because the deceleration of ion beams basically lowers their brilliance by a factor of E 1 / E 2 , E 1 being the
Extraktionsenergie pro Ladung und E2 die abgebremste Energie der Ionen pro Ladung bedeuten, so daß die Extraktionsbrillanz möglichst hoch sein muß, um zufriedenstellende Brillanz der abgebremsten Ionenstrahlen zu erzielen. Extraction energy per charge and E 2 mean the decelerated energy of the ions per charge, so that the extraction brilliance must be as high as possible in order to achieve satisfactory brilliance of the decelerated ion beams.
Das grundsätzliche Problem der Ionenstrahlrotation um die Ionenstrahlachse, die durch die Extraktionsbeschleunigung aus Bereichen mit radialen Magnetfeldkomponenten aller magnetfeldunterstützten Ionenquellen entsteht und entsprechend die Emittanz verschlechtert, ist ebenfalls von Nachteil für alle Anwendungen, wo niederenergetische und möglichst achsenparallele Ionenstrahlen benötigt werden. The fundamental problem of ion beam rotation about the ion beam axis, which arises from the extraction acceleration from areas with radial magnetic field components of all magnetic field-supported ion sources and correspondingly worsens the emittance, is also disadvantageous for all applications where low-energy ion beams that are as parallel as possible are required.
Es stellen sich demnach zwei Aufgaben, nämlich die Grundprinzipien von EZR- und Elektronenstrahl-Ionenquellen zu kombinieren, um die jeweiligen Vorteile auszunützen und die jeweiligen Nachteile zu reduzieren, und die Ionenstrahlrotation durch geeignete Maßnahmen zu beseitigen. Accordingly, there are two tasks, namely to combine the basic principles of EZR and electron beam ion sources in order to take advantage of the respective advantages and to reduce the respective disadvantages and to eliminate the ion beam rotation by suitable measures.
Die erste Aufgabe wird gelöst bei einem Verfahren zum Betreiben einer Ionenquellenvorrichtung der eingangs genannten Art, das dadurch gekennzeichnet ist, daß dem aus der Plasmakammer kommenden und durch die Extraktionselektrode hindurchtretenden Ionenstrahl ein hinter der Extraktionselektrodenfrontfläche (in Ionenstrahlrichtung gesehen) erzeugter und durch das vorhandene Magnetfeld auf die Achse konvergierender Elektronenstrahl entgegengesandt wird, so daß dadurch ein raumladungskompensierender Elektronenextraktionskanal für die Ionen gebildet wird. Dieselbe Grundidee zeichnet auch eine Ionenquellenvorrichtung der vorgenannten Art aus, wie sich aus dem kennzeichnenden Teil von Anspruch 2 ergibt. The first object is achieved in a method for operating an ion source device of the type mentioned at the outset, which is characterized in that the ion beam coming from the plasma chamber and passing through the extraction electrode opens up behind the extraction electrode front surface (viewed in the direction of the ion beam) and is generated by the existing magnetic field the axis converging electron beam is sent towards the other side, so that a space charge compensating electron extraction channel for the ions is thereby formed. The same basic idea also characterizes an ion source device of the aforementioned type, as follows from the characterizing part of claim 2.
Bei dem Verfahren und der Ionenquellenvorrichtung, die zur Durchführung des Verfahrens geeignet ist, werden demnach die Grundprizipien von EZR- und Elektronenstrahl-Ionenquellen quasi zu einer Elektronenstrahl-EZR-Hybridionenquelle mit raumladungskompensierter Extraktion für die Erzeugung beliebiger, hochgeladener Ionenstrahlen mit guter Emittanz kombiniert. In the method and the ion source device which is suitable for carrying out the method, the basic principles of EZR and electron beam ion sources are quasi combined to form an electron beam EZR hybrid ion source with space charge-compensated extraction for the generation of any uploaded ion beams with good emittance.
Die vorgenannte Elektronenstrahl-EZR-Hybrid-Ionenquelle ergibt danach eine raumladungskompensierte Extraktion, indem in Ionenstrahlrichtung gesehen hinter der Extraktionselektrodenfrontfläche und am besten konzentrisch um den Ionenstrahl herum, eine intensive Elektronenemission von etwa 10 bis 400 eV Energie derart erzeugt wird, daß die Elektronengeschwindigkeitsvektoren sich parallel oder antiparallel den magnetischen Streufeldlinien der Ionenquelle überlagern, so daß die Elektronen auf Spiralbahnen diesen Magnetfeldlinien bis in die Plasmakammer folgen können, wobei sie von der Extraktionselektrode bis zur Plasmaelektrode im Ziehfeld der Ionen beschleunigt werden. Dadurch wird der aus dem Plasma beschleunigte Ionenstrom im gesamten Überlagerungsbereich durch die Elektronen raumladungskompensiert. Damit dieser Bereich möglichst den ganzen achsennahen Raum bis zum ersten ionenoptischen Bauelement ausfüllt, sollte die Elektronenerzeugung möglichst nahe an diesem Bauelement erfolgen. Gleichzeitig bildet sich in Form des im axialen Magnetfeld der EZR-Quelle komprimierten Elektronenstrahls ein sehr kleinflächiger Extraktionskanal für hochgeladene Ionen von der EZR-Zone bis zur Extraktionselektrode aus, indem, wie bei einer EBIT-Quelle, die hochgeladenen Ionen im Bereich von der EZR-Zone bis zur Plasmaelektrode zeitweilig gespeichert und weiter ionisiert werden. The aforementioned electron beam EZR hybrid ion source then results in a space charge-compensated extraction, in that, viewed in the direction of the ion beam behind the extraction electrode front surface and preferably concentrically around the ion beam, an intensive electron emission of approximately 10 to 400 eV energy is generated in such a way that the electron velocity vectors are parallel or superimposed on the magnetic stray field lines of the ion source so that the electrons on spiral tracks can follow these magnetic field lines into the plasma chamber, from the extraction electrode are accelerated to the plasma electrode in the pull field of the ions. As a result, the ion current accelerated from the plasma is compensated for by the electrons in the entire superimposition region. To ensure that this area fills the entire space close to the axis up to the first ion-optical component, the generation of electrons should take place as close as possible to this component. At the same time, in the form of the electron beam compressed in the axial magnetic field of the EZR source, a very small-area extraction channel for highly charged ions from the EZR zone to the extraction electrode is formed by, as with an EBIT source, the uploaded ions in the area of the EZR Zone up to the plasma electrode can be temporarily stored and further ionized.
Das EZR-Plasma dient bei dieser Elektronenstrahl-EZRHybrid-Konstruktion als Lieferant hoher Ströme hochgeladener Ionen, die durch den Elektronenstrahl weiter ionisiert und in eine gute Emittanz kanalisiert werden, wobei der Elektronenstrahl gleichzeitig die Elektronendichte im EZR-Plasma erhöht, so daß die Gasdichte erniedrigt werden kann und der mittlere Ladungszustand im Plasma erhöht wird. Es können also im Prinzip alle bekannten Ausführungsformen von EZR-Ionenquellen mit dem Elektronenstrahl kombiniert werden. Bei Vorhandensein eines Nulldurchgangs des Feldvorzeichens des axialen Magnetstreufeldes müssen aber die Elektronen in unmittelbarer Nähe dieses Nulldurchgangs mit Geschwindigkeitsvektoren parallel zu den Magnetfeldlinien derart erzeugt werden, daß sie auf der der Extraktionselektrode zugewandten Seite des Nulldurchgangs auf die Extraktionselektrode hin gerichtet sind und auf der der Extraktionselektrode abgewandten Seite des Nulldurchgangs von der Extraktionselektrode weg gerichtet sind. Da also bei einer Hybrid-Ionenquelle der eigentliche Plasmabereich weiterhin EZR-Charakter hat, können im Prinzip auch alle bis her bekannten Verfahren des Einbringens von ionisierenden Elementen und von Unterstützungsgasen in EZR-Ionenquellen weiterverwendet und gegebenenfalls verbessert werden. In this electron beam-EZR hybrid construction, the EZR plasma serves as a supplier of high currents of highly charged ions, which are further ionized by the electron beam and channeled into a good emittance, the electron beam simultaneously increasing the electron density in the EZR plasma, so that the gas density is reduced can be and the average state of charge in the plasma is increased. In principle, all known embodiments of EZR ion sources can be combined with the electron beam. If there is a zero crossing of the field sign of the axial magnetic stray field, the electrons in the immediate vicinity of this zero crossing must be generated with velocity vectors parallel to the magnetic field lines in such a way that they are directed towards the extraction electrode on the side of the zero crossing facing the extraction electrode and on the side facing away from the extraction electrode Side of the zero crossing are directed away from the extraction electrode. Since, in the case of a hybrid ion source, the actual plasma area continues to have an EZR character, in principle everyone can also use her known methods of introducing ionizing elements and support gases in EZR ion sources continue to be used and improved if necessary.
Bei der Ionenquellenvorrichtung wird vorzugsweise eine metallische Extraktionselektrode mit einem Innenzylinder verwendet, bei dem ein Innenkanal vorhanden ist, an dessen Innenwänden hochgeladene Ionen, die an der Peripherie des Ionenstrahls nach außen divergieren, mit hoher Ausbeute Sekundärelektronen erzeugen. Diese kompensieren einerseits durch axiale Geschwindigkeitskomponenten in Richtung des Ionenstrahls die Raumladung im Ionenstrahl; andererseits erzeugen sie zwischen der Extraktions- und der Plasmaelektrode durch Extraktionsfeiddurchgriff einen intensiven Elektronenstrahl, der mit der Potentialdifferenz zwische Plasma- und Extraktionselektrode in das Plasma beschleunigt wird, so daß der aus dem Plasma beschleunigte Ionenstrom zwischen Plasma und Extraktionselektrode raumladungskompensiert wird. Gleichzeitig wird der Elektronenstrahl in dem in Richtung Plasmaelektrode axial konvergierenden Magnetfeld der EZR-Ionenquelle komprimiert, so daß sich ein sehr kleinflächiger Extraktionskanal für hochgeladene Ionen von der EZR-Zone bis zur Extraktionselektrode ergibt. Wie bei einer EBIT-Quelle werden die hochgeladenen Ionen im Bereich von der EZR-Zone bis zur Plasmaelektrode zeitweilig gespeichert und weiter ionisiert. In the ion source device, a metallic extraction electrode with an inner cylinder is preferably used, in which there is an inner channel, on the inner walls of which highly charged ions, which diverge outwards at the periphery of the ion beam, produce secondary electrons with high yield. On the one hand, these compensate for the space charge in the ion beam by means of axial velocity components in the direction of the ion beam; on the other hand, they generate an intense electron beam between the extraction and plasma electrodes by passing through the extraction field, which electron beam is accelerated into the plasma with the potential difference between the plasma and extraction electrodes, so that the ion current accelerated from the plasma between the plasma and the extraction electrode is compensated for space charge. At the same time, the electron beam is compressed in the magnetic field of the EZR ion source, which converges axially in the direction of the plasma electrode, so that there is a very small-area extraction channel for highly charged ions from the EZR zone to the extraction electrode. As with an EBIT source, the uploaded ions in the area from the EZR zone to the plasma electrode are temporarily stored and further ionized.
Die Extraktionselektrode weist vorzugsweise einen zylindrischen Innenkanal auf, bei dem der Innendurchmesser sich zur Länge wie etwa 2 : 1 bis 3 : 1 verhält. Der Innenkanal kann auch leicht konisch gestaltet sein, wobei er sich in Ionenstrahlrichtung geringfügig verengt bzw. geringfügig aufweitet. Auch Kombinationen aus geraden Zylinder, aus einem sich aufweitenden Innenkonus und einem sich verengenden Innenkonus sind möglich. Diese sollen unter dem Begriff "im wesentlichen zylindrisch" subsummiert werden. The extraction electrode preferably has a cylindrical inner channel in which the inner diameter is about 2: 1 to 3: 1 in length. The inner channel can also be designed slightly conical, with it narrowing or widening slightly in the direction of the ion beam. Combinations of straight cylinders, an expanding inner cone and a narrowing inner cone are also possible. These are supposed to are subsumed under the term "substantially cylindrical".
Dem Innenkanal der Extraktionselektrode wird mit Vorteil eine die Eintrittsbohrung zum Innenkanal umgebende, zur Plasmakammer hin konkave Frontfläche vorgeschaltet. Hierdurch werden die Sekundärelektronen aus der Extraktionsbohrung und die Sekundärelektronen, die von divergierenden Ionen auf dieser Konkavfläche selbst erzeugt werden, in Richtung Plasmaelektrode fokussiert beschleunigt, eine Fokussierung, die durch die konvergierenden Magnetfeldlinien verstärkt wird. The inner channel of the extraction electrode is advantageously preceded by a front surface surrounding the inlet bore to the inner channel and concave towards the plasma chamber. As a result, the secondary electrons from the extraction hole and the secondary electrons, which are generated by diverging ions on this concave surface itself, are accelerated in a focused manner in the direction of the plasma electrode, a focusing that is intensified by the converging magnetic field lines.
Das Verfahren kann auch dadurch ausgeführt werden, daß in Ionenstrahlrichtung gesehen hinter der Extraktionselektrodenfrontfläche auf dem Potential der Extraktionselektrode und konzentrisch um den Ionenstrahl eine intensive Elektronenemission niedriger Energie parallel zu den dort vorhandenen Magnetstreufeldlinien konzentrisch auf den Ionenstrahl zu und axial auf die Plasmaelektrode hin gerichtet wird. Einerseits kompensiert dies die Raumladung im Ionenstrahl hinter der Extraktionselektrodenfrontfläche und andererseits wird zwischen der Extraktions- und der Plasmaelektrode einer EZR-Ionenquelle ein intensiver Elektronenstrahl erzeugt. Dieser wird mit der Potentialdifferenz zwischen Plasma- und Extraktionselektrode in das Plasma beschleunigt, so daß der aus dem Plasma beschleunigte Ionenstrom zwischen Plasmaund Extraktionselektrode raumladungskompensiert wird und sich gleichzeitig in Form des im axialen Magnetfeld der EZR-Quelle komprimierten Elektronenstrahls ein sehr kleinflächiger Extraktionskanal für hochgeladene Ionen von der EZR-Zone bis zur Extraktionselektrode ausbildet. The method can also be carried out in that, viewed in the direction of the ion beam, behind the extraction electrode front surface at the potential of the extraction electrode and concentrically around the ion beam, an intensive low-energy electron emission is directed parallel to the magnetic stray field lines there and concentrically towards the ion beam and axially towards the plasma electrode. On the one hand, this compensates for the space charge in the ion beam behind the extraction electrode front surface and, on the other hand, an intense electron beam is generated between the extraction and the plasma electrode of an EZR ion source. This is accelerated into the plasma with the potential difference between the plasma and extraction electrodes, so that the ion current accelerated from the plasma between the plasma and extraction electrodes is compensated for space charge and at the same time, in the form of the electron beam compressed in the axial magnetic field of the EZR source, a very small-area extraction channel for charged ions from the EZR zone to the extraction electrode.
Mit Vorteil werden bei dem letztgenannten Verfahren die Elektronen durch Glühemission mit einer relativ hohen Anodenspannung erzeugt und erforderlichenfalls wieder auf niedrige Energie abgebremst. Hierbei werden durch Glühemission aus konisch und um die Achse angeordneten Heizdrähten durch eine ebenfalls konisch angeordnetes Anodengitter Elektronen in der gewünschten Richtung der Magnetstreufeldlinien extrahiert. Zwischen dem Anodengitter und einem ebenfalls konisch angeordneten Brems- oder Nachbeschleunigungsgitter können sie auf eine gewünschte Energie abgebremst oder nachbeschleunigt werden. Die Überhitzung der Gesamtanordnung kann durch eine Kühlung des Extraktionselektrodenkörpers verhindert werden. In the latter method, the electrons are advantageously generated by glow emission with a relatively high anode voltage and are re-opened if necessary slowed down low energy. In this case, electrons are extracted in the desired direction of the magnetic stray lines by glow emission from heating wires arranged conically and about the axis through an anode grid likewise arranged conically. Between the anode grid and a likewise conically arranged braking or post-acceleration grid, they can be braked to a desired energy or post-accelerated. Overheating of the overall arrangement can be prevented by cooling the extraction electrode body.
Es ist alternativ auch möglich, daß die Elektronen durch Feldemission aus konisch um die Achse angeordneten Mikropunktflachen erzeugt werden, wobei sie erforderlichenfalls zwischen der Anodenfläche der Mikropunkte und einem konischen Brems- oder Nachbeschleunigungsgitter auf eine gewünschte Energie abgebremst oder nachbeschleunigt werden können. Alternatively, it is also possible for the electrons to be generated by field emission from micropoint surfaces arranged conically around the axis, and if necessary they can be decelerated or post-accelerated between the anode surface of the micropoints and a conical braking or post-acceleration grid.
Sowohl für die Erzeugung der Elektronen durch Glühemission als auch durch Feldemission mit Mikropunkten kann die Konusgeometrie durch eine nicht rotationssymmetrische Emissionsgeometrie ersetzt werden, solange gewährleistet ist, daß die Elektronen durch die Magnetstreufeldlinien oder durch ein zusätzliches Führungsfeld in Richtung der Plasmaelektrode auf die Achse geführt werden, wobei dieses Führungsfeld die Ionen möglichst wenig beeinflussen soll. The cone geometry can be replaced by a non-rotationally symmetrical emission geometry for the generation of the electrons by glow emission as well as by field emission with microdots, as long as it is ensured that the electrons are guided onto the axis by the magnetic stray field lines or by an additional guide field in the direction of the plasma electrode. this guiding field should influence the ions as little as possible.
Der Elektronenstrahl von der Extraktionselektrode in das Plasma kann bei aktiver Erzeugung so intensiv gemacht und damit soviel Energie in das Plasma eingebracht werden, daß die eingekoppelte Mikrowellenleistung für die Aufrechterhaltung des Plasmas auf niedrige Werte, im Grenzfall sogar auf Null reduziert werden kann, da der Elektronenstrahl dann selbst das Plasma mit Magnetfeldeinschluß unterstützt und im Grenzfall sogar ganz auf recht erhält. The electron beam from the extraction electrode into the plasma can be made so intense with active generation and so much energy can be introduced into the plasma that the coupled microwave power for maintaining the plasma can be reduced to low values, in the limit case even to zero, since the electron beam then the plasma itself is supported with magnetic confinement and, in the limit, even completely gets right.
Eine bedeutende Erhöhung von Brillanz und Emittanz läßt sich erreichen, wenn die Plasmaelektrode - auch während des Betriebs - der Ionenquelle mechanisch, axial relativ zur Plasmakammer verschiebbar ist. Weiterhin ist vorteilhaft, wenn sowohl die Piasmalelektrode, die Extraktionselektrode und eventuell auch die Elektronenerzeugung unabhängig voneinander und mit verschiedenem Hub relativ zur Magnetfeldstruktur und zur Plasmakammer der Ionenquelle axial verschiebbar sind. A significant increase in brilliance and emittance can be achieved if the plasma electrode - even during operation - of the ion source can be moved mechanically, axially relative to the plasma chamber. Furthermore, it is advantageous if both the piasmal electrode, the extraction electrode and possibly also the electron generation can be moved axially independently of one another and with a different stroke relative to the magnetic field structure and to the plasma chamber of the ion source.
