DE10010706C2 - Hohlkathoden-Sputter-Ionenquelle zur Erzeugung von Ionenstrahlen hoher Intensität - Google Patents
Hohlkathoden-Sputter-Ionenquelle zur Erzeugung von Ionenstrahlen hoher IntensitätInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Ionenquelle zur Erzeugung von Ionen
strahlen hoher Intensität und mittlerer Ladung bei Strahlspan
nungen um 25 kV. Die Ionenerzeugung erfolgt durch Sputtering des
jeweiligen Materials, vorzugsweise Metalle, mit Hilfe des Plas
mas einer Penning-Entladung (Penning or Philips Ionization Va
cuum Gauge, PIG).
Zum Betrieb der Penning-Entladung werden Edelgase verwendet. Für
höhere Ladungszustände ist Neon günstig, aber auch schwerere
Edelgase finden Anwendung.
In Penning-Ionenquellen werden mehrfach geladene Ionen erzeugt;
sie dienen u. a. als interne Ionenquellen für Zyklotrone und als
leistungsfähige Ionenquellen für lineare Schwerionen-Beschleuni
ger, z. B. UNILAC, GSI-Darmstadt1).
Bekannt sind Ionenquellen, welche die Verdampfung der Materia
lien zur Erzeugung freier Teilchen benutzen (siehe 1), S 331 ff).
Damit werden Ionenstrahlen mit geringer Energiestreuung der
Strahlteilchen erzeugt. Ein Beispiel ist die Oberflächenionen
quelle für Cäsium-Ionen-Strahlen mit thermischer Energievertei
lung, da hier wegen der geringen Bindung des Leuchtelektrons und
der Wechselwirkung mit dem Trägermaterial Wolfram direkt positiv
geladene Cs-Ionen abgedampft werden. Verdampfungsionenquellen
sind für eine große Anzahl von Anwendungen seit dem Beginn der
Ionenbeschleunigertechnik hergestellt worden. Antrieb dazu waren
spezielle Ausrichtungen in der Zielsetzung, wie Massenspektros
kopie, Kernphysik, Implantationstechnik und Oberflächenphysik.
Häufig waren große technische Schwierigkeiten, wie sie mit der
Beherrschung hoher Temperaturen verbunden sind, zu bewältigen.
Eine Einfach-Hohlkathoden-Ionenquelle6) beschreiben A. Tonegawa
et al. Sie wurde zur Verlängerung der Quellenlebensdauer und
Strahlstromfähigkeit entwickelt. Die Quelle arbeitet im Bereich
der selbstständigen Entladung, die sich durch eine negative Entlade-(U/I-)Charakteristik
ausweist. Für die Stromerzeugung wer
den keine Hilfsplasmen verwendet, auch wird kein Magnetfeld
verwendet, das für die Charakteristik maßgebend ist.
A. Tonegawa et al. beschreiben weiter eine Hochleistungs-Metall-
Ionenquelle7), die eine Doppelhohlkathode hat. Diese Ionenquelle
kann eine hohe Anzahl und hohe Stromdichte an Metall-Ionen er
zeugen, indem ein neuer Sputter-Entladungsmode einer Hohlkatho
den-Entladung angewandt wird. Der neue Sputter-Entladungsmode
läuft unter Anpassung des Durchmessers der zweiten Hohlkathode
und des Magnetfelds ab. Bei einer Sputter-Spannung von 600 V und
einem Magnetfeld von 1 kG erreicht das Metall-Ionenstrahl-Ver
hältnis ungefähr 50%. Die Extraktion erfolgt entlang der Achse.
Die Penning-Entladung findet auf einer Achse parallel zu den
Feldlinien eines Magnetfeldes zwischen zwei massiven Kathoden,
aus z. B. W, Ta oder Mo, innerhalb einer Hohlanode statt, wobei
normalerweise eine der Kathoden zum leichteren Zünden der Entla
dung und zur Steigerung der Entladungsstromdichte indirekt durch
Elektronenbombardement auf Emissionstemperatur geheizt wird. Der
Raum zwischen diesen beiden Kathoden wird von der positiven
Säule des Plasmas erfüllt und von der Hohlanode eingeschlossen.
Aus der Hohlanode wird der Ionenstrahl über ein schlitzförmiges
Fenster extrahiert.
In einer Hochleistungs-Penning-Entladung2), bis 30 kW im Puls,
werden auch Ionen des Kathodenmaterials erzeugt. Das ist ein
bisweilen unerwünschter aber unvermeidbarer Nebeneffekt bei der
für die Entladung lebenswichtigen Sekundärelektronenerzeugung
durch das Ionenbombardement der Kathoden, über die beiden Katho
denfälle der Entladung. Für die Penning-Quelle sind konstruktive
Maßnahmen getroffen, um zu verhindern, dass das gesputterte Ka
thodenmaterial in das extrahierbare Anodenplasma gelangt.
