DE1291026B - Ion source - Google Patents

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf eine Ionenquelle, eine Ionenquelle anzugeben, die sich durch einen bei der die Ionen aus einem Gasentladungsraum extra- äußerst geringen Austritt von neutralem Gas durch hiert werden, bestehend aus einem eine Rotations- die Ionenextraktionsöffnung auszeichnet. Diese Aufachse oder eine Symmetrieebene aufweisenden gäbe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Folge Vakuumgehäuse, das eine in der Rotationsachse 5 von Ionisierungselektroden, die zwischen der Kathode oder der Symmetrieebene angeordnete Ionenextrak- und der Ionenextraktionsöffnung innerhalb des tionsöffnung sowie eine Gaszuführungsöffnung auf- Vakuumgehäuses senkrecht zu seiner Rotationsachse weist, einer Elektronen emittierenden Kathode inner- oder Symmetrieebene und parallel zueinander angehalb des Vakuumgehäuses, Mitteln zum Erzeugen ordnet sind, koaxiale, in der Rotationsachse oder eines Magnetfeldes, dessen Kraftlinien in Richtung io der Symmetrieebene angeordnete Öffnung aufweisen der Rotationsachse oder der Symmetrieebene des und alternierend an je eines von zwei unterschied-Vakuumgehäuses weisen sowie einer Extraktions- liehen Gleichspannungspotentialen angeschlossen elektrode außerhalb des Gehäuses vor der Ionen- sind.The invention relates to an ion source to provide an ion source that extends through a in which the ions from a gas discharge space extra-extremely low escape of neutral gas through hiert, consisting of a rotation- the ion extraction opening. This rake or would have a plane of symmetry is solved according to the invention by a sequence Vacuum housing, the one in the axis of rotation 5 of ionization electrodes, which are between the cathode or the plane of symmetry arranged ion extraction and the ion extraction opening within the tion opening and a gas supply opening on the vacuum housing perpendicular to its axis of rotation has an electron-emitting cathode within or plane of symmetry and suspended parallel to one another of the vacuum housing, means for generating are arranged, coaxial, in the axis of rotation or a magnetic field whose lines of force have openings arranged in the direction of the plane of symmetry the axis of rotation or the plane of symmetry of and alternately one of two different vacuum housings have as well as an extraction lent direct voltage potentials connected electrode outside the housing in front of the ionic are.

extraktionsöffnung. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform derextraction port. According to a preferred embodiment of the

Ionenquellen sind bereits in zahlreichen Ausfüh- 15 Erfindung bilden alle Elektroden oder ein Teil davon rungsformen bekannt. Das allen diesen Ionenquellen Trennwände, die das Vakuumgehäuse in Kammern gemeinsame Hauptbauteil ist ein Gehäuse, das im unterteilen, die untereinander über die in den Elekallgemeinen in irgendeiner Form symmetrisch aus- troden vorgesehenen Öffnungen in Verbindung gebildet ist, beispielsweise ein Rotationskörper ist stehen und von denen die erste Kammer die Kathode oder eine Symmetrieebene aufweist, und in dem ein ao und die Gaszuführungsöffnung aufweist und die neutrales Gas unter der Einwirkung einer elektrischen letzte an die Ionenextraktionsöffnung angrenzt, wobei Entladung ionisiert wird. Die im Gehäuseinneren der Querschnitt dieser Öffnung zweckmäßig so beerzeugten Ionen werden mit Hilfe einer oder mehrerer messen ist, daß er zumindest gleich dem Querschnitt gegenüber dem Gehäuse auf negativem Potential der Öffnungen in den einzelnen Elektroden ist, der gehaltener Extraktionselektroden durch eine Öffnung 35 seinerseits klein ist gegenüber dem Querschnitt des von geringem Querschnitt in der Gehäusewand Vakuumgehäuses selbst.Ion sources are already in numerous embodiments, all or part of the electrodes known forms. All of these ion source partitions that house the vacuum in chambers The common main component is a housing, which is divided into sections, the one below the other via the one in the elec in any form symmetrically exuding openings provided in connection is formed, for example a body of revolution is standing and of which the first chamber is the cathode or has a plane of symmetry, and in which an ao and has the gas supply opening and the neutral gas under the action of an electrical last adjoins the ion extraction port, wherein Discharge is ionized. The ions expediently generated in the housing interior of the cross-section of this opening are measured with the aid of one or more so that it is at least equal to the cross-section with respect to the housing is at negative potential of the openings in the individual electrodes, the held extraction electrodes through an opening 35 is in turn small compared to the cross section of the of small cross-section in the housing wall of the vacuum housing itself.