Eine weitere wesentliche Verbesserung des Erfindungsgrundsatzes läßt sich erreichen, wenn spezielle Vorkehrungen für das Einbringen fester Elemente getroffen werden, insbesondere dadurch, daß die Verdampfungstechnik verbessert wird. Das zu verdampfende Material wird üblicherweise in einen Metalizylinder mit kleiner axialer Dampfaustrittsöffnung eingesperrt. Dieser Zylinder wird wärmeisoliert, axial von hinten in die EZR-Quelle bis zur Berührung der hinteren EZR-Zone eingeführt, wodurch er erhitzt wird. A further significant improvement in the principle of the invention can be achieved if special precautions are taken for the introduction of solid elements, in particular by improving the evaporation technique. The material to be evaporated is usually locked in a metal cylinder with a small axial steam outlet opening. This cylinder is thermally insulated, inserted axially from the rear into the EZR source until it touches the rear EZR zone, whereby it is heated.
Es wird vorgeschlagen, mit einem Verdampfungszylinder zu arbeiten, der aus hitzebeständigem Material besteht und am Ende eines gut wärmeleitfähigen Arms angeordnet ist, der anderen Endes kühlbar ist und mit dem der Verdampfungszylinder bis in die Nähe einer sich im Inneren der Ionenquellenvorrichtung befindlichen EZR-Zone verschiebbar ist. It is proposed to work with an evaporation cylinder, which is made of heat-resistant material and is arranged at the end of a heat-conducting arm, which is coolable at the other end, and with which the evaporation cylinder can be moved close to an EZR zone located inside the ion source device is.
Dabei ist "Verdampfungszylinder" nicht speziell, sondern allgemein im Sinne einer zylindrischen Form zu verstehen. Der gut wärmeleitfähige Arm, der z. B. als ein Kupferrohr ausgebildet ist, wird mit einer wohldefinierten Wärmesenke (Kühlung) verbunden. Der Verdampfungszylinder kann vorne, in der Mitte und hinten mit Thermoelementen bestückt sein, die eine genaue Temperaturmessung längs seiner Achse erlauben. Die gemessene Temperatur, d. h. das Signal der Wärmefühler, wird dazu verwendet, den axialen Vorschub des Zylinders zu regeln, so daß sich die gewünschte Temperatur für die optimale Verdampfungsgeschwindigkeit des eingesetzten, zu ionisierenden Materials einstellt. Für sehr hohe Temperaturen ist der Kontakt des Zylinders zur Wärmesenke klein und für niedrige Temperaturen groß zu wählen. "Evaporation cylinder" is not to be understood specifically, but generally in the sense of a cylindrical shape. The well thermally conductive arm, the z. B. is formed as a copper tube, is connected to a well-defined heat sink (cooling). The evaporation cylinder can be equipped with thermocouples in the front, in the middle and in the back be equipped, which allow an accurate temperature measurement along its axis. The measured temperature, ie the signal from the heat sensors, is used to regulate the axial feed of the cylinder, so that the desired temperature is set for the optimal evaporation rate of the material to be ionized. The contact between the cylinder and the heat sink should be small for very high temperatures and large for low temperatures.
Ein Nachteil dieser Konzeption ist möglicherweise der Energieentzug aus dem Plasma. Um dieses Problem zu vermeiden, kann der Verdampfungszylinder zusätzlich mit einer Heizwendel versehen sein. Durch Bestückung des Verdampfungszylinders mit einer eigenen Heizwendel wird seine Position unabhängig von einer EZR-Zone. Der Verdampfungszylinder kann deshalb auch im Abstand bis zu einigen Dezimetern hinter der EZR-Zone auf der Achse angebracht werden, so daß ein axialer Atom-(molekular-)Dampfstrahl in die Plasmakammer gerichtet ist. Solange dieser Atom-(molekular-)Dampfstrahl in die Plasmakammer gerichtet ist, kann der Verdampfungszylinder auch außerhalb der Ionenquellenachse angebracht werden. Dadurch wird die Anordnung mehrerer, mit verschiedenen Materialien beschickter Verdampfungszylinder um die Ioenquellenachse herum möglich, die den sukzessiven Wechsel des zu ionisierenden Elementes während des Betriebs der Ionenquelle erlaubt. A drawback of this concept may be the withdrawal of energy from the plasma. In order to avoid this problem, the evaporation cylinder can additionally be provided with a heating coil. By equipping the evaporation cylinder with its own heating coil, its position becomes independent of an EZR zone. The evaporation cylinder can therefore also be placed up to a few decimeters behind the EZR zone on the axis, so that an axial atomic (molecular) steam jet is directed into the plasma chamber. As long as this atomic (molecular) steam jet is directed into the plasma chamber, the evaporation cylinder can also be attached outside the axis of the ion source. This makes it possible to arrange several evaporation cylinders charged with different materials around the ion source axis, which allows the element to be ionized to be successively changed during operation of the ion source.
Vorzugsweise ist der Verdampfungsbehälter in Richtung des wärmeleitfähigen Arms mit einer Gasdurchflußöffnung versehen. Diese Ausführungsform gilt vorzugsweise für sämtliche Ausführungen von Verdampfungszylindern. The evaporation container is preferably provided with a gas flow opening in the direction of the thermally conductive arm. This embodiment preferably applies to all designs of evaporation cylinders.
Mit Vorteil wird weiterhin eine zweistufige Ionenquelle verwendet, bei der zwei Plasmaeinschlußzonen durch eine mikrowellentransparente, differentielle Pumpblende mit axialem Loch für den Plasmadurchtritt voneinander getrennt sind. Beim Pumpen auf der Extraktionsseite bildet sich damit ein Druckgefälle zwischen beiden Plasmaeinschlußzonen aus, so daß das Plasma aus der ersten Zone durch das Blendenloch in die zweite Zone auf die Extraktionsseite diffundiert. A two-stage ion source is also advantageously used, in which two plasma confinement zones are provided by a microwave-transparent, differential pump aperture axial hole for the plasma passage are separated from each other. When pumping on the extraction side, a pressure drop is thus formed between the two plasma confinement zones, so that the plasma diffuses from the first zone through the aperture hole into the second zone on the extraction side.
Um die axiale Magnetfeldstruktur sowohl für den magnetischen Einschluß der im Plasma befindlichen, geladenen Teilchen als auch für die externe Erzeugung und Führung der einzuschießenden Elektronen zu optimieren, werden weicheisenunterstützte Anordnungen mit einer oder mehreren stromdurchflossenen Spulen, die durch Permanentmagneten ergänzt werden können, oder reine weicheisenunterstüzte Permanentmagnetanordnungen vorgeschlagen. Diese Anordnungen erzeugen ein sogenanntes axiales, um die Achse rotationssymmetrisches, magnetisches Spiegelfeld wie für herkömmliche EZR-Ionenquellen, das durch eine Sequenz Magnetfeld-Maximum, -Minimum, -Maximum längs der Achse gekennzeichnet ist, wobei die Maxima nicht gleich sein müssen. In order to optimize the axial magnetic field structure both for the magnetic confinement of the charged particles in the plasma and for the external generation and guiding of the electrons to be injected, soft iron-supported arrangements with one or more current-carrying coils, which can be supplemented by permanent magnets, or pure soft iron supported Permanent magnet arrangements proposed. These arrangements generate a so-called axial, rotationally symmetrical, magnetic mirror field as for conventional EZR ion sources, which is characterized by a sequence magnetic field maximum, minimum, maximum along the axis, the maxima need not be the same.
Bei der Erzeugung des vorderen Maximums (Extraktionsseite der Ionenquelle) durch eine Spule wird eine Weicheisenunterstützung in Form einer vor der Spule liegenden, koaxialen Scheibe mit einem Außendurchmesser, der den der Spule um etwa 5 cm übersteigt, und mit zentraler Bohrung für die Extraktion gewählt, so daß die Magnetfeldstärke außerhalb der Eisenstruktur möglichst schnell abfällt, ohne einen Nulldurchgang des Feldvorzeichens zu erleiden. When the front maximum (extraction side of the ion source) is generated by a coil, a soft iron support in the form of a coaxial disk lying in front of the coil with an outer diameter that exceeds that of the coil by about 5 cm and with a central bore for the extraction is selected, so that the magnetic field strength outside the iron structure drops as quickly as possible without suffering a zero crossing of the field sign.
Das hintere Feldmaximum wird entweder wie das vordere durch eine Spule mit Eisenunterstützung oder durch radial angeordnete, durch Weicheisen unterstützte Permanentmagneten erzeugt, wobei ein Nulldurchgang des Feldvorzeichens auftreten darf. Das Weicheisen bei letzterer Anordnung kann aus zwei konzentrischen Ringen bestehen, wobei der Außendurchmesser des äußeren den der vorderen Spule etwa um 5 cm übersteigt und der Innendurchmesser des inneren den Durchlaß für die Mikrowellen- und die Gaszufuhr angepaßt ist. Zwischen den beiden Ringen wird ein Vielfaches von sechs radial magnetisierten Permanentmagneten so angeordnet, daß der polygonartig ausgebildete Außendurchmesser des Innenrings voll mit Permanentmagneten bestückt ist. Die Permanentmagneten können die Form von Quadern oder Trapezoiden haben, sie können auch durch einen radial magnetisierten Ring ersetzt werden. Bei entsprechender Variation der anderen Dimensionen kann einer der beiden Weicheisenringe wegfallen. The rear field maximum is generated either like the front field by a coil with iron support or by radially arranged permanent magnets supported by soft iron, whereby a zero crossing of the field sign may occur. The soft iron in the latter The arrangement can consist of two concentric rings, the outer diameter of the outer coil exceeding that of the front coil by approximately 5 cm and the inner diameter of the inner one being adapted to the passage for the microwave and gas supply. A multiple of six radially magnetized permanent magnets is arranged between the two rings in such a way that the polygonal outer diameter of the inner ring is fully equipped with permanent magnets. The permanent magnets can have the shape of cuboids or trapezoids, they can also be replaced by a radially magnetized ring. If the other dimensions vary accordingly, one of the two soft iron rings can be omitted.
Die Feldstärke der Maxima wird dadurch verstärkt und die Außenstreufelder der Gesamtanordnung werden dadurch vermindert, daß ein Weicheisenzylinder mit dem Innendurchmesser des Außendurchmessers der vorderen Spule und etwa 5 cm größerem Außendurchmesser den magnetischen Haupschluß von der vorderen Weicheisenscheibe zum hinteren, äußeren Weicheisenring bewirkt. The field strength of the maxima is thereby increased and the external stray fields of the overall arrangement are reduced in that a soft iron cylinder with the inner diameter of the outer diameter of the front coil and about 5 cm larger outer diameter effects the main magnetic connection from the front soft iron disc to the rear, outer soft iron ring.
Ein geringer Teil des magnetischen Flusses in diesem Weicheisenzylinder wird durch entsprechende Formgebung kurz hinter der Spule und in gleicher Weise vor den hinteren, konzentrischen Weicheisenringen durch je eine relativ dünne, koaxiale Weicheisenscheibe mit großem Innendurchmesser in die Radialrichtung umgelenkt. Dadurch entstehen magnetische Nebenschlüsse, durch die die Feldstärke des Feldminimums zwischen den beiden Maxima nach Belieben festgelegt werden kann. Der Weicheisenzylinder des magnetischen Hauptschlusses besitzt deshalb in der Mitte eine geringere Dicke als an seinen beiden Enden. Die Dikkendifferenz geht für die Flußumlenkungen in Radialrichtung in die Dicke der beiden Weicheisenscheiben über. A small part of the magnetic flux in this soft iron cylinder is deflected in the radial direction by appropriate shaping shortly behind the coil and in the same way in front of the rear, concentric soft iron rings by a relatively thin, coaxial soft iron disk with a large inner diameter. This creates magnetic shunts through which the field strength of the field minimum between the two maxima can be determined as desired. The soft iron cylinder of the magnetic main circuit therefore has a smaller thickness in the middle than at both ends. The thickness difference for the river deflections in the radial direction changes into the thickness of the two soft iron disks.
Die Weicheisenscheiben können auf ihren jeweiligen Vorder- und Rückseiten mit stromdurchflossenen Spulen belegt werden, damit das Feldminimum während des Betriebs der Ionenquelle elektrisch variiert werden kann. Das durch diese Scheiben erzeugte Radialfeld kann durch radial magnetisierte Permanentmagneten verstärkt werden, die in ähnlicher Weise in die Schieben eingelassen werden wie sie für die hinteren, konzentrischen Ringe beschrieben wurde. The soft iron disks can be on their respective Front and rear sides are covered with current-carrying coils so that the field minimum can be varied electrically during operation of the ion source. The radial field generated by these disks can be strengthened by radially magnetized permanent magnets which are inserted into the slides in a similar manner to that described for the rear, concentric rings.
Da sich im Außenraum dieser Magnetfeldkonzeption auf der Extraktionsseite nur Streufelder ausbilden, deren Feldlinien bis zum ersten Maximum konzentrisch auf die Achse hin konvergieren, können die einzuschießenden Elektronen in diesem gesamten achsennahen Raumgebiet erzeugt Since only stray fields are formed in the exterior of this magnetic field concept on the extraction side, the field lines of which converge concentrically to the axis up to the first maximum, the electrons to be injected can be generated in this entire spatial region close to the axis
werden. Es ist lediglich durch die Bedingung begrenzt, daß das Streufeld deutlich stärker sein soll als andere störende Felder, wie z.B. das Erdmagnetfeld oder das Streufeld eines ionenoptischen Bauelementes. become. It is only limited by the condition that the stray field should be significantly stronger than other interfering fields, e.g. the earth's magnetic field or the stray field of an ion-optical component.
Bei der Erzeugung des vorderen Maximums durch Permanentmagneten läßt sich ein Nulldurchgang des Feldvorzeichens nicht vermeiden. Ein solcher Nulldurchgang zerstört jeden niederenergetischen Elektronenstrahl. Die einzuschießenden Elektronen müssen daher in unmittelbarer Nähe, aber auf der dem Plasma zugewandten Seite des Nulldurchgangs erzeugt werden. Dadurch "sehen" die Elektronen bis zum Feldmaximum zur Achse hin konvergierende Feldlinien und konvergieren entsprechend, wenn sie tangential zu diesen Feldlinien erzeugt und beschleunigt werden. Damit genügend Raum für diese Erzeugung und When the front maximum is generated by permanent magnets, a zero crossing of the field sign cannot be avoided. Such a zero crossing destroys every low-energy electron beam. The electrons to be injected must therefore be generated in the immediate vicinity, but on the side of the zero crossing facing the plasma. As a result, the electrons "see" field lines converging up to the field maximum towards the axis and converge accordingly when they are generated and accelerated tangentially to these field lines. So that enough space for this generation and
Beschleunigung vorhanden ist, darf der Feldstärkeanstieg auf der Achse zu beiden Seiten des Nulldurchgangs nicht zu schnell erfolgen. Dieser langsame Feldanstieg kann durch eine weicheisenunterstützte, radial magnetisierte Permanentmagnetkonfiguration erzielt werden, wie sie vorher für das hintere Maximum auf der Rückseite der Ionenquelle beschrieben wurde. Der wesentliche Unterschied besteht in der in Achsenrichtung gemessenen Dicke der beiden konzentrischen Weicheisenringe und des mit radial magnetisierten Permanentmagneten ausgefüllten Zwischenraums zwischen den beiden Ringen. Je größer diese Dicke ist, desto langsamer ist der Feldstärkeanstieg, desto höher sind aber auch die Kosten. Es ist daher der kostengünstigste Kompromiß zwischen der Methode und der Effizienz der Elektronenerzeugung und dem Aufwand für die Magnetfeldkonfiguration anzustreben. If there is acceleration, the field strength increase on the axis on both sides of the zero crossing must not take place too quickly. This slow field increase can be achieved by a soft iron assisted, radially magnetized permanent magnet configuration, as previously described for the rear maximum on the back of the ion source. The main difference consists of the thickness of the two concentric soft iron rings measured in the axial direction and the space between the two rings filled with radially magnetized permanent magnets. The greater this thickness, the slower the increase in field strength, but the higher the costs. It is therefore the most economical compromise between the method and the efficiency of electron generation and the effort for the magnetic field configuration.
Für die Raumladungskompensation des Ionenstrahls auf der dem Plasma abgewandten Seite des Nulldurchgangs müssen die Elektronen wie eben beschrieben, aber auf eben dieser Seite des Nulldurchgangs erzeugt werden. For the space charge compensation of the ion beam on the side of the zero crossing facing away from the plasma, the electrons must be generated as just described, but on this side of the zero crossing.
Im bisher frei gebliebenen Raum zwischen dem vorderen und dem hinteren Feldmaximum wird, wie bisher üblich, ein koaxiales, möglichst starkes Multipolfeld aus Permanentmagneten in unmittelbarem Kontakt mit der Außenwand der Plasmakammer angebracht, um den Radialmagneteinschluß des Plasmas zu gewährleisten. Dieses Permanentmagnetmultipolfeld darf nur so durch Weicheisen unterstützt, d.h. verstärkt werden, daß das vorher beschriebene axiale Magnetfeld nicht oder nur in einer gut kontrollierten Weise gestört wird. In the space that was previously free between the front and the rear field maximum, a coaxial, as strong as possible multipole field made of permanent magnets was placed in direct contact with the outer wall of the plasma chamber, as was customary so far, in order to ensure the radial magnetic inclusion of the plasma. This permanent magnet multipole field may only be supported by soft iron, i.e. be reinforced that the axial magnetic field described above is not disturbed or only in a well-controlled manner.
Es sei noch auf folgende Besonderheiten hingewiesen: The following special features should also be noted:
Das vorgenannte Konzept der Raumladungskompensation nach der Extraktion und die Erzeugung eines Extraktionskanals durch einen intensiven Elektronenstrahl kann im Prinzip auf alle Ionenquellen angewandt werden, bei denen Ionen aus einem Bereich von Ionenproduktion extrahiert werden müssen. The aforementioned concept of space charge compensation after extraction and the creation of an extraction channel by an intense electron beam can in principle be applied to all ion sources in which ions have to be extracted from a range of ion production.
Eine weitere Erläuterung der Erfindung erfolgt anhand von Beispielen und Zeichnungen. Die Figuren der Zeich nungen zeigen im einzelnen: A further explanation of the invention takes place on the basis of examples and drawings. The figures of the drawing The details show:
Figur 1 einen schematischen Aufbau einer ersten Anordnung einer Elektronenstrahl-EZR-Hybridionenquelle, mit Details in den Figuren 1a, 1b und 1c; 1 shows a schematic structure of a first arrangement of an electron beam EZR hybrid ion source, with details in FIGS. 1a, 1b and 1c;
Figur 2 eine zweite Ausführungsform, mit Details in Figure 2 shows a second embodiment, with details in
Figur 2a und 2b;  Figures 2a and 2b;
Figur 3 und 4 weitere Ausführungsformen, jeweils mit Details in den Figuren 3a, 3b und 3c bzw. 4a; Figures 3 and 4 further embodiments, each with details in Figures 3a, 3b and 3c and 4a;
Figur 5 eine abgewandelte Ausführungsform mit zwei oder mehr VerdampfungsZylindern und mit Details in Figur 5a; Figure 5 shows a modified embodiment with two or more evaporation cylinders and with details in Figure 5a;
Figur 6 eine Ausführungsform einer Anordnung zur Kompensation der Eigenrotation des Ionenstrahls beim Abbremsen. FIG. 6 shows an embodiment of an arrangement for compensating for the intrinsic rotation of the ion beam when braking.