Grundsätzlich ist es mit Penning-Ionenquellen möglich, auch nied
rig geladene Ionen zu erzeugen, jedoch tendiert die Penning-Ent
ladung typisch zur Bildung höherer Ladungszustände besonders
dann, wenn zur Erzeugung hoher Strahlströme auch hohe Entla
dungsleistungen erforderlich werden.
Ionenquellen, bei denen der Sputtereffekt zur Erzeugung freier
Teilchen benutzt wird, haben den Vorteil, dass die Erzeugung
freier Teilchen praktisch bei Zimmertemperatur unter weitgehen
der Umgehung der Metallchemie bei hohen Temperaturen erfolgt.
Nachteilig ist die relativ große Energiestreuung der Teilchen im
extrahierten Strahl. Ein Beispiel für eine typische Sputter-Io
nenquelle ist die Ionenquelle nach dem Müller-Hortig-Prinzip3).
Sie dient zur Erzeugung von Strahlen einfach geladener, negati
ver Ionen fast aller Elemente und einer Vielzahl chemischer Mo
lekülfragmente, z. B. Anionen, für die Anwendung an Tandem-Van-
De-Graaff-Beschleunigern.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, intensive Ionenstrah
len von Festkörperelementen besonders von Metallen zu erzeugen
und gleichzeitig im Hinblick auf den Materialverbrauch eine bessere
Ökonomie als die der Sputter-Penning-Ionenquellen oder Duo
pigatron-Ionenquellen4) zu erreichen.
Die Aufgabe wird durch eine Hohlkathoden-Sputter-Ionenquelle mit
den Merkmalen des Anspruchs 1 (Half-PIG-Geometrie) oder An
spruchs 2 (Full-PIG-Geometrie) gelöst.
Der weiterführenden Erläuterung der Ansprüche wird zur Hinfüh
rung auf die Vorteile der Hohlkathoden-Sputter-Ionenquelle die
Beschreibung des Ionenerzeugungsprozesses vorangestellt. Am Bei
spiel der noch zu erläuternden Half-PIG Geometrie werden die
physikalischen Zusammenhänge des Entstehungsvorgangs der Ionen
dargestellt:
In der Half-PIG Ionenquelle bildet sich zunächst ein Penning- Plasma in der Edelgasathmosphäre. Das Plasma, geführt durch das Magnetfeld, dringt in den axial verlaufenden Kanal in der Anti kathode ein, und es bildet sich eine Grenzschicht zwischen Ka nalwand und Plasma aus. Über dieser Grenzschicht liegt die Po tentialdifferenz des Kathodenfalls, welche ungefähr der Entla dungsspannung entspricht. Mit der im Kathodenfall gewonnenen Energie treffen positive Ionen des Plasmas auf die Kanalwand und setzen dort durch Sputtering u. a. neutrale Atome des Wandmateri als frei. Diese gelangen ungehindert in das Plasma und werden dort durch schnelle Elektronen ionisiert. Die schnellen Elektro nen werden sowohl durch die heiße Kathode der Penning-Entladung als auch durch das Ionenbombardement der Kanalwand erzeugt und in den Kathodenfällen in das Plasma hinein beschleunigt.
In der Half-PIG Ionenquelle bildet sich zunächst ein Penning- Plasma in der Edelgasathmosphäre. Das Plasma, geführt durch das Magnetfeld, dringt in den axial verlaufenden Kanal in der Anti kathode ein, und es bildet sich eine Grenzschicht zwischen Ka nalwand und Plasma aus. Über dieser Grenzschicht liegt die Po tentialdifferenz des Kathodenfalls, welche ungefähr der Entla dungsspannung entspricht. Mit der im Kathodenfall gewonnenen Energie treffen positive Ionen des Plasmas auf die Kanalwand und setzen dort durch Sputtering u. a. neutrale Atome des Wandmateri als frei. Diese gelangen ungehindert in das Plasma und werden dort durch schnelle Elektronen ionisiert. Die schnellen Elektro nen werden sowohl durch die heiße Kathode der Penning-Entladung als auch durch das Ionenbombardement der Kanalwand erzeugt und in den Kathodenfällen in das Plasma hinein beschleunigt.