herausgezogen, wobei sie gleichzeitig eine Beschleu- Im nachfolgenden werden einige Beispiele für diepulled out, at the same time being an accelerator. The following are some examples of the

nigung erfahren. Bekannt ist es bei derartigen Ionen- Ausführung einer Ionenquelle gemäß der Erfindung quellen weiter, den Ionisationsgrad des entstehenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen angegeben. Plasmas durch ein Magnetfeld zu erhöhen, dessen 3° In den Zeichnungen zeigenexperience affection. It is known for such an ion design of an ion source according to the invention swell further, the degree of ionization of the resulting indicated with reference to the drawings. Increase plasma by a magnetic field, the 3 ° of which in the drawings show

Kraftlinien parallel zu der Rotationsachse oder der Fig. 1 und 2 zwei Varianten einer IonenquelleLines of force parallel to the axis of rotation or FIGS. 1 and 2, two variants of an ion source

Symmetrieebene des Gehäuses verlaufen. mit zylindrischem Gehäuse schematisch im Axial-The symmetry plane of the housing run. with cylindrical housing schematically in axial

Unterscheiden lassen sich die Ionenquellen im schnitt,The ion sources can be distinguished in the section,

wesentlichen durch die Art und Weise, in der die F i g. 3 eine Ionenquelle mit parallelepipedischemessential by the way in which the F i g. 3 an ion source with a parallelepiped

elektrische Entladung in ihrem Inneren erfolgt. 35 Gehäuse und ebenem bzw. bandförmigem Strahlen-Bei einer ersten Art von Ionenquellen wird durch bündel in der Perspektive undelectrical discharge occurs inside them. 35 housing and flat or ribbon-shaped beam case A first type of ion source is through bundles in perspective and

Anlegen einer Spannung zwischen zwei Elektroden F i g. 4 einen Schnitt durch eine Ionenquelle mitApplying a voltage between two electrodes F i g. 4 shows a section through an ion source

ein Lichtbogen gezündet. Bei den mit einer Ent- ringförmigem Gehäuse.an arc struck. For those with a ring-shaped housing.

ladung nach Penning arbeitenden Ionenquellen Gemäß Fig. 1 wird ein zylindrisches Gehäuse 1,charge according to Penning working ion sources According to FIG. 1, a cylindrical housing 1,

werden die von der Kathode ausgesandten Elek- 40 dessen Wand 2 mit einer Kühlung 3 versehen ist, an tronen durch eine negative Platte oder eine Hilfs- seinen Enden durch flanschartige Abschlußteile 4 elektrode abgestoßen und oszillieren längere Zeit und 5 begrenzt. Der Flansch 4 hält in der Mitte eine innerhalb des Gases, bevor sie die Anode erreichen. Kathode 6, die im wesentlichen durch einen Draht Bei der Entladung nach dem Magnetron-Typ wird gebildet wird, der über eine nicht gezeigte elektrische mit einem konstanten elektrischen Feld und einem 45 Quelle beheizt wird; durch diesen Flansch 4 geht damit senkrechten Magnetfeld gearbeitet, und außerdem eine Leitung 7 für die Zuführung des schließlich ist es auch bekannt, das neutrale Gas neutralen Gases. Der Flansch 5 hat eine axiale der Einwirkung eines elektrischen Hochfrequenz- Extraktionsöffnung 8. Vier positive Elektroden 9 und feldes auszusetzen. drei jeweils zwischen diesen angeordnete negativethe electrodes emitted by the cathode, the wall 2 of which is provided with a cooling system 3, are switched on trons through a negative plate or an auxiliary plate, its ends through flange-like end pieces 4 Electrode repelled and oscillate for a longer time and 5 limited. The flange 4 holds one in the middle within the gas before they reach the anode. Cathode 6, which is essentially through a wire In the case of the discharge according to the magnetron type, it is formed that has an electrical not shown is heated with a constant electric field and a 45 source; goes through this flange 4 so that perpendicular magnetic field worked, and also a line 7 for the supply of the Finally, it is also known, the neutral gas, neutral gas. The flange 5 has an axial the action of a high frequency electrical extraction port 8. Four positive electrodes 9 and expose the field. three negatives arranged between them