Ausführungsbeispiel 1 (vgl. Figuren 1, 1a, 1b und 1c) Embodiment 1 (see FIGS. 1, 1a, 1b and 1c)
In den Figuren 1, 1a, 1b und 1c ist schematisch eine Ionenquellenvorrichtung für die Erzeugung und Extraktion von Ionenstrahlen dargestellt, die dem Typ CAPRICE entspricht, wie er aus den Unterlagen des europäischen Patentes 138 642 hervorgeht. 1, 1a, 1b and 1c schematically show an ion source device for the generation and extraction of ion beams, which corresponds to the CAPRICE type, as is evident from the documents of the European patent 138 642.
In einer Plasmazone 1 ist magnetisch ein Plasma eingeschlossen. Der magnetische Einschluß des Plasmas in der Plasmazone 1 wird in diesem Fall von zwei Koaxialspulen 2, die sich in einem zusammengesetzten Eisenjoch 3 (3a bis 3f) befinden, und einem Permanent-Multipolmagneten (Quadru-, Hexa- oder Octopol) 4 bewirkt. Als Weicheisenunterstützung der Spulen werden in diesem Beispiel koaxiale Scheiben 3a, 3b mit zentralen Bohrungen für die Ex traktion bzw. für den Mikrowelleneinlaß (Rohr 11) gewählt, so daß die Magnetfeldstärke außerhalb der Eisenstruktur möglichst schnell abfällt, ohne einen Nulldurchgang des Feldvorzeichens zu erleiden. Durch einen Weicheisenring 3f wird am Mikrowelleneinlaß eine Feldverstärkung erzielt. A plasma is magnetically enclosed in a plasma zone 1. The magnetic confinement of the plasma in the plasma zone 1 is in this case effected by two coaxial coils 2, which are located in a composite iron yoke 3 (3a to 3f), and a permanent multipole magnet (Quadru-, Hexa- or Octopol) 4. In this example, coaxial discs 3a, 3b with central bores for the Ex are used as soft iron support for the coils traction or selected for the microwave inlet (tube 11) so that the magnetic field strength outside the iron structure drops as quickly as possible without suffering a zero crossing of the field sign. A field strengthening is achieved at the microwave inlet by a soft iron ring 3f.
Die Feldstärke des axialen Magnetfeldes 5 (schematisch dargestellt durch den Kurvenverlauf) wird dadurch verstärkt und die Außenstreufelder der Gesamtanordnung werden dadurch vermindert, daß der äußere Weicheisenzylinder 3c den Hauptmagnetschluß zwischen den Weicheisenscheiben 3a und 3b herstellt. Ein geringer Teil des magnetischen Flusses in diesem Weicheisenzylinder wird durch entsprechende Formgebung auf der Innenseite der Spulen durch je eine relativ dünne, koaxiale Weicheisenscheibe 3d und 3e mit großem Innendurchmesser in die Radialrichtung umgelenkt. Dadurch entstehen magnetische Nebenschlüsse, durch die die Feldstärke des Feldminimums 6 zwischen den beiden Maxima 7 und 8 nach Belieben festgelegt werden kann. Der äußere Weicheisenzylinder 3c besitzt deshalb in der Mitte eine geringere Dicke als an seinen beiden Enden. Die Dickendifferenz geht für die Flußumlenkungen in Radialrichtung in die Dicke der beiden Weicheisenscheiben über. The field strength of the axial magnetic field 5 (represented schematically by the curve) is thereby increased and the external stray fields of the overall arrangement are reduced in that the outer soft iron cylinder 3c establishes the main magnetic connection between the soft iron disks 3a and 3b. A small part of the magnetic flux in this soft iron cylinder is deflected in the radial direction by appropriate shaping on the inside of the coils by a relatively thin, coaxial soft iron disk 3d and 3e with a large inside diameter. This creates magnetic shunts through which the field strength of the field minimum 6 between the two maxima 7 and 8 can be determined as desired. The outer soft iron cylinder 3c therefore has a smaller thickness in the middle than at its two ends. The difference in thickness for the flow deflections in the radial direction changes into the thickness of the two soft iron disks.
Die Plasmazone 1 wird durch eine zylindrische, als Teilzylinder ausgeführte Plasmakammer 9 umschlossen. Es werden hierfür hochwarmfeste Metalle, Keramik oder Quarz verwendet. Eine Plasmakammer aus elektrisch leitendem Material ist von einer Isolationsschicht 10 vom Weicheisenjoch 3 und vom Multipolmagneten 4 getrennt. The plasma zone 1 is enclosed by a cylindrical plasma chamber 9 designed as a partial cylinder. High-temperature metals, ceramics or quartz are used for this. A plasma chamber made of electrically conductive material is separated from the soft iron yoke 3 and the multipole magnet 4 by an insulation layer 10.
Die Mikrowellenleistung wird durch das koaxiale Rohr 11 in die Plasmakammer 9 eingekoppelt. Konzentrisch zum Rohr 11 ist ein vorzugsweise aus Kupfer bestehendes Rohr 22 axial verschiebbar eingesetzt. Ein zylindrischer Ver dampfungsbehälter 20 ist mit Hilfe einer Ummantelung 21 am Ende des Rohres 22 eingepaßt, wie auch aus den Figuren 1b und 1c hervorgeht. Die Ummantelung 21 des zylindrischen Verdampfungsbehälters 20 und das Trägerrohr 22 übernehmen dabei die Rolle des Innenleiters einer Mikrowellen-Koaxialleitung, deren Außenmantel das Rohr 11 bildet, d.h., die Mikrowellenleistung wird damit in die Plasmakammer 9 eingekoppelt. The microwave power is coupled into the plasma chamber 9 through the coaxial tube 11. A pipe 22, preferably made of copper, is inserted concentrically to the pipe 11 and can be moved axially. A cylindrical ver Steaming container 20 is fitted with the help of a casing 21 at the end of the tube 22, as can also be seen from FIGS. 1b and 1c. The sheath 21 of the cylindrical evaporation container 20 and the support tube 22 assume the role of the inner conductor of a microwave coaxial line, the outer sheath of which forms the tube 11, ie the microwave power is thus coupled into the plasma chamber 9.
An ihrem sogenannten vorderen Ende (links in der Figur 1) ist die Plasmakammer 9 durch eine durchbohrte Plasmaelektrode 12 abgeschlossen. Weiterhin ist eine Extraktionselektrode 13 vorhanden, die eine hohle, zylindrische Form hat und deren Ende 13' massiv mit einem zylindrischen Innenkanal 15 ausgeführt ist. Die Extraktionselektrode 13 liegt gegenüber der Plasmaelektrode 12 auf negativem Potential, so daß sich zwischen diesen beiden Elektroden ein sogenanntes Ziehfeld ausbildet, das einen Ionenstrahl 16 durch die Plasmaelektrode 12 aus dem durch die Einkopplung der Mikrowellenleistung entstandenen Plasma 1 extrahiert, der dann den Innenkanal 15 der Extraktionselektrode 13 durchsetzt; der Innenkanal kann daher auch als Extraktionskanal bezeichnet werden. Die Extraktionselektrode 13 ist relativ zur Plasmaelektrode 12 axial beweglich. Um diese Beweglichkeit zu erreichen, ist ein vakuumdichter Federbalg 14 um entsprechende At its so-called front end (on the left in FIG. 1), the plasma chamber 9 is closed off by a pierced plasma electrode 12. Furthermore, there is an extraction electrode 13 which has a hollow, cylindrical shape and the end 13 'of which is solid with a cylindrical inner channel 15. The extraction electrode 13 lies opposite the plasma electrode 12 at a negative potential, so that a so-called pulling field is formed between these two electrodes, which extracts an ion beam 16 through the plasma electrode 12 from the plasma 1 created by the coupling of the microwave power, which then forms the inner channel 15 of the Extraction electrode 13 penetrates; the inner channel can therefore also be referred to as an extraction channel. The extraction electrode 13 is axially movable relative to the plasma electrode 12. In order to achieve this mobility, a vacuum-tight bellows 14 is provided for the corresponding
Teile der Ionenquellenvorrichtung angeordnet, wie aus der Figur 1 ersichtlich ist. Parts of the ion source device are arranged, as can be seen from FIG. 1.
Wesentlich für eine gute Emittanz und Brillanz der Extraktion der Ionen im Ionenstrahl 16 ist die Formgebung der Extraktionselektrode 13 auf der zur Plasmaelektrode 12 zugewandten Seite 17. Figur la zeigt in Vergrößerung die Situation. Der axial gebohrte Innenkanal 15, durch den der Ionenstrahl 16 hindurchtritt, ist als gestreckter Zylindermantel oder als schwacher, positiver oder negativer Konus ausgebildet, wobei sich die Länge zum mitt leren Durchmesser wie etwa 2 : 1 bis 3 : 1 verhalten. The shape of the extraction electrode 13 on the side 17 facing the plasma electrode 12 is essential for good emittance and brilliance of the extraction of the ions in the ion beam 16. FIG. 1 a shows the situation in an enlarged view. The axially drilled inner channel 15, through which the ion beam 16 passes, is designed as an elongated cylinder jacket or as a weak, positive or negative cone, the length being centered behave like 2: 1 to 3: 1.
Zusätzlich ist die Frontfläche 17 der Extraktionselektrode 13 im Bereich bis etwa zum dreifachen Bohrungsdurchmesser konkav ausgeführt, wobei der Krümmungsradius der Konkavität etwa dem dreifachen bis fünffachen Radius des Innenkanals 15 entspricht. Teile des divergierenden Ionenstrahls 16 treffen auf die Innenwand des Innenkanals 15 und erzeugen dort eine mit der Ladung der Ionen stark ansteigende Zahl, entsprechend ungefähr q2, von sehr niederenergetischen Sekundärelektronen. Diese Sekundärelektronen besitzen radiale, aber auch axiale Geschwindigkeitskomponenten. Zusammen mit dem Durchgriff des Extraktionsfeldes zwischen der Extraktionselektrode 13 und der Plasmaelektrode 12, zwischen denen eine Spannungsdifferenz für die durchzuführende Ionenbeschleunigung In addition, the front surface 17 of the extraction electrode 13 is made concave in the region up to approximately three times the bore diameter, the radius of curvature of the concavity corresponding approximately to three to five times the radius of the inner channel 15. Parts of the diverging ion beam 16 hit the inner wall of the inner channel 15 and generate there a number of very low-energy secondary electrons, corresponding to approximately q 2 , which increases rapidly with the charge of the ions. These secondary electrons have radial but also axial speed components. Together with the passage of the extraction field between the extraction electrode 13 and the plasma electrode 12, between which there is a voltage difference for the ion acceleration to be carried out
herrscht, wird deshalb ein Teil dieser Sekundärelektronen zur Plasmazone 1 hin beschleunigt. Sie erhöhen im Plasma die Elektronendichte. Durch die Konkavität der Frontfläche 17 der Extraktionselektrode 13 und durch das axiale Magnetfeldmaximum 7 in diesem Bereich wird der entstehende Elektronenstrahl 18 stark fokussiert und radial eingeschnürt. Die negative Raumladung dieses Elektronenstrahls 18 wirkt anziehend auf die Ionen im Plasma und im Bereich zwischen Plasma- und Extraktionselektrode 12 bzw. 13, so daß der Elektronenstrahl einen Extraktionskanal für die Ionen repräsentiert, der zu einer Verbesserung von Emittanz und Brillanz des extrahierten Ionenstrahls führt. prevails, part of these secondary electrons is therefore accelerated towards the plasma zone 1. They increase the electron density in the plasma. Due to the concavity of the front surface 17 of the extraction electrode 13 and the axial magnetic field maximum 7 in this area, the resulting electron beam 18 is strongly focused and constricted radially. The negative space charge of this electron beam 18 attracts the ions in the plasma and in the area between the plasma and extraction electrodes 12 and 13, so that the electron beam represents an extraction channel for the ions, which leads to an improvement in the emittance and brilliance of the extracted ion beam.
Ein anderer Teil der Sekundärelektronen mit Geschwindigkeitskomponenten in Richtung des Ionenstrahls 16 läuft mit dem Ionenstrahl mit und kompensiert dessen Raumladung im Bereich 19 bis zum nächsten ionenoptischen Bauelement. Durch diese Raumladungskompensation im Bereich 19 wird die Coulomb-Explosion des sehr intensiven Ionestrahls nach der Extraktion weitgehend verhindert und damit ebenfalls eine Verbesserung seiner Emittanz und der Brillanz erzielt. Another part of the secondary electrons with velocity components in the direction of the ion beam 16 runs with the ion beam and compensates for its space charge in the area 19 up to the next ion-optical component. This space charge compensation in region 19 largely prevents and prevents the Coulomb explosion of the very intense ion beam after the extraction thus also improving its emittance and brilliance.
In Figuren 1b und 1c sind Beispiele für Verdampfungsbehälter 20 dargestellt. Es handelt sich in diesem Falle um Zylinder, die axial von hinten in die Plasmakammer 9 eingeführt werden. Sie werden jeweils von einer Ummantelung 21 und einem wärmeleitenden Rohr 22 als Arm getragen, das an seinem hinteren Ende 23 mit einer Wärmesenke (Kühlung) verbunden ist, um einen wohldefinierten Wärmeverlust am hinteren Ende des Verdampfungsbehälters 20 zu erzeugen. Vorzugsweise besteht das wärmeleitende Rohr 22 aus Kupfer. Je mehr das vordere Ende der Ummantelung 21 und des Verdampfungsbehälters 20 an die hintere EZR-Zone 24 angenähert wird, desto mehr wird das vordere Ende des Verdampfungsbehälters 20 erhitzt, so daß als Funktion dieser Annäherung ein definierter Temperaturgradient vom vorderen zum hinteren Teil des Verdampfungsbehälters 20 beobachtet bzw. erzeugt werden kann. Um diesen Temperaturgradienten zu kontrollieren, sind ein oder mehrere Thermoelemente 25 entlang des Verdampfungsbehälters 20 angebracht, die nicht nur eine Temperaturablesung gestatten, sondern auch über einen elektronischen Regelkreis im Vergleich zu einer Solltemperatur den axialen, motorisierten Vorschub des Verdampfungsbehälter 20 steuern lassen, wie in Figur 1 schematisch skizziert. Mittels eines entsprechenden Stellmotors oder Stelltriebes 1b and 1c show examples of evaporation containers 20. In this case, the cylinders are inserted axially into the plasma chamber 9 from behind. They are each supported by a jacket 21 and a heat-conducting tube 22 as an arm, which is connected at its rear end 23 to a heat sink (cooling) in order to generate a well-defined heat loss at the rear end of the evaporation container 20. The heat-conducting tube 22 is preferably made of copper. The closer the front end of the casing 21 and the evaporation tank 20 to the rear EZR zone 24, the more the front end of the evaporation tank 20 is heated, so that as a function of this approach a defined temperature gradient from the front to the rear part of the evaporation tank 20 can be observed or generated. In order to control this temperature gradient, one or more thermocouples 25 are attached along the evaporation container 20, which not only allow temperature reading, but also allow the axial, motorized feed of the evaporation container 20 to be controlled by means of an electronic control circuit in comparison with a setpoint temperature, as in FIG 1 schematically outlined. Using a corresponding servomotor or actuator
(nicht dargestellt) läßt sich über einen Differenzverstärker ein entsprechendes Signal erzeugen. A corresponding signal can be generated via a differential amplifier (not shown).
Der Verdampfungsbehälter 20 ist in Figur 1b als geschlossener Behälter (erste Ausführungsform) mit einer kleinen Öffnung 26 für den Dampfaustritt in Richtung des Plasmas dargestellt. In Figur 1c (zweite Ausführungsform) besitzt er noch eine zweite Öffnung 27 am hinteren Ende , durch die von hinten während des Betriebs ein Zusatzgas durch den Verdampfungsbehälter abströmen kann. Ausführungsbeispiel 2 (vgl. Figuren 2 und 2a) The evaporation container 20 is shown in FIG. 1b as a closed container (first embodiment) with a small opening 26 for the steam outlet in the direction of the plasma. In FIG. 1c (second embodiment), it also has a second opening 27 at the rear end, through which an additional gas can flow through the evaporation container from behind during operation. Embodiment 2 (see FIGS. 2 and 2a)
In der Figur 2 ist schematisch eine zweistufige Ionenquellenvorrichtung dargestellt, die das Prinzip der Ionenquelle vom Typ CAPRICE gemäß Figur 1 verdoppelt. In einer Plasmakammer 9 werden zwei Plasmazonen l'und 1" mit verschiedenem Druck ausgebildet. Die hintere Zone 1" hat den höheren Druck und besitzt daher eine Plasmazone mit niedrigerem mittleren Ladungszustand im Plasma, während die vordere Zone 1' den niedrigeren Druck besitzt und deshalb einen höheren mittleren Ladungszustand des Plasmas in der Plasmazone 1' aufweist. FIG. 2 schematically shows a two-stage ion source device which doubles the principle of the CAPRICE type ion source according to FIG. 1. In a plasma chamber 9, two plasma zones 1 'and 1 "are formed with different pressures. The rear zone 1" has the higher pressure and therefore has a plasma zone with a lower mean state of charge in the plasma, while the front zone 1' has the lower pressure and therefore has a higher mean state of charge of the plasma in the plasma zone 1 '.
Um dieses Druckgefälle aufrecht zu erhalten, wird die Plasmakammer 9 durch eine differentielle Pumpblende 30, die für die Mikrowelle teiltransparent ist, in die beiden Bereiche getrennt. Auf der (linken) Extraktions-seite wird gepumpt. Das zu ionisierende Gas bzw. der Dampf werden von hinten (rechts) eingelassen. Technisch wird diese Ionenquelle im Vergleich zu der in Figur 1 durch ein verlängertes Weicheisenjochs 31, durch drei Spulen 32 und durch zwei Multipolpermanentmagnete 33 realisiert. In order to maintain this pressure drop, the plasma chamber 9 is separated into the two areas by a differential pump aperture 30, which is partially transparent to the microwave. Pumping takes place on the (left) extraction side. The gas or vapor to be ionized is admitted from the rear (right). Technically, this ion source is realized in comparison to that in FIG. 1 by an elongated soft iron yoke 31, by three coils 32 and by two multipole permanent magnets 33.