Durch den axial stark verlängerten Kanal in der Antikathode ist
die Grenzschicht entsprechend groß, etwa die Fläche der Innen
wand des Kanals, so dass durch einen Durchbruch in der Kanalwand
ausreichend Ionen des Plasmas in den Extraktionsbereich eines
außerhalb der Entladungsgeometrie installierten, starken elekt
rischen Feldes gelangen, um einen Ionenstrahl zu bilden. Diese
Ionen müssen ebenfalls den Kathodenfall passieren und werden da
bei aus dem Plasma heraus in Strahlrichtung beschleunigt.
Wie allen Plasma-Ionenquellen gemeinsam, sind höchste Ionenströ
me von leichteren Elementen sowie von den Elementen mit hoher
Sputterrate und niedrigem Ionisationspotential zu erwarten.
Das Material, aus dem die Sputter-Hohlkathode besteht, bzw. de
ren Innenwand für den Zweck damit hinreichend beschichtet ist,
muß ein festes Material sein und unter Ionenbombardement hinrei
chend Sekundärelektronen emittieren können. Die meisten festen
Elemente sind Metalle. Jedoch ist auch Kohlenstoff ein festes
Material, aber kein Metall. Verwandte Elemente, wie Ni, Cr, Fe,
Ti, Mo, usw., zeigen ein relativ einheitliches Verhalten hin
sichtlich des Ionenquellenbetriebs und der Ionenausbeute. Blei
in elementarer Form ist problematisch, es hat eine hohe Sputter
rate, ist aber als Kathodenmaterial offenbar ungeeignet. Unter
schiedliche Kristallformationen des gleichen Elements, z. B. Si-
Einkristall, können sehr unterschiedliche Sputtereigenschaften
haben, die dann die Ionenausbeute begünstigen bzw. herabsetzen.
Bei der Hohlkathoden-Sputter-Ionenquelle werden für die Erzeu
gung freier Teilchen und für deren Ionisation ein Penning-Plasma
(Anspruch 1) oder zwei Penning-Plasmen (Anspruch 2) benutzt.
Penning-Plasmen sind dafür wegen ihrer hohen Teilchendichte (<
1013/cm3) und wegen der erhöhten Ionisierungswahrscheinlichkeit
durch den für Penning-Plasmen charakteristischen Elektronen-
Pendeleffekt besonders gut geeignet. Die Formierung des
Ionenstrahls erfolgt durch radiale Extraktion aus einer Kathode,
mittels eines senkrecht zur magnetischen Achse bzw
Ionenquellenachse gerichteten elektrischen Feldes der Stärke um
100 kV/cm.
Wenn die kalte Kathode, die Antikathode der Penning-Entla
dung/en, als solche mit einem zylinderförmigem Hohlraum ausge
bildet ist, können durch einen schlitzförmigen, vorzugsweise
achsparallelen Durchbruch in der Wand, dem Emissionsspalt, Ionen
aus dem im Inneren befindlichen Plasma extrahiert werden. Die
Anordnung aus einer heißen Kathode, einer kurzen Anode und einer
Antikathode mit zylindrischem Hohlraum hat den fachinternen Ar
beitsnamen Half-PIG (halbe Penning oder Philips Ionization Va
cuum Gauge, PIG) (Anspruch 1).
Anspruch 2 kennzeichnet grundsätzlich die Anordnung zweier Ka
thoden mit jeweils zugeordneten Anoden. Mindestens eine der bei
den Kathoden ist beheizt. Zwischen den beiden Anoden liegt die
Sputter-Hohlkathode mit zylindrischem Hohlraum, die hinsichtlich
der beiden Penning-Entladungen eine gemeinsame Antikathode ist.
Die Längsachse des Hohlraums geht durch die beiden Kathoden und
liegt parallel zur Achse des Magnetfelds. Für die grundsätzliche
Anordnung gemäß Anspruch 2 und der darin enthaltenen Spiegelsym
metrie, wie in Anspruch 3 hervorgehoben, bezüglich der Mitten
ebene wird der ebenfalls fachinterne Arbeitsname Full-PIG (ganze
Penning oder Philips Ionization Vacuum Gauge, PIG) verwendet. In
der FULL-PIG Version arbeiten somit zwei Penning-Entladungen auf
eine gemeinsame Antikathode, die Sputter-Hohlkathode. In der
Full-PIG Version ist die Dichteverteilung längs der Plasmaachse
und somit auch die Intensitätsverteilung im Ionenstrahl in ver
tikaler Richtung aus Symmetriegründen gleichförmiger. Es ist für
den Betrieb nicht erforderlich, die Kathode der "gespiegelten"
Penning-Entladung extern zu beheizen.
Je nach Einsatzumgebung ist Half-PIG eine echte Alternative,
denn es wird 1/3 weniger magnetischer Spalt benötigt. Half-PIG
liefert von den gesputterten Materialien hohe Ionenströme in der
gleichen Größenordnung wie Full-PIG. Bei beiden Versionen wird
der Ionenstrahl aus der Sputter-Hohlkathode radial durch den
achsparallelen Durchbruch hindurch extrahiert.
Im Penning-Entladungskreis sind die beiden Kathoden normalerwei
se galvanisch verbunden (Fig. 3), so auch im normalen Betriebs
fall der Half-PIG oder Full-PIG-Ionenquelle.
In Anspruch 4 wird beschrieben, daß der Stromkreis, gebildet aus
Sputterhohlkathode - Antikathode in beiden Versionen - und Anode
durch ein eigenes, unabhängig triggerbares und einstellbares
Netzgerät versorgt wird, mit dem Vorteil, durch diesen zusätzli
chen Parameter auf die Strahlverteilung in Richtung Spaltlängs
achse Einfluß nehmen zu können. Die Bedeutsamkeit dieses Parame
ters hängt jedoch sehr von den Forderungen an den Ionenstrahl ab
und kommt nur im komplexen Betrieb einer Anlage zur Geltung.
Auch der/die Stromkreis/e gebildet aus der/den heißen bzw. kal
ten Kathode/n und den/der Anode/n der Penning-Entladung/en wer
den/wird von einem separaten unabhängig triggerbaren Netzgerät
versorgt (Anspruch 5).
Für den Fall der Full-PIG-Geometrie, Ansprüche 2 und 3, wird es
beispielsweise möglich, durch geeignete Pulsverzögerung und
Puls-Triggerung der separaten Stromquellen zwischen den Be
triebsmodi:
- a) Hohlkathoden-Sputter-Ionenquelle und
- b) Penning-Ionenquelle
in beliebiger Abfolge hin und her zu schalten.
In den Ansprüchen 6 und 7 wird jeweils eine gebräuchliche Quer
schnittsform der Hohlkathode aufgeführt, nämlich ein runder und
ein polygonaler Querschnitt.
Anspruch 8 beschreibt einen möglichen Aufbau der Sputter-Hohlka
thode. Das ist üblicherweise ein gut die Wärme leitender, mit
Kühlmittel durchströmter Träger aus z. B. Kupfer, auf welchem die
eigentliche Elektrode, die Sputter-Hohlkathode, mit gutem Wärme
übergang befestigt ist. Die Innenwand des z. B. rohrförmigen
Hohlraums besteht entweder aus dem gewünschten Element, wovon
die Strahlionen gewonnen werden sollen, oder ist damit beschich
tet. Letztere Art der Elektroden-Herstellung kommt dann in
Frage, wenn Ionenstrahlen von sehr teuren oder seltenen Elemen
ten erzeugt werden sollen, wie z. B. angereicherte oder reine
Isotope. Dabei wird von Fall zu Fall geprüft, ob das Aufbringen
auf die Innenwand der Sputter-Hohlkathode auf galvanischem Wege
oder per Drahtexplosion oder durch Aufdampfen oder durch Einklemmen
eines dünnwandigen Röhrchens aus z. B. gerolltem Blech,
erfolgen soll.
Je nach Größe, Geometrie und Forderungen zu der Stärke des Mag
netfelds der Anlage wird das Magnetfeld über einen Permanentmag
neten (Anspruch 6), einen Elektromagneten (Anspruch 7) oder über
eine supraleitenden Magneten (Anspruch 8) erzeugt.
Das Material der Kanalwand muß neben guten Sputtereigenschaften
auch gute Eigenschaften hinsichtlich der Sekundärelektronenemis
sion aufweisen, zusätzlich muß es ausreichend thermisch belast
bar sein.
Die Hohlkathoden-Sputter-Ionenquelle zeichnet sich aus durch:
- a) die zur Hohlraumachse radiale Extraktion des Ionenstrahls aus der Sputter-Hohlkathode durch den achsparallelen Durchbruch hindurch,
- b) die hohen Ionenstrahl-Intensitäten, siehe Tabelle der Er gebnisse unten, im Einzelimpuls bis zu Repetitionsraten um 100/sec,
- c) die hohe Effizienz des Materialverbrauchs, ca. 2% gegen über der Penning-Ionenquelle von nur ca. 0,02%
- d) den im Vergleich zu klassischen Penning-Ionenquelle ge ringen Oszillationsanteil im Ionenstrahl-Signal, auch Hash oder Rauschen genannt.
Dadurch, dass die Ionen den Kathodenfall passieren und dabei in
Vorwärtsrichtung beschleunigt werden, profitiert die Brillianz
des Ionenstrahls. Vergleichende Messungen der Emittanz gleicher
Ionenstrahlen aus der herkömmlichen Penning-Quelle und der neuen
Ionenquelle am UNILAC, GSI-Darmstadt, bestätigen dies.