Wie aus Figur 2a hervorgeht, ist die zylindrische Wand der in axialer Richtung beweglichen Extraktionselektrode 13 so durchbrochen, daß im Innenraum der Extraktionselektrode 13 in fixer Position 34 relativ zum Weicheisenjoch 31 der Ionenquelle ein hochwarmfester, elektrisch isolierender Körper 35 befestigt werden kann, der so geformt und gebohrt ist, daß er das Aufspannen von Drähten auf drei elektrisch voneinander getrennten Kegeloberflächen 36, 37, und 38 gestattet. Das Aufspannen der Drähte kann spiralförmig oder, wie hier, in achsenparallelen Ebenen erfolgen. Ein Potentialschutz 39 auf dem isol iernden Körper 35 sorgt dafür, daß der durch ihn hindurchlaufen de Ionenstrahl 16 immer dem Potential der Extraktions-elektrode ausgesetzt ist. Durch Beschicken mit Strom und einer negativen Spannung UK wird der Draht der Kegeloberfläche 36 erhitzt und so diese Kegeloberfläche als Glühkathodengitter für Elektronenemission der Energie UK eV benutzt. Der Draht auf der Kegeloberfläche 37 wird auf positive Spannung UA aufgeladen, so daß ein kegelförmiges Anodengitter für die verstärkte Extraktion der Elektronen aus dem Glühkathodengitter mit einer Elektronenenergie von e• (|UK| + |UA|) eV erfolgt. Der Draht auf der Kegeloberfläche 38 liegt auf demselben Potential UE wie die Extraktionselektrode 13 und bildet damit eine kegelförmiges Bremsgitter, so daß die Elektronen dieses Gitter mit der Endenergie e·UK eV durchtreten. Damit kann aktiv, konzentrisch um den Ionenstrahl herum und senkrecht zu den kegelförmigen Gitteroberflächen eine intensive Elektronenemission von etwa 10 bis 400 eV Energie derart erzeugt werden, daß die Elektronengeschwindigkeitsvektoren in etwa parallel oder antiparallel zu den magnetischen Streufeldlinien der Ionenquelle liegen, wenn die Öffnungswinkel der kegelförmigen Gitter an die lokalen Magnetlinien angepaßt sind. Die so erzeugten Elektronen folgen den Magnetfeldlinien bis in das Plasma 1, wobei sie auf Spiralbahnen um diese Magnetfeldlinien bis zum Maximum des axialen Magnetfeldes auf einen minimalen Elektronenstrahldurchmesser konvergieren und dann wieder divergieren und gleichzeitig von der Extraktionselektrodenoberflache 17 bis zur Plasmaelektrode 12 im Ziehfeld der Ionen beschleunigt werden. Dadurch wird der aus dem Plasma beschleunigte Ionenstrahl 16 im gesamten Überlagerungsbereich durch den Elektronenstrahl 18 ein raumladungskompensierender Extraktionskanal angeboten, der seine Brillanz erhöht. Eine Kühlung 28 der Extraktionselektrode 13 ist vorgesehen, um die von der Glü hemission entwickelte Wärme abzuführen. As can be seen from FIG. 2a, the cylindrical wall of the extraction electrode 13, which is movable in the axial direction, is broken through in such a way that a heat-resistant, electrically insulating body 35, which is shaped in this way, can be fastened in the interior of the extraction electrode 13 in a fixed position 34 relative to the soft iron yoke 31 of the ion source and is drilled to allow wires to be clamped onto three electrically separated cone surfaces 36, 37, and 38. The wires can be clamped in a spiral or, as here, in planes parallel to the axes. A potential protection 39 on the isolating body 35 ensures that they run through it de ion beam 16 is always exposed to the potential of the extraction electrode. By charging with current and a negative voltage U K , the wire of the cone surface 36 is heated and so this cone surface is used as a hot cathode grid for electron emission of the energy U K eV. The wire on the cone surface 37 is charged to positive voltage U A , so that a conical anode grid for the increased extraction of the electrons from the hot cathode grid with an electron energy of e • (| U K | + | U A |) eV takes place. The wire on the cone surface 38 is at the same potential U E as the extraction electrode 13 and thus forms a conical brake grid, so that the electrons pass through this grid with the final energy e · U K eV. In this way, an intensive electron emission of about 10 to 400 eV energy can be generated actively, concentrically around the ion beam and perpendicular to the conical lattice surfaces in such a way that the electron velocity vectors are approximately parallel or antiparallel to the magnetic stray field lines of the ion source if the opening angles of the conical ones Grids are adapted to the local magnetic lines. The electrons generated in this way follow the magnetic field lines into the plasma 1, where they converge on spiral paths around these magnetic field lines up to the maximum of the axial magnetic field to a minimum electron beam diameter and then diverge again and at the same time accelerate from the extraction electrode surface 17 to the plasma electrode 12 in the pulling field of the ions become. As a result, the ion beam 16 accelerated from the plasma is offered in the entire superimposed area by the electron beam 18 an extraction channel which compensates for space charge and which increases its brilliance. A cooling 28 of the extraction electrode 13 is provided in order to prevent the glu to dissipate heat developed.
Damit der Überlagerungsbereich von Ionenstrahl 16 und Elektronenstrahl 18 möglichst den ganzen achsennahen Raum bis zum ersten ionenoptischen Bauelement ausfüllt, wird in Figur 2b die in der Figur 2a beschriebene Elektronenerzeugung möglichst in der Nähe dieses Bauelements angebracht, d.h. in großer Entfernung von der Plasmaelektrode 12 angeordnet, wo gerade noch die Magnetstreufeldkomponenten der Ionenquelle gegenüber anderen Streufeldern überwiegen und so einen wohldefinierten Elektronenstrahl gewährleisten. Es ist festzuhalten, daß bei der Elektronenerzeugung in solch großen Entfernungen von der Plasmaelektrode 12 die konzentrische und um die Achse rotationssymmetrische Elektronenerzeugung durch eine asymmetrisch, auf einer Seite der Achse liegende Elektronenerzeugung ersetzt werden kann, wenn die magnetische Führung der Elektronen dafür sorgt, daß die Elektronen auf die Achse der Ionenquelle hin konvergieren und vor allem im Extraktionsbereich zwischen der Extraktionselektrode 13 und der Plasmaelektrode 12 im achsennahen Bereich einen Extraktionskanal und eine Raumladungskompensation für die Ionen bieten. So that the overlapping area of the ion beam 16 and the electron beam 18 fills the entire space close to the axis as far as possible up to the first ion-optical component, the electron generation described in FIG. 2a is attached as close as possible to this component in FIG. arranged at a great distance from the plasma electrode 12, where the magnetic stray field components of the ion source just outweigh other stray fields and thus ensure a well-defined electron beam. It should be noted that when generating electrons at such large distances from the plasma electrode 12, the concentric and rotationally symmetrical electron generation can be replaced by asymmetrical electron generation on one side of the axis if the magnetic guidance of the electrons ensures that the Electrons converge towards the axis of the ion source and, especially in the extraction area between the extraction electrode 13 and the plasma electrode 12 in the area near the axis, offer an extraction channel and a space charge compensation for the ions.
Ausführungsbeispiel 3 (vgl. Figuren 3, 3a, 3b und 3c) Embodiment 3 (see FIGS. 3, 3a, 3b and 3c)
In Figur 3 wird eine Magnetfeldkonfiguration und die resultierende axiale Magnetfeldkomponente 40 auf der Achse gezeigt, bei der das linke Magnetfeldmaximum 41 durch eine stromdurchflossene Spule 42 und das rechte Magnetfeldmaximum 43 durch radial auf dem gesamten Umfang angeordnete Permanentmagneten 44 erzeugt wird, wobei ein Nulldurchgang des Feldvorzeichens stattfindet. Für die Weicheisenunterstützung der Gesamtanordnung gilt dasselbe wie im Ausführungsbeispiel 1 mit Ausnahme der Einbettung der radialen Permanentmagneten 44. Sie besteht aus zwei konzentrischen Ringen 45 und 46, wobei der Außen durchmesser des äußeren (46) dem Außendurchmesser der vorderen Weicheisenscheibe 3a gleich ist und der Innendurchmesser des inneren (45) dem Außendurchmesser der Plasmakammerisolation 10 angepaßt ist. Zwischen den beiden Ringen 45 und 46 wird ein Vielfaches von sechs radial magnetisierten Permanentmagneten 44 so angeordnet, daß der polygonartig ausgebildete Außendurchmesser des Innenrings voll mit Permanentmagneten bestückt ist. Die Permanentmagneten 44 können die Form von Quadern oder Trapezoiden haben, sie können auch durch einen radial magnetisierten Ring ersetzt werden. Bei entsprechender Variation der anderen Dimensionen kann einer der beiden Weicheisenringe 45 oder 46 wegfallen. 3 shows a magnetic field configuration and the resulting axial magnetic field component 40 on the axis, in which the left magnetic field maximum 41 is generated by a current-carrying coil 42 and the right magnetic field maximum 43 by permanent magnets 44 arranged radially over the entire circumference, with a zero crossing of the field sign takes place. The same applies to the soft iron support of the overall arrangement as in exemplary embodiment 1, with the exception of the embedding of the radial permanent magnets 44. It consists of two concentric rings 45 and 46, the outside diameter of the outer (46) is equal to the outer diameter of the front soft iron disk 3a and the inner diameter of the inner (45) is adapted to the outer diameter of the plasma chamber insulation 10. A multiple of six radially magnetized permanent magnets 44 is arranged between the two rings 45 and 46 such that the polygonal outer diameter of the inner ring is fully equipped with permanent magnets. The permanent magnets 44 can have the shape of cuboids or trapezoids, they can also be replaced by a radially magnetized ring. With a corresponding variation of the other dimensions, one of the two soft iron rings 45 or 46 can be omitted.
Als weitere Besonderheit werden in dieser Anordnung die Weicheisenscheiben 3d und 3e für die magnetischen Nebenschlüsse zur Mitte der Ionenquelle hin mit dünnen Another special feature of this arrangement is that the soft iron disks 3d and 3e for the magnetic shunts towards the center of the ion source are thin
stromdurchflossenen Spulen 47 belegt, so daß die magnetischen Nebenschlüsse durch Variation des Stromes in diesen Spulen und damit das Magnetfeldminimum 52 während des Betriebs der Ionenquelle geändert werden können. current-carrying coils 47 are occupied, so that the magnetic shunts can be changed by varying the current in these coils and thus the magnetic field minimum 52 during operation of the ion source.
Die Anordnung wird durch einen Permanentmultipolmagneten 53 zum radialen, magnetischen Einschluß des Plasmas komplettiert. The arrangement is completed by a permanent multipole magnet 53 for radial, magnetic confinement of the plasma.
Wie aus Figur 3a zu erkennen ist, können Elektronen analog zum Ausführungsbeispiel 2 aktiv im Innenraum der Extraktionselektrode 13 auf einem Kegelmantel erzeugt werden. Im Gegensatz zum Ausführungsbeispiel 2 werden die Elektronen hier aber nicht durch Glühemission erzeugt, sondern mit einer sogenannten Mikropunktanordnung 48, wie sie in Figur 3a vergrößert dargestellt ist. Eine solche Mikropunktanordnung 48 besteht aus etwa 1 μm großen Kegelspitzen 49 in Abständen von 10 μm, so daß pro mm2 10000 Mikropunkte existieren. Eine solche Konstruktion ist bekannt aus den Veröffentlichungen wie folgt: C.A. Spindt, I. Brodie, L. Humphrey, and E. R. Westerberg, Journal of Applied Physics, Band 47, Seite 5248 ff., 1976; C.C. Curtis and K.C. Hsieh, Review of Scientific Instruments, Band 57, Seiten 989 ff., 1986; R.E. Mitchell, J.B.A. Mitchell, and J.W. McGowan, Journal of Physics E, Band 18, Seiten 1031 ff., 1985. Isoliert von diesen Kegelspitzen ist ihnen gegenüber eine Anodenmatrix 50 angebracht, an der eine Ziehspannung UA von etwa 200 V im Vergleich zur negativen Spannung der Kegelspitzen UK angelegt wird. Auf Grund der kleinen Dimensionen reicht diese relativ geringe Spannungsdifferenz |UA|+|UK| aus, um per Feldemission aus jeder Kegelspitze 49 Elektronenströme bis etwa 0.1 μA zu ziehen, so daß pro mm2 bei vernachlässigbarer Wärmeentwicklung ein Elektronenstrom bis 1 mA emittiert werden kann. Die Elektronen der Energie e ·(|UA|+|UK|) werden durch ein Bremsgitterzylinder 51 auf das Potential UE der Extraktionselektrode 13 auf die Energie e·|UK| abgebremst, so daß im Bereich des Ionenstrahls 16 zwischen der Elektronenerzeugung 48 und der Plasmaelektrode 12 eine hohe Dichte von Elektronen niedriger Energie für die Raumladungskompensation des Ionenstrahls und für die Beschleunigung in das Plasma 1 erzeugt wird. As can be seen from FIG. 3a, electrons can be actively generated in the interior of the extraction electrode 13 on a cone jacket analogous to embodiment 2. In contrast to embodiment 2, the electrons are not generated here by glow emission, but with a so-called micropoint arrangement 48, as shown enlarged in FIG. 3a. Such a micropoint arrangement 48 consists of approximately 1 μm conical tips 49 at intervals of 10 μm, so that there are 10,000 micropoints per mm 2 . Such a construction is known from the publications such as follows: CA Spindt, I. Brodie, L. Humphrey, and ER Westerberg, Journal of Applied Physics, Volume 47, page 5248 ff., 1976; CC Curtis and KC Hsieh, Review of Scientific Instruments, Volume 57, pages 989 ff., 1986; RE Mitchell, JBA Mitchell, and JW McGowan, Journal of Physics E, Volume 18, pages 1031 ff., 1985. Isolated from these cone tips, an anode matrix 50 is attached opposite them, on which a pulling voltage U A of about 200 V compared to negative voltage of the cone tips U K is applied. Due to the small dimensions, this relatively small voltage difference | U A | + | U K | is sufficient to draw 49 electron currents of up to about 0.1 μA from each cone tip by field emission, so that an electron current of up to 1 mA can be emitted per mm 2 with negligible heat development. The electrons of the energy e · (| U A | + | U K |) are transferred to the potential U E of the extraction electrode 13 by the brake grid cylinder 51 to the energy e · | U K | decelerated so that a high density of electrons of low energy is generated in the region of the ion beam 16 between the electron generation 48 and the plasma electrode 12 for the space charge compensation of the ion beam and for the acceleration into the plasma 1.
Damit der Überlagerungsbereich von Ionenstrahl 16 und Elektronenstrahl 18 möglichst den ganzen achsennahen Raum bis zum ersten ionenoptischen Bauelement ausfüllt, wird gemäß Figur 3b die in der Figur 3a beschriebene Elektronenerzeugung möglichst in der Nähe dieses Bauelements angebracht, d.h. in großer Entfernung von der Plasmaelektrode 12 angeordnet, wo gerade noch die Magnetstreufeldkomponenten der Ionenquelle gegenüber anderen Streufeldern überwiegen und so einen wohldefinierten Elektronenstrahl gewährleisten. Der Öffnungswinkel des Elektronenproduktionskegels ist an die Richtung der Magnetstreufeldkomponenten in diesem Bereich angepaßt. Im Unterschied zum Ausführungsbeispiel 1 wird der Verdampfungsbehälter 20 in diesem Beispiel aktiv von einer Heizwendel 54 beheizt, wie sie in Figur 3c vergrößert dargestellt ist. Sie wird z. B. von einem zylindrischen Keramikhalter 55 mit einer Furchenspirale 56 getragen. Im übrigen werden alle wesentlichen Merkmale des Ausführungsbeispiels 1 erhalten, wie sie an Hand der Figuren 1b und 1c erläutert wurden. Die Stromzufuhr erfolgt durch eine einzige Zuleitung 57, denn die Rückleitung wird von der leitenden Ummantelung 21 des Keramikzylinders 55 und von dem wärmeleitenden Trägerrohr 22 übernommen. 3b, the electron generation described in FIG. 3a is placed as close as possible to this component, that is to say arranged at a great distance from the plasma electrode 12, so that the overlapping region of the ion beam 16 and electron beam 18 fills the entire space near the axis up to the first ion-optical component. where just the magnetic stray field components of the ion source outweigh other stray fields and thus ensure a well-defined electron beam. The opening angle of the Electron production cone is adapted to the direction of the magnetic stray field components in this area. In contrast to exemplary embodiment 1, the evaporation container 20 in this example is actively heated by a heating coil 54, as is shown enlarged in FIG. 3c. You will z. B. carried by a cylindrical ceramic holder 55 with a furrow spiral 56. Otherwise, all the essential features of exemplary embodiment 1 are obtained, as were explained with reference to FIGS. 1b and 1c. The current is supplied by a single supply line 57, because the return line is taken over by the conductive sheathing 21 of the ceramic cylinder 55 and by the heat-conducting carrier tube 22.
Ausführungsbeispiel 4 (vgl. Figuren 4 und 4a) Embodiment 4 (see FIGS. 4 and 4a)
Das Ausführungsbeispiel gemäß Figur 4 zeigt schematisch eine Ausführungsform, bei der das vordere 60 (in der Skizze links) und das hintere Magnetfeldmaximum 61 für den axialen Einschluß des Plasmas 1 durch radial magnetisierte Permanentmagneten 62 erzeugt werden. Die radialen Permanentmagneten sind in konzentrischen Weicheisenringen 63 und 64 für das vordere Maximum und 65 und 66 für das hintere Maximum so eingebettet, daß der polygonartig ausgebildete Außendurchmesser der Innenringe und der polygonartig ausgebildete Innendurchmesser der Außenringe voll mit Permanentmagneten bestückt sind. Die Permanentmagneten 62 können die Form von Quadern oder The exemplary embodiment according to FIG. 4 schematically shows an embodiment in which the front 60 (in the sketch on the left) and the rear magnetic field maximum 61 for the axial inclusion of the plasma 1 are generated by radially magnetized permanent magnets 62. The radial permanent magnets are embedded in concentric soft iron rings 63 and 64 for the front maximum and 65 and 66 for the rear maximum so that the polygonal outer diameter of the inner rings and the polygonal inner diameter of the outer rings are fully equipped with permanent magnets. The permanent magnets 62 can take the form of cuboids or
Trapezoiden haben, sie können auch durch einen radial magnetisierten Ring ersetzt werden. Bei entsprechender Variation der anderen Radialdimensionen kann jeweils entweder der äußere oder der innere Weicheisenring wegfallen. Trapezoids, they can also be replaced by a radially magnetized ring. With a corresponding variation of the other radial dimensions, either the outer or the inner soft iron ring can be omitted.
Für die Erzeugung magnetischer Nebenschlüsse sind wie in den Ausführungsbeispielen 1 und 3 die Weicheisenscheiben 3d und 3e vorgesehen, deren Auslegung die Tiefe des For the generation of magnetic shunts are as in Embodiments 1 and 3, the soft iron disks 3d and 3e provided, the interpretation of the depth of the
Magnetfeldminimums 67 relativ zu den Maxima 60 und 61 bestimmen. Ebenfalls wie in den Ausführungsbeispielen 1 und 3 dient ein Weicheisenzylinder 3c als mechanischer Abstandshalter und als magnetischer Hauptschluß der Gesamtanordnung. Ein Permanentmultipolmagnet 68 gewährleistet wieder den magnetischen Radialeinschluß des Plasmas 1. Determine magnetic field minimums 67 relative to the maxima 60 and 61. As in the exemplary embodiments 1 and 3, a soft iron cylinder 3c serves as a mechanical spacer and as the main magnetic circuit of the overall arrangement. A permanent multipole magnet 68 again ensures the magnetic radial confinement of the plasma 1.