Die Sputter-Hohlkathoden Geometrie ist besonders für die Ökono
mie und die Langzeitkonstanz des Ionenquellenbetriebs von Vor
teil. Die gesputterten neutralen Teilchen gelangen in das Plasma
und werden dort durch schnelle Elektronen ionisiert und können
nun, ebenfalls im Kathodenfall beschleunigt, entweder die Elektrode
durch das Emissionsfenster verlassen oder durch "Selfsput
tering", oder auch durch "Sticking" an der Kanalwand den Io
nenproduktionsprozess unterstützen. Nicht ionisierte neutrale
Teilchen treffen ebenfalls auf die Innenwand der Elektrode und
sind somit weiter im Produktionsprozess präsent. Dies stellt ei
nen beträchtlichen ökonomischen Vorteil dar gegenüber der her
kömmlichen Sputter-Penningquelle, in welcher die meisten Teil
chen, welche nicht als Ionen extrahiert werden, für weitere Io
nenerzeugung verloren sind. Lediglich die neutralen Teilchen,
welche den Innenzylinder der Sputter-Hohlkathode an den Zylin
derenden und durch den Emissionsspalt verlassen, sind verloren.
Ein weiterer kleiner Verlustbeitrag kommt von Ionen des gesput
terten Materials, welche über den Kathodenfall in die Kathode/n
implantiert werden.
Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnungen mit den
Fig. 1 bis 4 näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 die Half-PIG-Konfiguration,
Fig. 2 die Full-PIG-Konfiguration,
Fig. 3 das Prinzipschaltbild der Half-PIG-Konfiguration,
Fig. 4 das Prinzipschaltbild der Full-PIG-Konfiguration.
Für die Realisation der Mechanik des Prototyps der neuen Ionen
quelle wurde auf das modulare, mechanische Konzept der GSI-
Penning-Ionenquelle zurückgegriffen. Dieses Konzept ist ein
nicht publizierter GSI-interner Standard des Entwicklungsstandes
vom Dezember 1989.
Die obere Kathode 4 der Ionenquelle ist indirekt beheizt. Auf
der Achse nach unten hin folgt die intensiv gekühlte kurze Anode
6. An einer isolierten Durchführung mit gutem Wärmeübergang ist
die Elektrode der Sputter-Hohlkathode 8, die Antikathode 8,
eingesetzt. Die folgende Anode 6 ist in der Half-PIG-Version
grundsätzlich nicht erforderlich ist aber für den gleichförmigen
Gashaushalt der Entladung vorteilhaft.
Der Stromkreis: heiße Kathodeanode 4-6, wird über des
Netzgerät NG1 gebildet. Die Hohlkathode 8 ist galvanisch mit der
heißen Kathode 4 verbunden. Bezugspotential ist die Anode 6
(plus). Das Potential ist für optimalen Betrieb, d. h. gute
Ionenstrahl-Qualität und -Ausbeute einstellbar. Die
Tastverhältnisse sind in weiten Grenzen einstellbar. Typisch für
Hochstrom-Linearbeschleuniger als Injektoren für Synchrotrons
sind Repetitionsraten von 1/s bis 10/s bei 0.5 ms bis 2 ms
Pulslänge.
Die nachstehenden Ergebnisse wurden für den Fall des homogenen
magnetischen Feldes mit der Einstellung: 50/s und 1 ms, für den
Fall des inhomogenen magnetischen Feldes mit der Einstellung:
10/s und 1 ms gewonnen.
In Fig. 1 ist die Half-PIG-Geometrie dargestellt, in welcher
das asymmetrische Ionenquellen-Gebilde Half-PIG bei Betrieb nur
einen Teil des Volumens des Hohlzylinders der Sputter-Hohlka
thode 8 nutzt. Für praktische Anwendung kann die Länge der Sput
ter-Hohlkathode 8 den technischen Gegebenheiten angepasst
werden. Der aus dem achsparallelen Schlitz oder Durchbruch 11 in
der Wand der Sputter-Hohlkathode 8 extrahierte bandförmige
Ionenstrahl positiv geladener Ionen hat im wesentlichen die
Breite der durch den Durchbruch 11 sichtbaren Länge, hier 45 mm,
der Plasmasäule 10. Der Elektrodenkörper 7 der Hohlkathode 8 hat
hier eine Länge von 60 mm, die Anodenlänge beträgt hier 18 mm,
um die Kontur einer von vielen möglichen, maschinenspezifischen
Geometrien aufzuzeigen.
Fig. 1 zeigt den Fall des Betriebs der Ionenquelle im inhomoge
nen Magnetfeld des Ionenquellenmagneten der Compact-PIG-
Ionenquelle5). Für den Fall des Betriebs der Ionenquelle im
homogenen Magnetfeld spielt die Ausdehnung des Magnetfeldes für
die Entladung keine Rolle, ist aber ionenoptisch für den
Ionenstrahltransport bedeutungsvoll.
Die Magnetfeldachse liegt parallel zur Längsachse des Hohlzylin
ders der Sputter-Hohlkathode 8. Die Magnetfeldform ähnelt einer
magnetischen Flasche mit dem Verhältnis der Kraftflußdichte:
Flaschenhals : Flaschenbauch = 2 : 1,
wobei die Kathoden 4, 5 (Full-PIG-Version s. u.) in den
Flaschenhälsen angeordnet sind und die Sputter-Hohlkathode 8 im
Bereich des Flaschenbauchs installiert ist. Für die u. s.
Meßwerte war die Magnetfeldachse mit der Längsachse des
Hohlzylinders zusammengelegt. Beide Achsen können nach Bedarf
zur Strahloptimierung zueinander parallel verschoben werden, was
aber mit einigem technischen Aufwand verbunden ist.
Die Geometrie in Fig. 2 kann man sich durch Spiegelung der
Half-PIG-Geometrie an einer senkrecht zur Achse der Sputter-
Hohlkathode 8 verlaufenden Ebene entstanden denken. Es entsteht
das symmetrische Ionenquellengebilde Full-PIG, bestehend aus
zwei Penning-Entladungsgeometrien welche, auf einer gemeinsamen
Achse angeordnet, eine gemeinsame Antikathode 8 nutzen.
Die beiden Penning-Plasmen zusammen, im Volumen von der jeweili
gen heißen Kathode/kalten Kathode ausgehend, bis zur Mitte des
zylindrischen Hohlraums der Sputter-Hohlkathode 8 als
Antikathode reichend, da diese hier spiegelbildlich zur
Mitteneben liegt, erfüllen den ganzen zylindrischen Zwischenraum
zwischen den Kathoden 4 und 5, den beiden Anoden 6 und in der
Sputter-Hohlkathode 8.
Der aus der Sputter-Hohlkathode 8 radial extrahierte,
bandförmige Ionenstrahl positiver Ionen hat eine Breite, die der
Länge des axialen Durchbruchs 11 in der Sputter-Hohlkathode 8
entspricht und ist der Elektrodenposition und
Elektrodengeometrie entsprechend ebenfalls symmetrisch zur
Mittenebene des Magnetfeldes und der Entladungsgeometrie.
Beiden Konfigurationen, Half-PIG und Full-PIG, ist die radiale
Extraktion eines Strahls positiv geladener Ionen in Form eines
bandförmigen Strahls gemeinsam. Bei gleicher Spalt- bzw. Durch
bruch-Geometrie in der Sputter-Hohlkathode 8 unterscheiden sie
sich in der Breite des Ionenstrahls und auch in der Intensität.
Unterschiedliche Magnetfeldstärken und -formen bedingen unter
schiedliche Betriebsarten der Hohlkathoden-Sputter Ionenquelle.
Höchste Ionenstrahlströme für niedrige Ladungszustände werden
bislang im inhomogenen Magnetfeld erzielt.
Mit massiven Rohrelektroden aus z. B. Aluminium oder Molybdän als
Sputter-Hohlkathoden werden in jeweils einem ununterbrochenen
Betrieb bis zu 100 Stunden Strahlbetrieb mit hoher zeitlicher
Stromkonstanz durchgeführt. Erste Abschätzungen des Material
verbrauchs zeigen Effizienzwerte um 2% im Gegensatz zu Penning-
Ionenquellen von ca. 0,02%.
1) "Handbook of Ion Sources" by Bernhard Wolf,
GSI Center for Heavy Ion Research Darmstadt,
Germany, Crc Press Boca Raton New York London
Tokyo, 1995, P 69).