In axialer Richtung sind die Weicheisenringe und ihre Bestückung mit radialen Permanentmagneten auf der Extraktionsseite (in Skizze links) deutlich länger ausgebildet als auf der Rückseite der Ionenquelle, wobei etwa ein Verhältnis von 1:0.8 bis 1:1.2 zwischen dem Innendurchmesser des Innenrings 63 und seiner axialen Länge anzustreben ist. Der dadurch bewirkte geringere axiale Feldgradient im Bereich des Nulldurchgangs des Vorzeichens der axialen Magnetfeldkomponente 69 (des weiteren einfach Nulldurchgang genannt) wird gewinnbringend für die Anordnung einer aktiven, um die Achse konzentrischen und auf einer Kegeloberfläche mit geeignetem Öffnungswinkel stattfindenden Elektronenproduktion verwertet, wie sie in Figur 4a vergrößert gezeigt wird. Es wird die Elektronenerzeugung mit Mikropunkten nach Figur 3a des Ausführungsbeispiels 3 in doppelter, zum Nulldurchgang exakt spiegelsymmetrischer Anordnung gewählt, "einmal mit Öffnung des Kegels 70 zum Plasma hin und einmal mit Öffnung des Kegels 71 in entgegengesetzter Richtung. Die beiden Mikropunktkegel mit jeweiligen Anoden- und Bremsgittern 51 werden von einem gemeinsamen Trägerkörper 72 aus beliebigem, hochwarmfesten Material (am besten Keramik) getragen und genau auf den Nulldurchgang zentriert. Dazu wird der Trägerkörper mechanisch über einen metallischen Zylinder 73, über Isolationselemente 74 und über eine Halterung 75 fest mit der Weicheisenstruktur der Ionenquelle verbunden, wobei der Trägerkörper 72 und der Zy linder 73 elektrisch mit den Bremsgittern 51 und der Extraktionselektrode 13 verbunden sind. In the axial direction, the soft iron rings and their fitting with radial permanent magnets on the extraction side (in the sketch on the left) are significantly longer than on the back of the ion source, with a ratio of 1: 0.8 to 1: 1.2 between the inner diameter of the inner ring 63 and its axial length is desirable. The resultant lower axial field gradient in the region of the zero crossing of the sign of the axial magnetic field component 69 (further simply called zero crossing) is used profitably for the arrangement of an active electron production which is concentric about the axis and takes place on a cone surface with a suitable opening angle, as shown in FIG 4a is shown enlarged. The electron generation with micropoints according to FIG. 3a of embodiment 3 is chosen in a double arrangement, mirror-symmetrical to the zero crossing, "once with the cone 70 opening towards the plasma and once with the cone 71 opening in the opposite direction. The two microdot cones with respective anode and brake grids 51 are carried by a common carrier body 72 made of any heat-resistant material (preferably ceramic) and centered exactly on the zero crossing, for this purpose the carrier body is mechanically fixed to the soft iron structure via a metallic cylinder 73, via insulation elements 74 and via a holder 75 connected to the ion source, the carrier body 72 and the Zy Linder 73 are electrically connected to the brake grids 51 and the extraction electrode 13.
Durch diese Anordnung der Elektronenerzeugung wird die Raumladung des Ionenstrahls 16 im Bereich vom Nulldurchgang bis zur Plasmaelektrode 12 durch den Elektronenstrahl 18 und im Bereich vom Nulldurchgang bis zum nächstfolgenden ionenoptischen Bauelement vom Elektronenstrahl 76 kompensiert. Die dadurch verbesserte Brillanz der Ionenquelle kann weiter durch die Variation der axialen Position der Plasmaelektrode 77 und unabhängig davon der Extraktionselektrode 78 optimiert werden. Dies ist notwendig, da die Elektronenerzeugung und die Magnetfeldkonfiguration durch Permanentmagneten räumlich und zeitlich fixiert sind und deshalb nur diese mechanischen Variationen zwecks Optimierung zur Verfügung stehen. This arrangement of electron generation compensates for the space charge of the ion beam 16 in the region from the zero crossing to the plasma electrode 12 by the electron beam 18 and in the region from the zero crossing to the next ion-optical component by the electron beam 76. The resulting improved brilliance of the ion source can be further optimized by varying the axial position of the plasma electrode 77 and independently of the extraction electrode 78. This is necessary because the electron generation and the magnetic field configuration are fixed in space and time by permanent magnets and therefore only these mechanical variations are available for optimization.
Durch Wahl einer Verdampfungsanordnung mit aktiver Heizung nach Figur 3c des Ausführungsbeispiels 3 wird ihre Position unabhängig von der hinteren Resonanzzone 24 und kann deshalb leicht zugänglich außerhalb der Ionenquelle angebracht werden. Wie in Figur 4 gezeigt, wird festes, verdampfbares Material von dem Verdampfungsbehälter 20 durch eine kleine Dampföffnung 79 in der Abschirmung 80 der Mikrowellenzufuhr in das Plasma 1 eingedampft. By choosing an evaporation arrangement with active heating according to FIG. 3c of embodiment 3, its position becomes independent of the rear resonance zone 24 and can therefore be attached easily accessible outside the ion source. As shown in FIG. 4, solid, vaporizable material is evaporated into the plasma 1 from the evaporation container 20 through a small steam opening 79 in the shield 80 of the microwave supply.
Die Mikrowellenzufuhr mit ihrem Vakuumfenster 81 ist hier schematisch für größere Mikrowellenlängen mit einer Lecher-Leitung 82 angedeutet, wobei die beiden Leiter in der Figur 4 nebeneinander gezeichnet sind, in Realität aber hintereinander liegen sollen. The microwave supply with its vacuum window 81 is schematically indicated here for longer microwave lengths with a Lecher line 82, the two conductors being shown next to one another in FIG. 4, but in reality are supposed to lie one behind the other.
Ausführungsbeispiel 5 (vgl. Figuren 5 und 5a) Embodiment 5 (see FIGS. 5 and 5a)
Das Ausführungsbeispiel gemäß Figur 5 zeigt schematisch eine zum Ausführungsbeispiel 4 äquivalente Magnetfeldkonfiguration, wie aus der Ähnlichkeit des Verlaufs der axialen Magnetfeldkomponente auf der Achse 90 mit dem in Figur 4 gezeigten Verlauf 69 hervorgeht. Sie unterscheidet sich aber wesentlich dadurch, daß eine eisenfreie, nur mit Permanentmagneten aufgebaute Konzeption gezeigt ist. Die in Figur 4 in Weicheisen eingebetteten, radial magnetisierten Permanentmagnetringe sind hier in unmittelbarem Kontakt mit der Außenwand (inklusive Isolation und eventueller Kühlung) der Plasmakammer angeordnet 91 bis 93. Dabei ist der vordere, im Bereich der Extraktion angebrachte Ring in zwei Ringe 92 und 93 aufgeteilt, wobei der Ring 92 einen größeren Innendurchmesser als der Ring 93 haben kann, die durch einen Zwischenraum 94 getrennt sind, um so im Bereich der Elektronenerzeugung 95 ein Minimum der positiven Steigung der axialen Magnetfeldkomponente 90 zu bewirken. Statt der magnetischen Nebenschlüsse in Figur 4 müssen hier zusätzliche, radial magnetisierte Permanentmagnetringe 96 und 97 angebracht werden, die das Feld der Permanentmagnethauptringe 91 bis 93 zur Mitte dahingehend reduzieren, daß ihre Stärke und Position die Tiefe des Magnetfeldminimums 98, relativ zum vorderen Maximum 110 und zum hinteren Maximum 111 des magnetischen Spiegelfeldes, bestimmen. Durch axiales Verschieben dieser Ringe 96 und 97 während des Betriebs der Ionenquelle können dieses Minimum und damit auch die Resonanzzonen relativ zur Plasmaelektrode verschoben und so die Extraktion bestimmter Ionen optimiert werden. Die Zusammensetzung der radial magnetisierten Permanentmagnetringe kann wie im Ausführungsbeispiel 4 oder in Klebetechnik erfolgen. Die axiale Magnetstruktur wird wieder ergänzt durch einen Permanentmultipolmagneten 99 für den Radialeinschluß des Plasmas 1. The exemplary embodiment according to FIG. 5 schematically shows a magnetic field configuration equivalent to exemplary embodiment 4, as is evident from the similarity of the course of the FIG axial magnetic field component on the axis 90 with the course 69 shown in FIG. However, it differs significantly in that an iron-free design, which is only constructed with permanent magnets, is shown. The radially magnetized permanent magnet rings embedded in soft iron in FIG. 4 are arranged here in direct contact with the outer wall (including insulation and possible cooling) of the plasma chamber 91 to 93. The front ring, which is attached in the area of the extraction, is in two rings 92 and 93 divided, wherein the ring 92 can have a larger inner diameter than the ring 93, which are separated by a space 94, so as to bring about a minimum of the positive slope of the axial magnetic field component 90 in the region of the electron generation 95. Instead of the magnetic shunts in Figure 4, additional, radially magnetized permanent magnet rings 96 and 97 have to be attached here, which reduce the field of the permanent magnet main rings 91 to 93 to the center in such a way that their strength and position reduce the depth of the magnetic field minimum 98, relative to the front maximum 110 and to the rear maximum 111 of the magnetic mirror field. By axially displacing these rings 96 and 97 during operation of the ion source, this minimum and thus also the resonance zones can be displaced relative to the plasma electrode and the extraction of certain ions can be optimized. The composition of the radially magnetized permanent magnet rings can be carried out as in exemplary embodiment 4 or using adhesive technology. The axial magnetic structure is again supplemented by a permanent multipole magnet 99 for the radial confinement of the plasma 1.
Der durch den Zwischenraum 94 zwischen den radial magnetisierten Permanentmagnetringen 92 und 93 bewirkte geringe axiale Feldgradient am Nulldurchgang des Vorzeichens der axialen Magnetfeldkomponente 90 (des weiteren einfach Nulldurchgang genannt) wird analog zu Figuren 4 und 4a auch hier gewinnbringend für die Anordnung einer aktiven, um die Achse konzentrischen und auf einer Kegeloberfläche mit geeignetem Öffnungswinkel stattfindenden Elektronenerzeugung verwertet, wie sie in Figur 5a vergrößert gezeigt wird. Es ist hier die Elektronenerzeugung mit Glühemission nach Figur 2a des Ausführungsbeispiels 2 in doppelter, zum Nulldurchgang exakt spiegelsymmetrischer Anordnung gewählt, einem mit Öffnung des The small axial field gradient caused by the gap 94 between the radially magnetized permanent magnet rings 92 and 93 at the zero crossing of the sign of the axial magnetic field component 90 (further simply called zero crossing) is analogous to FIGS. 4 and 4a is also used here profitably for the arrangement of active electron generation which is concentric about the axis and takes place on a cone surface with a suitable opening angle, as is shown enlarged in FIG. 5a. Electron generation with glow emission according to FIG. 2a of embodiment 2 is selected here in a double arrangement, mirror-symmetrical to the zero crossing, one with opening of the
Kegels 100 zum Plasma hin und einmal mit Öffnung des Kegels 101 in entgegengesetzter Richtung. Die beiden Glühmissionskegel 102 mit jeweiligen Anoden- 103 und Bremsgittern 104 werden von einem gemeinsamen Trägerkörper 105 aus beliebigem, hochwarmfesten Material (am besten Keramik) getragen und genau auf den Nulldurchgang zentriert. Dazu wird der Trägerkörper 105 mechanisch über einen metallischen Zylinder 106, über Isolationselemente 107 und über eine Halterung 108 fest mit der Weicheisenstruktur der Ionenquelle verbunden, wobei der Trägerkörper 105 und der Zylinder 106 elektrisch mit den Bremsgittern 104 und der Extraktionselektrode 13 verbunden ist. Cone 100 to the plasma and once with the opening of the cone 101 in the opposite direction. The two glow emission cones 102 with respective anode 103 and brake grids 104 are carried by a common carrier body 105 made of any high-temperature-resistant material (preferably ceramic) and centered exactly on the zero crossing. For this purpose, the carrier body 105 is mechanically connected to the soft iron structure of the ion source via a metallic cylinder 106, via insulation elements 107 and via a holder 108, the carrier body 105 and the cylinder 106 being electrically connected to the brake grids 104 and the extraction electrode 13.
Durch diese Anordnung der Elektronenerzeugung wird die Raumladung des Ionenstrahls 16 im Bereich vom Nulldurchgang bis zur Plasmaelektrode 12 durch den Elektronenstrahl 18 und im Bereich vom Nulldurchgang bis zum nächstfolgenden ionenoptischen Bauelement vom Elektronenstrahl 76 kompensiert. Die dadurch verbesserte Brillanz der Ionenquelle kann weiter durch die Variation der axialen Position der Plasmaelektrode 77 und unabhängig davon der Extraktionselektrode 78 optimiert werden. This arrangement of electron generation compensates for the space charge of the ion beam 16 in the region from the zero crossing to the plasma electrode 12 by the electron beam 18 and in the region from the zero crossing to the next ion-optical component by the electron beam 76. The resulting improved brilliance of the ion source can be further optimized by varying the axial position of the plasma electrode 77 and independently of the extraction electrode 78.
In Figur 5 ist schematisch auch dargestellt, wie gleichzeitig mehrere, aktiv durch Heizwendeln geheizte, mit verschiedenen Substanzen beschickte Verdampfungsbehälter 20 außerhalb des eigentlichen Ionenquellenkörpers mit Dampfrichtung in das Plasma 1 und mit Dampfstrahlventi len 109 angebracht werden können. Somit ist ein Wechsel des Dampfmaterials und die Neubeladung der Verdampfungsbehälter während des Betriebs der Ionenquellenvorrichtung möglich. FIG. 5 also schematically shows how at the same time a plurality of evaporation containers 20, actively heated by heating coils and charged with different substances, outside the actual ion source body with the steam direction into the plasma 1 and with steam jet valves len 109 can be attached. It is thus possible to change the vapor material and recharge the evaporation containers while the ion source device is operating.
Zwischen den alternierenden Magnetpolen des Permanentmagnetmultipols 99 bleibt genügend freier Raum, um die Mikrowellenleistung mit einem Rechteckhohlleiter 84 direkt radial durch ein mikrowellendurchlässiges Vakuumfenster 85 in die Plasmakammer einkoppeln zu können, wobei der elektrische Feldvektor der Mikrowelle senkrecht zur Sufficient free space remains between the alternating magnetic poles of the permanent magnet multipole 99 in order to be able to couple the microwave power with a rectangular waveguide 84 directly radially into the plasma chamber through a microwave-permeable vacuum window 85, the electric field vector of the microwave being perpendicular to the
Achse der Ionenquellenvorrichtung steht und wobei der Einkopplungsort frei zwischen den Permanentmagnetringen 96 und 97 gewählt werden kann. Die einfallende Mikrowellenleistung kann in dieser Geometrie auf der gegenüberliegenden wieder ausgekoppelt werden oder in so adaptierter Weise durch ein Rechteckhohlleiterstück 86 mit beweglichem Abschlußkolben 87 reflektiert werden, daß eine stehende Welle mit Feldmaximum auf der Achse der Plasmakammer entsteht. Dieselbe stehende Mikrowelle mit Feldmaximum auf der Achse der Plasmakammer läßt sich auch aktiv durch symmetrische Zufuhr zweier gleicher Mikrowellenleistungen mit entsprechender Phasenanpassung von oben 84 und von unten 86 in Figur 5 erzielen. In diesem Fall können die Rechteckhohlleiter 88 und damit auch die Mikrowelleneinkopplung unter anderen Winkeln als 90 Grad zur Achse der Plasmakammer erfolgen, so daß das Feldmaximum nicht nur auf der Achse, sondern auch z.B. in der Nähe der vorderen Resonanzzone 89 erzwungen wird. Bei Mikrowellenzufuhr aus drei unter 120 Grad versetzten Radialrichtungen mit entsprechenden Phasenanpassungen von jeweils 120 Grad läßt sich so ein maximaler, sich um die Ionenquellenachse drehender elektrischer Feldvektor auf der Ionenquellenachse erzeugen. Axis of the ion source device is and the coupling location can be freely selected between the permanent magnet rings 96 and 97. In this geometry, the incident microwave power can be coupled out again on the opposite one, or can be reflected in a manner adapted in such a way by a rectangular waveguide piece 86 with a movable closing piston 87 that a standing wave with a field maximum arises on the axis of the plasma chamber. The same standing microwave with a field maximum on the axis of the plasma chamber can also be achieved actively by symmetrically supplying two identical microwave powers with corresponding phase adaptation from above 84 and from below 86 in FIG. In this case, the rectangular waveguide 88 and thus also the microwave coupling can take place at angles other than 90 degrees to the axis of the plasma chamber, so that the field maximum not only on the axis but also e.g. is forced near the front resonance zone 89. With microwave supply from three radial directions offset by 120 degrees with corresponding phase adjustments of 120 degrees each, a maximum electrical field vector rotating about the ion source axis can be generated on the ion source axis.
Als besonders vorteilhaft erweist sich die Wahl des Durchmessers der metallischen Innenwandung der zylin drischen. Plasmakammer von etwa kleiner als 0.59 der Wellenlänge der verwendeten Mikrowelle. Dadurch werden Mikrowellenresonanzen in der Plasmakammer und somit nicht nur instabile Funktionsbereiche der Ionenquelle, sondern auch der axiale Mikrowellenleistungstransport zu Zyklotronresonanzbereichen außerhalb des Multipolmagneten reduziert. Gleichzeitig wird bei einseitiger Mikrowellenzufuhr durch Reflexion an der gegenüberliegenden Plasmakammerwand eine stehende Mikrowelle mit elektrischem Feldmaximum nahezu auf der Achse der Ionenquelle erzielt. The choice of the diameter of the metallic inner wall of the cylinder proves to be particularly advantageous drischen. Plasma chamber of approximately less than 0.59 of the wavelength of the microwave used. As a result, microwave resonances in the plasma chamber and thus not only unstable functional areas of the ion source, but also the axial microwave power transport to cyclotron resonance areas outside the multipole magnet are reduced. At the same time, with a microwave supply from one side, a standing microwave with an electric field maximum is almost achieved on the axis of the ion source by reflection on the opposite plasma chamber wall.
Ausführungsbeispiel 6 (vgl. Figur 6) Embodiment 6 (see FIG. 6)
Das Ausführungsbeispiel 6 gemäß Figur 6 zeigt schematisch die Abbremsung eines Ionenstrahls 120 in einem System aus fünf durchbohrten Elektrodenscheiben 121 bis 125, dem mit Hilfe einer mit einem Weicheisenjoch 126 unterstützten Spule 127 eine Magnetfeld überlagert ist. Der ursprünglich mit 20q keV Strahlenergie von rechts kommende lonenstrahl 120 sei am Punkt 128 fokussiert und durchlaufe dann die fünf Elektroden, die auf den in The exemplary embodiment 6 according to FIG. 6 shows schematically the braking of an ion beam 120 in a system of five pierced electrode disks 121 to 125, to which a magnetic field is superimposed with the aid of a coil 127 supported by a soft iron yoke 126. The ion beam 120, which originally comes from the right with 20q keV beam energy, is focused at point 128 and then passes through the five electrodes which are on the in
Figur 6 angegebenen Potentialen liegen, und werde dabei auf die Endenergie von 1q keV abgebremst und am Punkt 129 fokussiert. q ist die Ladung der Ionen im lonenstrahl. Die Form und die axiale Position des gezeigten Verlaufs der axialen Magnetfeldkomponente 130 werden so gewählt, daß der noch hochenergetische lonenstrahl so in das Magnetfeld einläuft, daß er dabei eine starke Eigenrotation durch die notwendigerweise vorhandenen Radialkomponenten des ansteigenden Magnetfeldes 130 erfährt, die beim Auslaufen aus dem Magnetfeld mit niedrigerer Energie nur teilweise rückgängig gemacht wird. Es wird also mit dem schematisch gezeigten Aufbau in Figur 6 eine wohldefinierte Eigenrotation des Ionenstrahls um die eigene Achse erzeugt, die von der Form und der axialen Position des Magnetfeldes und dem Abbremsungsfaktor abhängen.. Figure 6 potentials are, and will be braked to the final energy of 1q keV and focused at point 129. q is the charge of the ions in the ion beam. The shape and the axial position of the course of the axial magnetic field component 130 shown are chosen so that the still high-energy ion beam enters the magnetic field in such a way that it experiences a strong inherent rotation due to the radial components of the increasing magnetic field 130 which are necessarily present and which emerge from the Magnetic field with lower energy is only partially reversed. 6, a well-defined self-rotation of the ion beam about its own axis is generated, which depends on the shape and the axial position of the magnetic field and the deceleration factor depend..