2) P. M. Morozow et. al., Atomnaya Energiya 3, 272, (1957)
3) M. Müller und G. Hortig, IEEE Trans. Nucl. Sci NS-16, 38, 1969
4) H. Winter, GSI - Bericht PB1-74, Darmstadt 1974
5) M. Müller, IEEE Trans. Nucl. Sci. NS-30 (1983) 1499
2) P. M. Morozow et. al., Atomnaya Energiya 3, 272, (1957)
3) M. Müller und G. Hortig, IEEE Trans. Nucl. Sci NS-16, 38, 1969
4) H. Winter, GSI - Bericht PB1-74, Darmstadt 1974
5) M. Müller, IEEE Trans. Nucl. Sci. NS-30 (1983) 1499
1
Magnetjoch
2
Magnetanordnung, Spule
3
Polschuh
4
Kathode
5
Kathode
6
Anode
7
Elektrodenträger
8
Antikathode, Sputter-Hohlkathode
9
Extraktor
10
Plasma
11
Durchbruch, Spalt
Claims (8)
1. Hohlkathoden-Sputter-Ionenquelle in Form einer Half-PIG-Io
nenquelle zur Erzeugung von Ionenstrahlen hoher Intensität,
mittlerer Ladung bei niedriger Energie, bestehend aus:
einer Magnetanordnung (1, 2) zur Erzeugung eines rotati onssymmetrischen Magnetfelds,
einer extern beheizbaren Kathode, die heiße Kathode (4), die mit ihrem elektrisch wirksamen Bereich auf der Achse des Magnetfelds in demselben liegt,
einer Antikathode (8) mit zylindrischem Hohlraum, dessen Längsachse auf der oder parallel zur Magnetfeldachse des rotationssymmetrischen Magnetfelds liegt und
dessen Wand aus dem fes ten, hinreichend Sekundärelektronen emittierenden und sputterbaren Material des zu erzeugenden Ionenstrahls besteht oder dessen Innen wand mit diesem Material beschichtet ist und
in dessen Wand ein achsparalleler, schlitzförmiger Durch bruch (11) angebracht ist,
einer Anode (6), zur Erzeugung des Penning-Plasmas, das an der Kathode (4) beginnt und in den Hohlraum der Antikathode (8) hineinreicht, woraus
die Ionen aus dem Innenwandmaterial durch den Durchbruch (11) hindurch radial von der Hohlraumlängsachse extra hiert werden, wobei
die Antikathode (8) wie die Anode (6) mit Kühlmittel durchströmbar sind,
die Antikathode (8) an eine eigene, unabhängig trigger bare und einstellbare Stromquelle (NG2) angeschlossen ist und
die heiße Kathode (4) an eine eigene, unabhängig triggerbare und einstellbare Stromquelle (NG1) angeschlossen ist bzw. sind.
einer Magnetanordnung (1, 2) zur Erzeugung eines rotati onssymmetrischen Magnetfelds,
einer extern beheizbaren Kathode, die heiße Kathode (4), die mit ihrem elektrisch wirksamen Bereich auf der Achse des Magnetfelds in demselben liegt,
einer Antikathode (8) mit zylindrischem Hohlraum, dessen Längsachse auf der oder parallel zur Magnetfeldachse des rotationssymmetrischen Magnetfelds liegt und
dessen Wand aus dem fes ten, hinreichend Sekundärelektronen emittierenden und sputterbaren Material des zu erzeugenden Ionenstrahls besteht oder dessen Innen wand mit diesem Material beschichtet ist und
in dessen Wand ein achsparalleler, schlitzförmiger Durch bruch (11) angebracht ist,
einer Anode (6), zur Erzeugung des Penning-Plasmas, das an der Kathode (4) beginnt und in den Hohlraum der Antikathode (8) hineinreicht, woraus
die Ionen aus dem Innenwandmaterial durch den Durchbruch (11) hindurch radial von der Hohlraumlängsachse extra hiert werden, wobei
die Antikathode (8) wie die Anode (6) mit Kühlmittel durchströmbar sind,
die Antikathode (8) an eine eigene, unabhängig trigger bare und einstellbare Stromquelle (NG2) angeschlossen ist und
die heiße Kathode (4) an eine eigene, unabhängig triggerbare und einstellbare Stromquelle (NG1) angeschlossen ist bzw. sind.