Durch die Wahl des Vorzeichens des Magnetfeldes kann die so erzeugte Strahlrotation im Vorzeichen und in der Stärke genau der Strahleigenrotation entgegengesetzt gleich gemacht werden, wie sie der von rechts einfallende lonenstrahl 120 auf Grund seiner Extraktionsbeschleunigung aus Bereichen mit radialen Magnetfeldkomponenten der Ionenquelle besitzt. Das Nettoresultat nach der Abbremsung des Ionenstrahls ist also ein lonenstrahl 131 ohne Eigenrotation und damit ein Ionenstrahl mit besserer Emittanz und Brillanz. Ferner sei daurauf hingewiesen, Through the choice of the sign of the magnetic field, the beam rotation generated in this way can be made the same in sign and strength in exactly the opposite direction as the beam's own rotation, as the ion beam 120 incident from the right has due to its acceleration of extraction from areas with radial magnetic field components of the ion source. The net result after the deceleration of the ion beam is therefore an ion beam 131 without self-rotation and thus an ion beam with better emittance and brilliance. It should also be noted
* daß die Extraktionselektrode (13) einen im wesentlichen zylindrischen Innenkanal (15) aufweist, bei dem vorzugsweise der Innendurchmesser sich zur Länge wie etwa 2:1 bis 3:1 verhält; * that the extraction electrode (13) has a substantially cylindrical inner channel (15), in which preferably the inner diameter is about 2: 1 to 3: 1 to the length;
* daß dem Innenkanal (15) der Extraktionselektrode eine die Eintrittsbohrung zum Innenkanal umgebende, zur Plasmakammer hin konkave Frontfläche (17) vorgeschaltet ist, die vorzugsweise einen Krümmungsradius hat, der dem Drei- bis Fünffachen des Innendurchmessers des Innenkanals (15) entspricht; * that the inner channel (15) of the extraction electrode is preceded by a front surface (17) surrounding the inlet bore to the inner channel and concave towards the plasma chamber, which preferably has a radius of curvature which corresponds to three to five times the inner diameter of the inner channel (15);
* daß Ionen, die an der Peripherie des Ionenstrahls nach außen divergieren, an der Wandung des Innenkanals (15) Sekundärelektronen erzeugen, die einerseits durch axiale Geschwindigkeitskomponenten in Richtung des Ionenstrahls die Raumladung im lonenstrahl kompensieren und andererseits zwischen der Extraktionselektrode und der Plasmaelektrode durch Extraktionsfelddurchgriff in einem Elektronenstrahl gebündelt werden, der mit der Potentialdifferenz zwischen den genannten Elektroden in das Plasma beschleunigt wird, so daß der aus dem Plasma kommende Ionenstrom raumladungskompensiert wird und sich gleichzeitig in Form eines Elektronenstrahls ein Extraktionskanal für Ionen von der EZR-Ionenquelle bis zur Extraktionselektrode ausbildet, der noch durch Sekundärelektronen verstärkt wird, die durch divergierende Teile des Ionenstrahls auf der konkaven Frontfläche (17) der Extraktionselektrode erzeugt werden; * That ions, which diverge outwards at the periphery of the ion beam, generate secondary electrons on the wall of the inner channel (15), which on the one hand compensate for the space charge in the ion beam by axial velocity components in the direction of the ion beam and on the other hand between the extraction electrode and the plasma electrode by penetrating the extraction field in an electron beam can be bundled, which is accelerated into the plasma with the potential difference between the electrodes mentioned, so that that from the plasma coming ion current is space charge compensated and at the same time an extraction channel for ions is formed in the form of an electron beam from the EZR ion source to the extraction electrode, which is further amplified by secondary electrons which are generated by diverging parts of the ion beam on the concave front surface (17) of the extraction electrode;
* daß in Ionenstrahlrichtung gesehen hinter der Frontfläche (17) der Extraktionselektrode (13) meistens rotationssymmetrisch um die Ionenstrahlachse Elektronen in etwa tangential zu den dort vorhandenen Magnetstreufeldlinien erzeugt und beschleunigt werden (auf geringe Energien etwa 5 bis 400 eV), die sich auf Zyklotronbahnen um diese Streufeldlinien und daher längs dieser * That seen in the ion beam direction behind the front surface (17) of the extraction electrode (13) mostly rotationally symmetrical about the ion beam axis electrons are generated and accelerated approximately tangentially to the magnetic stray field lines there (at low energies about 5 to 400 eV), which affect cyclotronic orbits these stray field lines and therefore along this
Streufeldlinien fortbewegen und somit wie diese bis zum vorderen Magnetfeldmaximum (7,41,60) konzentrisch auf die Achse hin konvergieren, so daß sich ein konvergierender, am Magnetfeldmaximum (7,41,60) gut gebündelter Elektronenstrahl ausbildet, der mit der Potentialdifferenz zwischen der Extraktions- und der Plasmaelektrode (12) bzw. (13) in das Plasma (1) beschleunigt wird, so daß der aus dem Plasma kommende Ionenstrom (16) raumladungskompensiert wird und sich gleichzeitig in Form des Elektronenstrahls (18) ein Extraktionskanal für die Ionen vom Plasma bis zur Extraktionselektrode (13) ausbildet; Move stray field lines and thus, like these, converge concentrically to the axis up to the front magnetic field maximum (7.41.60), so that a converging electron beam is formed which is well focused at the magnetic field maximum (7.41.60) and which corresponds to the potential difference between the Extraction and the plasma electrode (12) or (13) is accelerated into the plasma (1), so that the ion current (16) coming from the plasma is compensated for space charge and at the same time there is an extraction channel for the ions in the form of the electron beam (18) from the plasma to the extraction electrode (13);
* daß die Elektronen in Ionenstrahlrichtung gesehen an einem Ort in größerem Abstand hinter der Extraktionselektrode (13) erzeugt werden, um so die Raumladungskompensation des Ionenstrahls auf eine längere * That the electrons are seen in the ion beam direction at a location at a greater distance behind the extraction electrode (13), so that the space charge compensation of the ion beam to a longer
Strecke auszudehnen, wobei vorausgesetzt wird, daß das Magnetstreufeld der Ionenquelle an diesem Ort noch gegenüber anderen Feldern dominiert und daß kein Nulldurchgang des Feldvorzeichens vom Feldmaximum der Extraktion (7,41) bis zu diesem Ort stattgefunden hat; * daß die Elektronen in Ionenstrahlrichtung gesehen an einem Ort in großem Abstand hinter der Extraktionselektrode (13) erzeugt werden, wo das Magnetstreufeld der Ionenquellenvorrichtung vernachlässigbar ist und die Elektronen asymmetrisch, auf einer Seite der Ionenstrahlachse in Form eines gebündelten Strahls erzeugt und mit Hilfe eines schwachen magnetischen Hilfsfeldes auf die Achse und ins Innere der Ionenquellenvorrichtung gelenkt werden. Extend distance, provided that the magnetic stray field of the ion source at this location still dominates over other fields and that there is no zero crossing of the field sign from the field maximum of the extraction (7.41) to this location; * That the electrons are seen at a large distance behind the extraction electrode (13) when viewed in the direction of the ion beam, where the magnetic stray field of the ion source device is negligible and the electrons are generated asymmetrically, on one side of the ion beam axis in the form of a bundled beam and with the aid of a weak one magnetic auxiliary field can be directed to the axis and inside the ion source device.
* daß die Elektronen in Ionenstrahlrichtung gesehen unmittelbar vor dem Ort eines Nulldurchgangs des Feldvorzeichens des Magnetstreufeldes hinter der Frontfläche der Extraktionselektrode erzeugt werden; * that the electrons are generated in the ion beam direction immediately before the location of a zero crossing of the sign of the magnetic stray field behind the front surface of the extraction electrode;
* daß auch Elektronen in Ionenstrahlrichtung gesehen unmittelbar hinter dem Ort eines Nulldurchgangs des Feldvorzeichens des Magnetstreufeldes hinter der Frontfläche der Extraktionselektrode in etwa tangential zu den dort vorhandenen Streufeldlinien erzeugt und beschleunigt werden (auf niedrige Energie von etwa 5 bis 400 eV), so daß sich ein mit dem lonenstrahl mitlaufender, bis zu dem nach einem Nulldurchgang notwendigerweise auftretenden Nebenmaximum des Streufeldes konvergierender und dann divergierender, aber von den positiven Ionen mitgezogener Elektronenstrahl ausbildet, der den lonenstrahl bis zu Orten raumladungskompensiert, wo andere Felder zu dominieren beginnen; * That electrons are also seen and viewed in the ion beam direction immediately behind the location of a zero crossing of the field sign of the magnetic stray field behind the front surface of the extraction electrode approximately tangentially to the stray field lines present there (to low energy of about 5 to 400 eV), so that a forms with the ion beam accompanying electron beam, converging up to the secondary maximum of the stray field that necessarily occurs after a zero crossing and then diverging, but drawn by the positive ions, which compensates for the ion beam up to locations where other fields begin to dominate;
* daß die Elektronen mittels Glühemission erzeugt und auf niedrige Energie beschleunigt werden oder erforderlichenfalls zuerst vorbeschleunigt und dann wieder auf niedrige Energie abgebremst werden; * that the electrons are generated by means of glow emission and accelerated to low energy or, if necessary, first accelerated and then decelerated again to low energy;
* daß zur Glühemission geeignete Heizdrähte * that suitable heating wires for glow emission
konzentrisch um die Ionenquellenachse in Form einer emittierenden Konusflache (36,102) angeordnet sind, aus der mittels einer Ziehspannung zwischen den Heizdrähten und einem ebenfalls konzentrischen, aus feinen Drähten aufgespannten, konusförmigen Anodengitter (37,103) Elektronen extrahierbar sind; are arranged concentrically around the ion source axis in the form of an emitting cone surface (36, 102) from which electrons can be extracted by means of a drawing voltage between the heating wires and a likewise concentric, conical anode grid (37, 103) spanned by fine wires;
* daß zwischen dem Anodengitter (37,103) und einem ebenfalls konzentrischen, aus feinen Drähten aufgespannten, konusförmigen Bremsgitter (38,104) die Elektronen auf eine niedrige Energie abbremsbar sind; * that the electrons can be braked to a low energy between the anode grid (37, 103) and a likewise concentric, conical brake grid (38, 104) spanned by fine wires;
* daß die Extraktionselektrode (13) mit einer Flüssigkeitskühlvorrichtung (28) oder mit einer anderen Form der Wärmeableitung versehen ist; * That the extraction electrode (13) is provided with a liquid cooling device (28) or with another form of heat dissipation;
* daß zur Feldemission geeignete Mikropunktflachen (48) konzentrisch und konusartig um die Achse der Extraktionselektrode angeordnet sind , aus denen mittels einer Ziehspannung zwischen den Mikropunkten (49) und der zugehörigen Anodenlochmatrix (50) Elektronen extrahierbar sind; * that micropoint surfaces (48) suitable for field emission are arranged concentrically and conically around the axis of the extraction electrode, from which electrons can be extracted by means of a drawing voltage between the micropoints (49) and the associated anode hole matrix (50);
* daß zwischen den Mikropunktflachen (48,49) und ihren zugehörigen Anodenlochmatrizen (50) und einem konzentrischen, konusförmigen, mit feinen Drähten aufgespannten Bremsgitter (51) die Elektronen auf eine niedrigere Energie abbremsbar sind; * that between the microdot surfaces (48, 49) and their associated anode hole matrices (50) and a concentric, conical brake grid (51) spanned with fine wires, the electrons can be braked to a lower energy;
* daß die Plasmaelektrode (12) während des Betriebs der Ionenquellenvorrichtung axial relativ zur Plasmakammer (9) verschiebbar ist; * That the plasma electrode (12) is axially displaceable relative to the plasma chamber (9) during operation of the ion source device;
* daß die Extraktionselektrode (13) während des Betriebs der Ionenquellenvorrichtung axial relativ zur Plasmaelektrode (12) verschiebbar ist; * that the extraction electrode (13) is axially displaceable relative to the plasma electrode (12) during operation of the ion source device;
* daß die gesamte Magnetstruktur (2, 3, 4; 31, 32, 33), die Mikrowellenzufuhr (11), die Plasmakammer (9), die Plasmaelektrode (12) und die Elektronenerzeugung (35-39) der Ionenquellenvorrichtung während ihres Betriebes axial relativ zur Extraktionselektrode verschiebbar ist, wobei ein Federbalg (14) für die relative Beweglichkeit und Vakuumdichtigkeit sorgt; * that the entire magnetic structure (2, 3, 4; 31, 32, 33), the microwave supply (11), the plasma chamber (9), the The plasma electrode (12) and the electron generation (35-39) of the ion source device can be displaced axially relative to the extraction electrode during their operation, a bellows (14) ensuring the relative mobility and vacuum tightness;
* daß der Verdampfungsbehälter (20) aus hitzebeständigem Material besteht, mit einer Dampfaustrittsöffnung (26) versehen ist, und mit Hilfe einer Ummantelung (21) am Ende eines gut wärmeleitenden Arms (22) * that the evaporation container (20) consists of heat-resistant material, is provided with a steam outlet opening (26), and with the help of a jacket (21) at the end of a heat-conducting arm (22)
angeordnet ist, der anderen Endes (23) kühlbar ist und mit dem der Verdampfungsbehälter (20) mit seiner Ummantelung (21) in die Nähe einer sich in der Plasmakammer befindlichen EZR-Zone (24) verschiebbar ist; is arranged, the other end (23) can be cooled and with which the evaporation container (20) with its casing (21) can be displaced in the vicinity of an EZR zone (24) located in the plasma chamber;
* daß der Arm ein wärmeleitfähiges Rohr (22) vorzugsweise gleichen Durchmessers wie die Ummantelung (21) des Verdampfungsbehälters (20) ist; * that the arm is a thermally conductive tube (22), preferably of the same diameter as the casing (21) of the evaporation container (20);
* daß das Rohr (22) und die Ummantelung (21) gleichzeitig Innenleiter eines Hohlleiters für die * That the tube (22) and the sheath (21) at the same time the inner conductor of a waveguide for the
Mikrowellen sind; Are microwaves;
* daß der Verdampfungsbehälter (20) mit wenigstens einem Temperaturfühler (25) versehen ist; * that the evaporation container (20) is provided with at least one temperature sensor (25);
* daß die axiale Position des Verdampfungsbehälters (20) gegenüber der EZR-Zone (24) mittels einer durch Signale von den Temperaturfühlern (25) steuerbaren Servoeinrichtung regelbar ist; * that the axial position of the evaporation container (20) relative to the EZR zone (24) can be regulated by means of a servo device which can be controlled by signals from the temperature sensors (25);
* daß der Verdampfungsbehälter (20) mit einer Heizvorrichtung, vorzugsweise bestehend aus Heizwendel(n) (54), versehen ist; * that the evaporation container (20) is provided with a heating device, preferably consisting of heating coil (s) (54);
* daß der Verdampfungsbehälter (20) ein Verdampfungszylinder ist, der von einem keramischen Trägerzylin der (55) umgeben ist, der wiederum die Heizwendel (54) trägt, und daß die Stromzufuhr über einen Draht (57) und die Stromabfuhr über die Ummantelung (21) und den als Rohr (22) ausgebildeten Trägerarm erfolgt; * That the evaporation tank (20) is an evaporation cylinder made of a ceramic carrier cylinder the (55) is surrounded, which in turn carries the heating coil (54), and that the current is supplied via a wire (57) and the current is discharged via the casing (21) and the support arm designed as a tube (22);
* daß mehrere Verdampfungszylinder (20) innerhalb der Ionenquellenvorrichtung mit Dampfrichtung in die Plasmakammer (9), aber durch Vakuumventile (109) von der Plasmakammer (9) getrennt, eingebaut sind; * that several evaporation cylinders (20) are installed within the ion source device with steam direction in the plasma chamber (9), but separated from the plasma chamber (9) by vacuum valves (109);
* daß der Verdampfungsbehälter (20) in Richtung Trägerarm (22) mit einer Gasdurchflußöffnung (27) versehen ist; * That the evaporation container (20) is provided in the direction of the support arm (22) with a gas flow opening (27);
* daß die Plasmakammer (9) einer zweistufigen Ionenquellenvorrichtung durch eine perforierte, für Mikrowellen möglichst transparente und für Gas möglichst dichte Blende in zwei Plasmabereiche (1' und 1") aufgeteilt wird, wobei das Plasma aus dem ersten Bereich * That the plasma chamber (9) of a two-stage ion source device is divided into two plasma areas (1 'and 1 ") by a perforated aperture that is as transparent as possible for microwaves and as tight as possible for gas, the plasma from the first area
(1'') in den zweiten Bereich (1') auf der Extraktionsseite diffundieren kann; (1 '') can diffuse into the second region (1 ') on the extraction side;
* daß das plasmaeinschließende Magnetfeldmaximum (60) auf der Extraktionsseite mit radial magnetisierten Permanentmagneten erzeugt wird, die dicht zwischen zwei Weicheisenringe (63) und (64) gepackt sind, wobei sich der Innendurchmesser des inneren Weicheisenrings (62) zu seiner Länge in Achsrichtung wie weniger als 1:0.6 verhält; * That the plasma-enclosing magnetic field maximum (60) is generated on the extraction side with radially magnetized permanent magnets which are tightly packed between two soft iron rings (63) and (64), the inner diameter of the inner soft iron ring (62) being less than its length in the axial direction behaves as 1: 0.6;
* Ionenquellenvorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2 und 30, dadurch gekennzeichnet, daß die zwischen Weicheisenringe (63) und (64) gepackten radial magnetisierten Permanentmagneten (62) durch einen radial magnetisierten Permanentmagnetring mit einem äußeren Weicheisenring ersetzt sind, wobei sich der Innendurchmesser des Permanentmagnetrings zu seiner Länge wie weniger als 1 : 0 . 6 verhält ; * Ion source device according to claims 1 and 2 and 30, characterized in that the radially magnetized permanent magnets (62) packed between soft iron rings (63) and (64) are replaced by a radially magnetized permanent magnet ring with an outer soft iron ring, the inside diameter of the permanent magnet ring changing to its length as less than 1: 0. 6 behaves;
* daß die Weicheisenunterstützung der Magnetfelderzeugung im Innenraum mit zwei Weicheisenscheiben (3d) bzw. (3e) zwecks magnetischen Nebenschlusses ausgestattet ist, die so zu bemessen sind, daß das Magnetfeldminimum (6,52,67,98) den gewünschten Wert relativ zu den Magnetfeldmaxima (7,41,60,99) bzw. (8,43,61,100) annimmt; * that the soft iron support of the magnetic field generation in the interior is equipped with two soft iron disks (3d) or (3e) for the purpose of magnetic shunt, which are to be dimensioned so that the magnetic field minimum (6,52,67,98) the desired value relative to the magnetic field maxima (7.41.60.99) or (8.43.61.100);