2. Hohlkathoden-Sputter-Ionenquelle in Form einer Full-PIG-Io
nenquelle zur Erzeugung von Ionenstrahlen hoher Intensität,
mittlerer Ladung bei niedriger Energie, bestehend aus:
einer Magnetnordnung (1, 2) zur Erzeugung eines rotati onssymmetrischen Magnetfelds,
zwei Kathoden (4, 5), von denen zumindest eine (4) extern be heizbar ist, die mit ihrem elektrisch wirksamen Bereich auf der Achse des Magnetfelds in demselben liegen und dies- und jenseits der Mittenebene des Magnetfelds senkrecht durch die Magnetfeldachse positioniert sind,
einer Antikathode (8) mit zylindrischem Hohlraum, die zwischen den beiden Kathoden (4, 5) und zugehörigen Anoden (6) mit ihrer Hohlraumlängsachse auf der oder pa rallel zu der Magnetfeldachse liegt, wobei die Antika thode (8) aus einem festen, hinreichend Sekundärelek tronen emittierenden und sputterbarem Material des zu erzeugenden Ionenstrahls Material besteht oder deren Innen wand mit einem solchen beschichtet ist, und
in der Wand ein achsparalleler, schlitzförmiger Durch bruch (11) angebracht ist,
zwei Anoden (6) zur Erzeugung zweier in den Hohlraum der Antikathode (8) hineinreichender Pen ning-Plasmen (10), die jeweils an der zugehörigen Ka thode (4, 5) beginnen und in den Hohlraum der Antika thode (8) hineinreichen, woraus
die Ionen aus dem Innenwandmaterial durch den Durchbruch (11) hindurch radial zur Hohlraumlängsachse extrahiert werden, wobei
die Antikathode (8) und die Anoden (6) mit Kühlmittel durchström bar sind,
die beiden Kathoden (4, 5) spiegelbildlich zur Mitten ebene des Hohlraums der Antikathode (8), die die Rich tung der Hohlraumachse hat, liegen
die Antikathode (8) an eine eigene unabhängig triggerbare und einstellbare Stromquelle (NG2) angeschlossen ist und
die heiße Kathode (4) bzw. beiden heißen Kathoden (4, 5) an eine eigene, unabhängig triggerbare und einstellbare Stromquelle (NG1) angeschlossen ist bzw. sind.
einer Magnetnordnung (1, 2) zur Erzeugung eines rotati onssymmetrischen Magnetfelds,
zwei Kathoden (4, 5), von denen zumindest eine (4) extern be heizbar ist, die mit ihrem elektrisch wirksamen Bereich auf der Achse des Magnetfelds in demselben liegen und dies- und jenseits der Mittenebene des Magnetfelds senkrecht durch die Magnetfeldachse positioniert sind,
einer Antikathode (8) mit zylindrischem Hohlraum, die zwischen den beiden Kathoden (4, 5) und zugehörigen Anoden (6) mit ihrer Hohlraumlängsachse auf der oder pa rallel zu der Magnetfeldachse liegt, wobei die Antika thode (8) aus einem festen, hinreichend Sekundärelek tronen emittierenden und sputterbarem Material des zu erzeugenden Ionenstrahls Material besteht oder deren Innen wand mit einem solchen beschichtet ist, und
in der Wand ein achsparalleler, schlitzförmiger Durch bruch (11) angebracht ist,
zwei Anoden (6) zur Erzeugung zweier in den Hohlraum der Antikathode (8) hineinreichender Pen ning-Plasmen (10), die jeweils an der zugehörigen Ka thode (4, 5) beginnen und in den Hohlraum der Antika thode (8) hineinreichen, woraus
die Ionen aus dem Innenwandmaterial durch den Durchbruch (11) hindurch radial zur Hohlraumlängsachse extrahiert werden, wobei
die Antikathode (8) und die Anoden (6) mit Kühlmittel durchström bar sind,
die beiden Kathoden (4, 5) spiegelbildlich zur Mitten ebene des Hohlraums der Antikathode (8), die die Rich tung der Hohlraumachse hat, liegen
die Antikathode (8) an eine eigene unabhängig triggerbare und einstellbare Stromquelle (NG2) angeschlossen ist und
die heiße Kathode (4) bzw. beiden heißen Kathoden (4, 5) an eine eigene, unabhängig triggerbare und einstellbare Stromquelle (NG1) angeschlossen ist bzw. sind.
3. Hohlkathoden-Sputter-Ionenquelle nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Hohlraum der Antikathode (8), auch Sputter-Hohlka
thode genannt, einen kreisförmigen Querschnitt hat.
4. Hohlkathoden-Sputter-Ionenquelle nach Anspruch 1 oder 2, da
durch gekennzeichnet,
dass der Hohlraum der Antikathode (8), auch Sputter-Hohlka
thode genannt, einen polygonalen Querschnitt hat.
5. Hohlkathoden-Sputter-Ionenquelle nach den Ansprüchen 3 und 4,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Sputter-Hohlkathode (8) aus einem gut die Wärme
leitenden, metallischen Trägermaterial, wie Edelstahl oder
Kupfer, besteht und deren Innenwand mit dem Material der zu
erzeugenden Ionen beschichtet ist.
6. Hohlkathoden-Sputter-Ionenquelle nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Magnetanordnung (1, 2) ein Permanentmagnet ist.
7. Hohlkathoden-Sputter-Ionenquelle nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Magnetanordnung (1, 2) ein Elektromagnet ist.
8. Hohlkathoden-Sputter-Ionenquelle nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Magnetanordnung (1, 2) ein supraleitender Magnet
ist.
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