* daß den Weicheisenscheiben (3d) bzw. (3e), die zwecks magnetischen Nebenschlusses eingebaut sind, stromdurchflossene Spulen (47) aufgeprägt werden, die es gestatten, den Betrag des Magnetfeldminimums (6,52,67,98) relativ zu den Magnetfeldmaxima (7,41,60,99) bzw. * that the soft iron disks (3d) or (3e), which are installed for the purpose of magnetic shunt, are impressed with current-carrying coils (47), which allow the magnitude of the magnetic field minimum (6,52,67,98) relative to the magnetic field maxima ( 7.41, 60.99) or
(8,43,61,100) während des Betriebes der Ionenquellenvorrichtung zu variieren;  (8,43,61,100) to vary during operation of the ion source device;
* daß das Maximum des plasmaeinschließenden magnetischen Spiegelfelds auf der Extraktionsseite mit zwei durch einen axialen Zwischenraum getrennten, radial magnetisierten Permanentmagnetringen mit gleicher oder unterschiedlicher Feldstärke mit gleichen oder unterschiedlichen Innendurchmessern, die auch aus quaderoder trapezoidförmigen Einzelmagneten zusammengesetzt sein können, erzeugt wird, wobei sich die Innendurchmesser zur axialen Länge dieser Doppelringanordnung wie weniger als 1 : 0,8 verhalten, so daß axial zwischen den beiden Ringen eine Reduktion des axialen Magnetfeldgradienten für eine effiziente Elektronenproduktion erzeugt wird; * That the maximum of the plasma-enclosing magnetic mirror field is generated on the extraction side with two, separated by an axial space, radially magnetized permanent magnet rings with the same or different field strength with the same or different inside diameters, which can also be composed of cuboid or trapezoidal individual magnets, the inside diameter the axial length of this double ring arrangement is less than 1: 0.8, so that a reduction of the axial magnetic field gradient is generated axially between the two rings for efficient electron production;
* daß die im Anspruch 34 beanspruchte Anordnung während des Betriebs relativ zur Plasmakammer und zu darin fixierten Plasmaelektrode axial verschoben werden kann, so daß dadurch die vordere Elektronen-Zyklotron-Resonanzzone relativ zur Plasmaelektrode verschoben und damit die Ionenausbeute optimiert werden kann; * daß das Maximum des plasmaeinschließenden magnetischen Spiegelfelds auf der der Extraktion abgewandten Seite mit einem radial magnetisierten, während des Betriebs axial zur Plasmakammer verschiebbaren, Permanentmagnetring, der auch aus quader- oder trapezoidförmigen einzelmagneten zusammengesetzt sein kann, mit einem Innendurchmesser, der gleich oder fast gleich dem Außendurchmesser der Plasmakammer sein soll, erzeugt wird, wobei sich die Innendurchmesser zur axialen Länge dieser Anordnung wie weniger als 1 : 0,6 verhalten; * that the arrangement claimed in claim 34 can be displaced axially during operation relative to the plasma chamber and to the plasma electrode fixed therein, so that the front electron cyclotron resonance zone can thereby be displaced relative to the plasma electrode and thus the ion yield can be optimized; * That the maximum of the plasma-enclosing magnetic mirror field on the side facing away from the extraction with a radially magnetized, during operation axially displaceable to the plasma chamber, permanent magnet ring, which can also be composed of cuboid or trapezoidal individual magnets, with an inner diameter that is the same or almost the same the outside diameter of the plasma chamber is to be produced, the inside diameter being less than 1: 0.6 relative to the axial length of this arrangement;
* daß radial magnetisierte Permanentmagnethilfsringe mit Innendurchmessern etwas größer als der Außendurchmesser des Multipolmagneten in der Nähe der beiden Enden dieses Multipolmagneten so axial verschieblich angebracht werden, daß ihre axiale Position, ihre Polarität und ihre Magnetisierungsstärke das Magnetfeldminimum des axialen Spiegelfeldes bezüglich seines Absolutwertes, seines Relativwertes bezogen auf das vordere Maximum des Spiegelfeldes und seine axiale Position bestimmt wird; * that radially magnetized permanent magnet auxiliary rings with inner diameters slightly larger than the outer diameter of the multipole magnet near the two ends of this multipole magnet are so axially displaceable that their axial position, their polarity and their magnetization strength refer to the magnetic field minimum of the axial mirror field with respect to its absolute value, its relative value is determined on the front maximum of the mirror field and its axial position;
* daß die Mikrowellenleistung direkt mit einem Rechteckhohlleiter zwischen zwei Polen des Permanentmultipolmagneten hindurch radial mit elektrischem * That the microwave power directly with a rectangular waveguide between two poles of the permanent multipole magnet radially with electrical
Feldvektor senkrecht zur Ionenquellenachse in eine Plasmakammer eingekoppelt wird, deren metallischer Innendurchmesser kleiner als 0,59 mal die Mikrowellenlänge im Vakuum gewählt wird, so daß die Mikrowelle an der gegenüber der Einkoppelung liegenden Zylinderwand reflektiert wird und so eine stehende Welle mit maximaler Amplitude nahe der Plasmakammerachse entsteht;  Field vector perpendicular to the ion source axis is coupled into a plasma chamber, the metallic inner diameter of which is chosen to be less than 0.59 times the microwave length in a vacuum, so that the microwave is reflected on the cylinder wall opposite the coupling and thus a standing wave with maximum amplitude near the plasma chamber axis arises;
* daß die Mikrowellenleistung jeweils zur Hälfte direkt mit zwei radialsymmetrisch zur Ionenquellenachse angebrachten Rechteckhohlleitern zwischen Polen des Permanentmultipolmagneten hindurch radial in die Plasmakam mer eingekoppelt wird, wobei die Phasenlage der beiden* that half of the microwave power is radially directly into the plasma chamber with two rectangular waveguides mounted radially symmetrically to the axis of the ion source between the poles of the permanent multipole magnet mer is coupled, the phase relationship of the two
Teilwellen so gewählt wird, daß sich im Plasmabereich eine stehende Mikrowelle mit Feldmaximum auf der Ionenquellenachse ausbildet; Partial waves are chosen so that a standing microwave with a field maximum is formed on the ion source axis in the plasma range;
* daß die Mikrowellenleistung jeweils zu einem N-tel mit N > 2 direkt mit N symmetrisch um die * that the microwave power to an Nth with N> 2 directly with N symmetrically around the
Ionenquellenachse angebrachten Rechteckhohlleitern zwischen Polen des Permanentmultipolmagneten hindurch radial in die Plasmakammer eingekoppelt wird, wobei die Phasenlage der N Teilwellen so gewählt wird, daß sich im Plasmabereich eine stehende Mikrowelle mit elektrischem Feldmaximum auf der Ionenquellenachse ausbildet, deren elektrischer Feldvektor mit der Mikrowellenfrequenz um die Ionenquellenachse rotiert; Rectangular waveguides attached to the ion source axis are radially coupled into the plasma chamber between the poles of the permanent multipole magnet, the phase position of the N partial waves being selected so that a standing microwave with an electric field maximum is formed on the ion source axis in the plasma region, the electric field vector of which rotates with the microwave frequency around the ion source axis ;
* daß die Mikrowellenleistung mit Rechteckhohlleitern zwischen Polen des Permanentmiltipolmagneten hindurch radial in die Plasmakammer eingekoppelt wird, wobei die Achsen der Rechteckhohlleiter bezüglich der Ionenquellenachse einen anderen Winkel als 90 Grad einnehmen; * the microwave power is coupled radially into the plasma chamber with rectangular waveguides between the poles of the permanent magnet dipole magnet, the axes of the rectangular waveguides taking an angle other than 90 degrees with respect to the axis of the ion source;
* daß die Plasmakammer im gesamten Bereich der Magnetstruktur als durchgehendes, metallisch ummanteltes, mikrowellentransparentes Quarz- oder Keramikrohr ausgebildet ist, das gleichzeitig die Vakuumfensterfunktion für die Mikrowellenzufuhr übernimmt; * that the plasma chamber is designed in the entire area of the magnetic structure as a continuous, metal-coated, microwave-transparent quartz or ceramic tube, which at the same time assumes the vacuum window function for the microwave supply;
* daß der Ionenstrahl in großer Entfernung von seiner Erzeugung in einer dem Fachmann bekannten elektrostatischen Elektrodengeometrie abgebremst wird, der ein axiales Magnetfeld (130), das mit einer Spule (127) mit Eisenjoch (126) oder durch Permanentmagneten mit Eisenjoch erzeugt wird, so überlagert wird, daß die vorhandene Eigenrotation des Ionenstrahls um seine Achse beim Ab bremsen eliminiert wird; * That the ion beam is braked at a great distance from its generation in an electrostatic electrode geometry known to those skilled in the art, which overlays an axial magnetic field (130) which is generated with a coil (127) with an iron yoke (126) or by permanent magnets with an iron yoke is that the existing self-rotation of the ion beam about its axis at Ab braking is eliminated;
* daß die Mikrowellenleistung direkt mit einem Rechteckhohlleiter zwischen zwei Polen des Permanentmultipolmagneten hindurch radial in die Plasmakammer eingekoppelt wird und radialsymmetrisch zur Ionenquellenachse in einem zweiten Rechteckhohlleiteranschluß, der ebenfalls zwischen zwei Polen des Permanentmiltipolmagneten liegt, an einer verstellbaren Kolbenoberfläche reflektiert wird, so daß damit die Phase der reflektierten Welle so eingestellt werden kann, daß sich eine stehende Mikrowelle mit Feldmaximum auf der Ionenquellenachse ausbilden kann. * That the microwave power is directly coupled radially into the plasma chamber between two poles of the permanent multipole magnet and radially symmetrical to the axis of the ion source in a second rectangular waveguide connection, which is also between two poles of the permanent multipole magnet, is reflected on an adjustable piston surface, so that the phase the reflected wave can be adjusted so that a standing microwave with field maximum can form on the ion source axis.
Bezugszeichenliste Reference list
1, 1', 1 ' ' Plasmazonen 11 Koaxialrohr 1, 1 ', 1' 'plasma zones 11 coaxial tube
2 Spulen 12 Plasmaelektrode  2 coils 12 plasma electrode
3a -3f Weicheisen 13 Extraktionselektrode 3a -3f soft iron 13 extraction electrode
4 Multipolmagnet 14 Federbalg 4 multipole magnet 14 bellows
5 Magnetfeldverl. 15 Extraktonskanal  5 magnetic field loss 15 extraction channel
6 Magnetfeldmini. 16 Ionenstrahl  6 magnetic field mini. 16 ion beam
7 Magnetfeldmaxi. 17 Konkavfrontfläche  7 magnetic field maxi. 17 concave front surface
8 Magnetfeldmaxi. 18 Elektronenstrahl  8 magnetic field maxi. 18 electron beam
9 Plasmakammer 19 Raumladungsbereich  9 plasma chamber 19 space charge region
10 Isolationssch. 20 Verdampfungsbehälter - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 10 isolation circuit 20 evaporation container - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
21 Ummantelung 21 sheathing
22 wärmeleitendes Tägerrohr 22 heat-conducting carrier tube
23 hinteres Ende des Trägerrohrs 23 rear end of the support tube
24 hintere EZR-Zone 24 rear EZR zone
25 Thermoelemente 25 thermocouples
26 Dampföffnung 26 steam opening
27 Gasöffnung 27 gas opening
28 Kühlung - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -28 Cooling - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
30 differentielle Pumpblende 30 differential pump aperture
31 Weicheisenjoch 31 soft iron yoke
32 Spulen 32 spools
33 Multipolmagneten 33 multipole magnets
34 Halterung 34 bracket
35 isolierender Körper 35 insulating body
36 Kathodengitter 36 cathode grid
37 Anodengitter 37 anode grid
38 Bremsgitter 38 brake grille
39 Potentialschutz 39 Potential protection
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40 Magnetfeldverlauf 50 Anodenmatrix 41 Magnetfeldmaximum 51 Bremsgitter 42 Spule 52 Magnetfeldminimum 43 Magnetfeldmaximum 53 Multipolmagnet 44 radiale Permanentmagn. 54 Heizwicklung 45 Weicheiseninnenring 55 Keramikkörper 46 Weicheisenaußenring 56 Furchenspirale 47 Hilfsspulen 57 Stromzuleitung 48 Elektronenerzeugung 49 Mikropunktkegel - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -40 Magnetic field profile 50 Anode matrix 41 Magnetic field maximum 51 Brake grid 42 Coil 52 Magnetic field minimum 43 Magnetic field maximum 53 Multipole magnet 44 Radial permanent magnet. 54 Heating winding 45 Soft iron inner ring 55 Ceramic body 46 Soft iron outer ring 56 Furrow spiral 47 Auxiliary coils 57 Power supply 48 Electron generation 49 Micropoint cone - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
60 vorde.Magnetfeldmaximum 61 hinte.Magnetfeid-maximum 60 front magnetic field maximum 61 rear magnetic field maximum
62 radiale Permanentmag.  62 radial permanent mag.
63 vorderer Weicheiseninnenring  63 front soft iron inner ring
64 vorderer Weicheisenaußenring  64 front soft iron outer ring
65 hinterer Weicheiseninnenring  65 rear soft iron inner ring
66 hinterer Weicheisenaußenring  66 rear soft iron outer ring
67 Magnetfeldminimum  67 magnetic field minimum
68 Multipolmagnet  68 multipole magnet
69 Magnetfeldverlauf  69 Magnetic field course
70 Elektronenerzeugungskegel  70 electron generation cones
71 Elektronenerzeugungskegel  71 electron generation cone
72 Trägerkörper  72 carrier body
73 Metallzylinder  73 metal cylinders
74 Isolator  74 isolator
75 Halterung  75 bracket
76 Elektronenstrahl  76 electron beam
77 Plasmaelektrodenverschiebung  77 Plasma electrode shift
78 Extraktionselektrodenverschiebung  78 Extraction electrode shift
79 Dampföffnung  79 Steam opening
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80 Mikrowellenabschirmung 80 microwave shielding
81 Vakuumfenster 81 vacuum windows
82 Lecher-Leitung 82 Lecher line
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84 Rechteckhohlleiter 84 rectangular waveguide
85 Vakuumfenster 85 vacuum windows
86 Rechteckhohlleiter 87 Reflexionskolben 86 rectangular waveguide 87 reflection pistons
88 Rechteckhohlleiter  88 rectangular waveguide
89 Vordere Resonanzzone 90 Magnetfeldverlauf  89 Front resonance zone 90 Magnetic field
91 Permanentmagnetring  91 permanent magnet ring
92 "  92 "
93 "  93 "
94 Zwischenraum  94 space
95 Eletronenerzeugung 95 Electron generation
96 Permanentmagnetring  96 permanent magnet ring
97 "  97 "
98 Magnetfeldminimum  98 magnetic field minimum
99 Multipolmagnet  99 multipole magnet
100 Elektronenerzeugungskegel100 electron generation cones
101 " 101 "
102 Glühemissionskegel  102 glow emission cone
103 Anodengitter  103 anode grid
104 Bremsgitter  104 brake grille
105 Trägerkörper 105 carrier body
106 Metalizylinder  106 metal cylinders
107 Isolator  107 isolator
108 Halterung  108 bracket
109 Dampfstrahlventil  109 steam jet valve
110 vorderes Magnetfeldmaximum110 front magnetic field maximum
111 hinteres Magnetfeldmaximum 111 rear magnetic field maximum
120 lonenstrahl 120 ion beam
121 Elektrodenscheibe  121 electrode disc
122 ''  122 ''
123 ''  123 ''
124 ''  124 ''
125 ''  125 ''
126 Weicheisenjoch  126 soft iron yoke
127 Spule  127 coil
128 Eingangsfokus  128 input focus
129 Ausgangsfokus  129 Initial focus
130 Magnetfeldverlauf  130 magnetic field profile
131 abgebremster lonenstrahl 131 decelerated ion beam

Claims

Ansprüche: Expectations:
1. Verfahren zur Erzeugung von Strahlen beliebiger, hochgeladener Ionen niedriger kinetischer Energie (etwa 1 bis 200 eV pro Ladung) mit guter Brillanz 1. A method for generating rays of any highly charged ions of low kinetic energy (about 1 to 200 eV per charge) with good brilliance
durch die Erzeugung und Extraktion der Ionen aus einem in einer Ionenquellenvorrichtung enthaltenen, magnetisch eingeschlossenem Plasma, das mit Hilfe von Mikrowellen unter Ausnutzung der Elektronen-Zyklotron-Resonanz erzeugt und geheizt wird (EZR-Ionenquelle), by generating and extracting the ions from a magnetically enclosed plasma contained in an ion source device, which is generated and heated by means of microwaves using the electron cyclotron resonance (EZR ion source),
mit einer Plasmakammer (9), in der das für die Plasmaerzeugung erforderliche Vakuum erzeugt wird und in die die Mikrowellen eingekoppelt werden, with a plasma chamber (9) in which the vacuum required for plasma generation is generated and into which the microwaves are coupled,
mit einer Plasmaelektrode (12) und einer Extraktionselektrode (13), durch die hindurch die erzeugten Ionen aus dem Plasma extrahiert werden, wobei durch hohe Spannungsdifferenz (etwa 20 kV) zwischen der Plasma- und der Extraktionselektrode (12) bzw. (13) ein sogenanntes elektrisches Ziehfeld in einem di- oder konvergierenden Magnetfeld aufgebaut wird, in denen der Ionenstrahl eine Eigenrotation um seine Achse verursachende Beschleunigung erfährt, with a plasma electrode (12) and an extraction electrode (13) through which the ions generated are extracted from the plasma, a high voltage difference (about 20 kV) between the plasma and the extraction electrodes (12) and (13) so-called electric pulling field is built up in a di- or converging magnetic field, in which the ion beam experiences an acceleration causing its own rotation around its axis,
dadurch gekennzeichnet. characterized.
daß die Plasmakammer (9) mit einem oder mehreren Materialverdampferöfen (20) ausgestattet ist, die es gestatten, Plasmen und damit Ionen beliebiger Elemente zu erzeugen, that the plasma chamber (9) is equipped with one or more material evaporator furnaces (20) which make it possible to generate plasmas and thus ions of any elements,
daß dem aus der Plasmakammer (9) kommenden und durch die Plasma- (12) und Extraktionselektrode (13) hindurchtretenden lonenstrahl (16) ein in Richtung des lonenstrahls gesehen hinter der Extraktionselektrodenfrontfläche (17) erzeugter und elektrisch wie magnetisch gebündelter Elektronenstrahl (18) derart nahe der Ionenstrahlachse über lagert und entgegengesandt wird, daß sich ein elektronischer Extraktionskanal mit Raumladungskompensation für die Ionen ausbildet, that the ion beam (16) coming from the plasma chamber (9) and passing through the plasma (12) and extraction electrode (13) is a electron beam (18) generated in the direction of the ion beam behind the extraction electrode front surface (17) and is electrically and magnetically focused near the ion beam axis above is stored and sent back that an electronic extraction channel with space charge compensation for the ions is formed,
daß eine Elektronenerzeugung auch mit ionenstrahlparallelen Geschwindigkeitskomponenten für die Raumladungskompensation des Ionenstrahls hinter dem Ort der Elektronenerzeugung (19) erfolgt und that electron generation also takes place with velocity components parallel to the ion beam for the space charge compensation of the ion beam behind the location of the electron generation (19) and
daß mithilfe geeigneter Magnetkonfigurationen ein magnetischer Plasmaeinschluß erzielt wird, that magnetic plasma confinement is achieved using suitable magnet configurations,
daß mithilfe geeigneter Mikrowelleneinkopplungen in das Plasma einen Mikrofeldamplitude in ausreichender Höhe auf der Ionenquellenachse gewährleistet ist, wobei Mikrowellenresonanzen und damit Piasmaistabilitäten zuu vermeiden sind, und that with the aid of suitable microwave couplings into the plasma, a microfield amplitude is ensured at a sufficient height on the ion source axis, microwave resonances and thus piasma stability are to be avoided, and
daß die Eigenrotation des Ionenstrahls durch Abbremsen der Ionen in einem Magnetfeld (120) auf die angestrebten niedrigen Energien rückgängig gemacht wird. that the self-rotation of the ion beam is reversed to the desired low energies by braking the ions in a magnetic field (120).
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in Ionenstrahlrichtung gesehen hinter der Frontfläche (17) der Extraktionselektrode (13) rotationssymmetrisch um die Ionenstrahlachse Elektronen in etwa tangential zu den dort vorhandenen Magnetstreufeldlinien mittels Glühemission mit angepaßter Kühlvorrichtung oder mittels anderer Verfahren erzeugt und beschleunigt werden (auf geringe Energien etwa 5 bis 400 eV), die sich auf Zyklotronbahnen um diese Streufeldlinien und daher längs dieser Streufeldlinien fortbewegen und somit wie diese bis zum vorderen Magnetfeldmaximum 2. The method according to claim 1, characterized in that seen in the ion beam direction behind the front surface (17) of the extraction electrode (13) rotationally symmetrical about the ion beam axis generates and accelerates electrons approximately tangentially to the magnetic stray field lines there by means of glow emission with an adapted cooling device or by other methods are (at low energies about 5 to 400 eV), which move on cyclotron orbits around these stray field lines and therefore along these stray field lines and thus like this up to the front magnetic field maximum
(7,41,60,110) konzentrisch auf die Achse hin konvergieren, so daß sich ein konvergierender, am Magnetfeldmaximum (7,41,60,110) gut gebündelter Elektronenstrahl (18) ausbildet, der mit der Potentialdifferenz zwischen der Extraktions- und der Plasmaelektrode (12) bzw. (13) in das Plasma (1) beschleunigt wird, so daß der aus dem Plasma kommende Ionenstrom (16) raumladungskompensiert wird, und sich gleichzeitig in Form des Elektronen Strahls (18) ein Extraktionskanal für die Ionen vom (7,41,60,110) converge concentrically on the axis, so that a converging electron beam (18) is formed which is well focused at the magnetic field maximum (7,41,60,110) and which corresponds to the potential difference between the extraction and the plasma electrode (12 ) or (13) is accelerated into the plasma (1), so that the ion current (16) coming from the plasma is space charge compensated, and at the same time in the form of the electron Beam (18) an extraction channel for the ions from
Plasma (1) bis zur Extraktionselektrode (13) ausbildet. Plasma (1) up to the extraction electrode (13).
3. Verfahren nach Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektronen in Ionenstrahlrichtung gesehen unmittelbar vor dem Ort eines Nulldurchgangs des Feldvorzeichens des Magnetstreufeldes (69) hinter der Frontfläche (17) der Extraktionselektrode (13) erzeugt werden und daß auch Elektronen unmittelbar hinter dem Ort dieses Nulldurchgangs gegebenfalls rotationssymmetrisch um die lonenstrahlachse in etwa tangential zu den dort vorhandenen Streufeldlinie erzeugt und beschleunigt werden (auf niedrige Energie von etwa 5 bis 50 eV), so daß sich ein mit dem lonenstrahl (16) mitlaufender, bis zu dem nach einem Nulldurchgang notwendigerweise auftretenden Nebenmaximum des Streufeldes konvergierender und dann divergierender, aber mit den positiven Ionen mitlaufender Elektronenstrahl (76) ausbildet, der den lonenstrahl bis zu Orten raumladungskompensiert, wo andere Felder zu dominieren beginnen. 3. The method according to claims 1 or 2, characterized in that the electrons seen in the ion beam direction immediately before the location of a zero crossing of the field sign of the magnetic stray field (69) behind the front surface (17) of the extraction electrode (13) are generated and that electrons immediately behind the location of this zero crossing, if necessary, are generated and accelerated rotationally symmetrically about the ion beam axis approximately tangentially to the stray field line present there (to low energy of about 5 to 50 eV), so that a moving along with the ion beam (16) up to after one Zero crossing necessarily occurring secondary maximum of the stray field converges and then diverges, but with the positive ions moving electron beam (76), which compensates for the ion beam up to places where other fields begin to dominate.
4. Ionenquellenvorrichtung, geeignet zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 für die Erzeugung von Strahlen beliebiger, hochgeladener Ionen niedriger kinetischer Energie (etwa 1 bis 200 eV pro Ladung) mit guter Brillanz 4. ion source device, suitable for carrying out the method according to claim 1 for the generation of rays of any uploaded ions of low kinetic energy (about 1 to 200 eV per charge) with good brilliance
durch die Erzeugung und Extraktion der Ionen aus einem in einer Ionenquellenvorrichtung enthaltenen, magnetisch eingeschlossenem Plasma, das mit Hilfe von Mikrowellen unter Ausnutzung der Elektronen-Zyklotron-Resonanz erzeugt und geheizt wird (EZR-Ionenquelle), by generating and extracting the ions from a magnetically enclosed plasma contained in an ion source device, which is generated and heated by means of microwaves using the electron cyclotron resonance (EZR ion source),
mit einer Plasmakammer (9), in der das für die Plasmaerzeugung erforderliche Vakuum erzeugt wird und in die die Mikrowellen eingekoppelt werden, with a plasma chamber (9) in which the vacuum required for plasma generation is generated and into which the microwaves are coupled,
mit einer Plasmaelektrode (12) und einer Extraktionselektrode (13), durch die hindurch die erzeugten Ionen aus dem Plasma extrahiert werden, wobei durch hohe Spannungs differenz ( etwa 20 kV ) zwischen der Plasma- und derwith a plasma electrode (12) and an extraction electrode (13) through which the ions generated are extracted from the plasma, with high voltage difference (about 20 kV) between the plasma and the
Extraktionselektrode (12) bzw. (13) ein sogenanntes elektrisches Ziehfeld in einem di- oder konvergierenden Magnetfeld aufgebaut wird, in denen der lonenstrahl eine Eigenrotation um seine Achse verursachende Beschleunigung erfährt, Extraction electrode (12) or (13) a so-called electric pulling field is built up in a di- or converging magnetic field, in which the ion beam experiences an acceleration causing its own rotation about its axis,
dadurch gekennzeichnet, characterized,
daß die Plasmakammer (9) mit einem oder mehreren Materialverdampferöfen (20) ausgestattet ist, die es gestatten, Plasmen und damit Ionen beliebiger Elemente zu erzeugen, daß dem aus der Plasmakammer (9) kommenden und durch die Plasma- (12) und Extraktionselektrode (13) hindurchtretenden Ionenstrahl (16) ein in Richtung des Ionenstrahls gesehen hinter der Extraktionselektrodenfrontflache (17) erzeugter und elektrisch wie magnetisch gebündelter Elektronenstrahl (18) derart nahe der Ionenstrahlachse überlagert und entegegengesandt wird, daß sich ein elektronischer Extraktionskanal mit Raumladungskompensation für die Ionen ausbildet, daß eine Elektronenerzeugung auch mit ionenstrahlparallelen Geschwindigkeitskomponenten für die Raumladungskompensation des Ionenstrahls hinter dem Ort der Elektronenerzeugung (19) erfolgt und daß mithilfe geeigneter Magnetkonfigurationen ein magnetischer Plasmaeinschluß erzielt wird, that the plasma chamber (9) is equipped with one or more material vaporizing furnaces (20) which make it possible to generate plasmas and thus ions of any elements, that that coming from the plasma chamber (9) and through the plasma (12) and extraction electrode ( 13) passing through an ion beam (16), viewed in the direction of the ion beam behind the extraction electrode front surface (17) and electrically and magnetically focused electron beam (18) is superimposed and sent in such a way that an electronic extraction channel with space charge compensation for the ions is formed, that electron generation also takes place with velocity components parallel to the ion beam for the space charge compensation of the ion beam behind the location of the electron generation (19) and that magnetic plasma confinement is achieved with the aid of suitable magnet configurations,
daß mithilfe geeigneter Mikrowelleneinkopplungen in das Plasma einen Mikrofeldamplitude in ausreichender Höhe auf der Ionenquellenachse gewährleistet ist, wobei Mikrowellenresonanzen und damit Plasmaistabilitäten zuu vermeiden sind, und daß die Eigenrotation des Ionenstrahls durch Abbremsen der Ionen in einem speziellen Magnetfeld (120) auf die angestrebten niedrigen Energien rückgängig gemacht wird. that with the aid of suitable microwave couplings into the plasma, a microfield amplitude is ensured at a sufficient height on the ion source axis, microwave resonances and thus plasma instabilities must be avoided, and that the ion beam's own rotation by braking the ions in a special magnetic field (120) on the targeted low energies is reversed.
5. Ionenquellenvorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Ansprüchen 1 und 2 und 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Feldemission geeignete Mikropunktflachen (48) konzentrisch und konusartig um die Achse des lonenstrahl angeordnet sind, aus denen mittels einer Ziehspannung zwischen den Mikropunkten (49) und der dazugehörigen Anodenlochmatrix (50) Elektronen extrahiert werden, die von einem konzentrisch und konusartig um die Ionenstrahlachse mit feinen Drähten aufgespannten Bremsgitter (51), das meistens auf dem Potential der Extraktionselektrode (13) liegt, auf eine niedrige Energie abgebremst werden. 5. ion source device for performing the method according to claims 1 and 2 and 3 and 4, characterized in that suitable for the field emission micropoint surfaces (48) are arranged concentrically and conically around the axis of the ion beam, from which by means of a drawing voltage between the micropoints (49) and the associated anode hole matrix (50), electrons are decelerated to a low energy by a brake grid (51), which is spanned concentrically and conically about the ion beam axis with fine wires and is mostly at the potential of the extraction electrode (13).
6. Ionenquellenvorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die das Plasma einschließenden axialen Magnetfeldmaxima (60,61) mit einem zylindrischen Weicheisenjoch (3c), ergänzt durch Weicheisenscheiben (3d,3e) mit eventueller Unterstützung durch stromdurchflossene Spulen (47) zwecks Erzeugung von magnetischen Nebenschlüssen, welche die Tiefen des axialen Magnetfeldminimums (67) bestimmen lassen, und mit radial magnetisierten Permanentmagnetringen (62) oder durch dicht gepackten radial magnetisierten Permanentmagneten (62) erzeugt werden, die zwischen Weichseisenringen 6. Ion source device according to claims 1 and 2, characterized in that the axial magnetic field maxima including the plasma (60,61) with a cylindrical soft iron yoke (3c), supplemented by soft iron disks (3d, 3e) with possible support by current-carrying coils (47) for the purpose of generating magnetic shunts, which allow the depths of the axial magnetic field minimum (67) to be determined, and with radially magnetized permanent magnet rings (62) or with tightly packed radially magnetized permanent magnets (62), which are produced between soft iron rings
(63,64) und (65,66) gepackt sind, wobei sich die Innendurchmesser der inneren Weicheisenringe (63,65) zu ihren Längen in Achsrichtung wie von 1:0.5 bis 1:1.5 verhalten können und wobei die inneren Weichseisenringe (63,65) im Grenzfall zugunsten von den Permanentmagnetringen (62) wegfallen können, deren Innendurchmesser dann an den Plasmakammeraußendurchmesser angepaßt sind. (63,64) and (65,66) are packed, whereby the inner diameters of the inner soft iron rings (63,65) can have a length in the axial direction of 1: 0.5 to 1: 1.5 and the inner soft iron rings (63, 65) can be omitted in favor of the permanent magnet rings (62), the inner diameter of which is then adapted to the outer diameter of the plasma chamber.
7. Ionenquellenvorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Maxima 7. ion source device according to claims 1 and 2 and 6, characterized in that the maxima
(110,111) des das Plasma einschließenden axialen magneti sehen Spiegelfelds mit radial magnetisierten Permanentmagnetringen oder dicht in Ringform gepackten radial magnetisierten Permanentmagneten (91-93) mit eventuell eingefügten axialen Lücken (94) erzeugt werden, wobei sich die Innendurchmesser der Ringe zu ihren Längen in Achsrichtung wie von 1:0,5 bis 1:1,5 verhalten können, und das Minimum (98) des das Plasma einschließenden axialen, magnetischen Spiegelfelds durch den während des Betriebs der Ionenquelle veränderbaren axialen Abstand der Permanentmagnetringe (91-93) und durch zwei radial oder axial magnetisierte Permanentmagnetringe oder durch dicht in Ringform gepackte, radial oder axial magnetisierte Permanentmagneten (96,97) mit Innendurchmessern etwas größer als der Außendurchmesser des Muiltipolmagneten bestimmt wird, die in der Nähe der beiden Enden dieses Multipolmagneten so axial verschieblich angebracht sind, daß während des Betriebs der Ionenquelle durch Variation ihrer axialen Position des Magntfeldminimum (98) sowohl bezüglich seines Absolutwertes als auch bezüglich seiner axialen Position so verändert werden kann, daß die Plasmazone (1) beeinflußt und relativ zur Plasmaelektrode 12 axial verschoben werden kann, die bei dieser Magnetkonfiguration durch eine zweite EZR-Resonanzplasmazone (1') im Bereich des Nulldurchgangs des axialen Magnetfeldes (90) in der Mitte des hinteren Permanentmagnetrings (91) unterstützt wird, so daß ein echte zweistufige EZR-Ionenquelle vorliegt, deren Plasmazonen (1 und 1''') noch durch eine mikrowellendurchlässige differentielle Pumpblende (30) partiell getrennt werden können, damit ein Druckgefälle von der hinteren Plasmazone (1') zur vorderen Plasmazone (1) aufgebaut werden kann. (110,111) of the axial magneti enclosing the plasma see mirror field with radially magnetized permanent magnet rings or tightly packed radially magnetized permanent magnets (91-93) with possibly inserted axial gaps (94), the inner diameter of the rings to their lengths in the axial direction as from 1: 0.5 to 1 : 1.5, and the minimum (98) of the axial magnetic mirror field enclosing the plasma by the axial distance of the permanent magnet rings (91-93) which can be changed during operation of the ion source and by two radially or axially magnetized permanent magnet rings or by tightly in Ring-shaped packed, radially or axially magnetized permanent magnets (96.97) with inner diameters somewhat larger than the outer diameter of the multi-pole magnet are determined, which are so axially displaceable near the two ends of this multipole magnet that during operation of the ion source by varying its axial Magnetic field minimum position (98) Both in terms of its absolute value and in terms of its axial position can be changed so that the plasma zone (1) can be influenced and axially displaced relative to the plasma electrode 12, which in this magnet configuration is in the region of the zero crossing by a second EZR resonance plasma zone (1 ') the axial magnetic field (90) in the middle of the rear permanent magnet ring (91) is supported, so that there is a real two-stage EZR ion source, the plasma zones (1 and 1 ''') of which are still partially separated by a microwave-permeable differential pump aperture (30) so that a pressure drop can be built up from the rear plasma zone (1 ') to the front plasma zone (1).
8. Ionenquellenvorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Mikrowellenleistung direkt mit einem Rechteckhohlleiter (84,86) durch ein vakuumdichtes, mikrowellentransparentes Fenster (85) zwischen zwei Polen des Multipolmagneten hin durch radial, senkrecht oder schräg zur Plasmakammerachse, mit elektrischem Feldvektor senkrecht zur Ionenquellenachse in die Plasmakammer eingekoppelt wird, deren metallischer Innendurchmesser kleiner als 0.50 mal die Mikrowellenlänge im Vakuum zu wählen ist, so daß sich in der Plasmakammer keine Mikrowellenresonanzen ausbilden können und so daß die Mikrowelle an der gegenüberliegenden Zylinderwand reflektiert wird, und so eine stehende Welle mit maximaler Amplitude nahe der Plasmakammerchse entsteht. 8. Ion source device according to claims 1 and 6 and 7, characterized in that the microwave power directly with a rectangular waveguide (84,86) through a vacuum-tight, microwave-transparent window (85) between two poles of the multipole magnet by radial, perpendicular or oblique to the plasma chamber axis, with an electric field vector perpendicular to the ion source axis in the plasma chamber, whose metallic inner diameter is to be chosen less than 0.50 times the microwave length in a vacuum, so that no microwave resonances can form in the plasma chamber and so that the Microwave is reflected on the opposite cylinder wall, and so a standing wave with maximum amplitude is generated near the plasma chamber axis.
9. Ionenquellenvorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2 und 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Mikrowellenleistung direkt mit N Rechteckhohlleitern mit einem Winkelabstand von 2n/N um die Plasmakammerchse herum durch vakuumdichte, mikrowellentransparente Fenster zwischen den Polen des Multipolmagneten hindurch radial, mit elektrischem Feldvektor senkrecht zur Ionenquellenachse in die Plasmakammer eingekoppelt werden, wobei die Leistung und die Phasenlage der N Teilwellen so gewählt werden, daß sich bei N = 2 in der Plasmakammer eine stehende, linear polarisierte Mikrowelle mit Feldmaximum auf der Ionenquellenachse ausbildet und bei9. Ion source device according to claims 1 and 2 and 7 and 8, characterized in that the microwave power directly with N rectangular waveguides with an angular distance of 2n / N around the plasma chamber axis through vacuum-tight, microwave-transparent window between the poles of the multipole magnet radially, with electrical Field vector perpendicular to the ion source axis are coupled into the plasma chamber, the power and the phase position of the N partial waves being chosen such that a standing, linearly polarized microwave with a field maximum forms on the ion source axis at N = 2 in the plasma chamber and at
N > 2 eine stehende, zirkulär polarisierte Mikrowelle mit Feldmaximum auf der Ionenquellenachse ausbildet. N> 2 forms a standing, circularly polarized microwave with a field maximum on the ion source axis.
10. Ionenquellenvorrichtung nach den ansprüchen 1 und 2 und 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Plasmakammer im gesamten Bereich der Magnetstruktur als durchgehendes, metallisch ummanteltes, mikrowellentransparentes Quarz- oder Keramikrohr ausgebildet ist, das gleichzeitig die Vakuumfensterfunktion für die Mikrowellenzufuhr an den Stellen übernimmt, wo die metallische Ummantelung für die Mikrowellenrechteckhohlleiter 10. Ion source device according to claims 1 and 2 and 6 to 9, characterized in that the plasma chamber in the entire area of the magnetic structure is designed as a continuous, metallic sheathed, microwave-transparent quartz or ceramic tube, which also takes over the vacuum window function for the microwave supply at the points where the metallic cladding for the microwave rectangular waveguide
(84,86) durchbrochen ist. (84.86) is broken.
11. Ionenquellenvorrichtung nach einem der vorherge henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der lonenstrahl in großer Entfernung von seiner Erzeugung in einer dem Fachmann bekannten elektrostatischen Elektrodengeometrie abgebremst wird, der ein axiales Magnetfeld (120), das mit einer Spule (117) mit Eisenjoch (116) oder durch Permanentmagneten mit Eisenjoch erzeugt wird, so überlagert wird, daß die vorhandene Eigenrotation des Ionenstrahl um seine Achse beim Abbremsen eliminiert wird. 11. Ion source device according to one of the previous Henden claims, characterized in that the ion beam is braked at a great distance from its generation in an electrostatic electrode geometry known to the person skilled in the art, which has an axial magnetic field (120) connected to a coil (117) with an iron yoke (116) or by permanent magnets with an iron yoke is generated, is superimposed so that the existing self-rotation of the ion beam around its axis is eliminated when braking.
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