Der wesentliche Nachteil aller bisher bekannten 50 Elektroden 10 von kreisförmiger Gestalt und jeweils Ionenquellen liegt darin, daß sie mit einem neutralen mit einer axialen kreisförmigen Öffnung 11, sind mit Gas von relativ hohem Druck in der Gegend von einer Anschlußleiste 12 fest verbunden; sie sind 10~² Torr arbeiten. Dadurch strömen durch die elektrisch gegenüber der Wand 2 durch isolierte Extraktionsöffnung des Gehäuses zusammen mit den Durchführungen 13 isoliert und mit den jeweiligen Ionen auch relativ viele neutrale Gasmoleküle aus, 55 positiven bzw. negativen Polen einer nicht gezeigten die sich bei der weiteren Verwendung des Ionen- Hochspannungsquelle (für Gleichspannung) verbunstrahles störend bemerkbar machen, da die Lebens- den. Außerhalb des Gehäuses 1 und in der Nähe des dauer der von den Ionenquellen bekannter Art Flansches S wird eine Extraktions- und Beschleunierzeugten Ionen durch Ladungsaustausch stark ein- gungs-»Optik« für das Strahlenbündel durch eine geschränkt wird. 60 Elektrode 14 schematisch angedeutet. Die gesamteThe main disadvantage of all known 50 electrodes 10 of circular shape and each ion sources is that they are firmly connected to a neutral with an axial circular opening 11, with gas of relatively high pressure in the area of a terminal block 12; they are working 10 ~ ² torr. As a result, a relatively large number of neutral gas molecules, 55 positive or negative poles of a not shown, flow through the electrically isolated extraction opening of the housing together with the feedthroughs 13 and with the respective ions. High-voltage source (for direct voltage) make radiant emitted disturbing noticeable, since the life ends. Outside the housing 1 and in the vicinity of the flange S, which is known from the ion sources, the ions generated by extraction and acceleration are severely restricted by charge exchange. 60 electrode 14 indicated schematically. The whole

Man ist daher gezwungen, die Dichte bzw. den Anordnung befindet sich innerhalb einer zum Druck des neutralen Gases außerhalb des Gehäuses Vakuumgehäuse koxialen Spule 15 für die Erzeugung der Ionenquelle zu vermindern, wozu man jedoch eines Magnetfeldes in Richtung der Achse der Vakuumpumpen mit hoher Leistung einsetzen muß, Ionenquelle.One is therefore forced, the density or the arrangement is within a to Pressure of the neutral gas outside the housing vacuum housing coaxial coil 15 for generating to reduce the ion source, which, however, requires a magnetic field in the direction of the axis of the Must use high performance vacuum pumps, ion source.

die sowohl den Herstellungspreis als auch die Be- 65 Bei der in F i g. 2 gezeigten Ausführungsform wirdwhich both the production price and the 2 embodiment shown

triebskosten der bekannten Ionenquellen wesentlich ein metallisches zylindrisches Gehäuse 1, dessenoperating costs of the known ion sources essentially a metallic cylindrical housing 1, whose

erhöhen. Wand 2 mit einer Kühlung 3 ausgestattet ist, anraise. Wall 2 is equipped with a cooling system 3

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, seinen Enden durch flanschartige Abschlußteile 4The invention is therefore based on the object of providing its ends with flange-like closure parts 4

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und 5 begrenzt. Der Flansch 4 trägt eine axiale Seite der Symmetrieebene angeordnet sind. Der Kathode 6, die durch einen von einer nicht gezeigten vertikale Teil 53 von 50 trägt eine gewisse Anzahl elektrischen Quelle beheizten Draht gebildet wird; von Kathoden 54, die gleichmäßig über den Umfang durch diesen Flansch geht außerdem eine Leitung 7 des Gehäuses verteilt sind, und eine Leitung 55 für für die Zuführung des neutralen Gases. Der Flansch 5 5 die Zuführung des neutralen Gases. Die beiden hat eine axiale Extraktionsöffnung 8. Fünf positive vertikalen symmetrischen Teile 56 und 57 der Elektroden 9, jeweils mit einer axialen kreisförmigen Wände 49 und 50 begrenzen eine ringförmige öff-Öffnung 11, sind mit einer Anschlußleiste 12 fest nung 58. In jedem der Intervalle zwischen zwei verbunden; sie sind gegenüber der Wand 2 durch negativen Halbelektroden ist eine positive Halbisolierende Durchführungen 13 elektrisch isoliert und io elektrode 59 im oberen Teil und 60 im unteren Teil mit einer nicht gezeigten Hochspannungsquelle ver- angeordnet, die mit einer nicht gezeigten elektrischen blinden. Vier »negative« Elektroden 28 mit axialer Hochspannungsquelle über isolierte Durchführungen öffnung 29, mit gleichem Querschnitt wie die Öff- 61 und 62, die durch die Wände 49 und 50 hindurchnung 11 sind mit der Wand 2 verbunden und beim- gehen, verbunden sind. Eine durch die ringförmigen den sich damit auf dem Massepotential der Ionen- 15 Halbelektroden 63 und 64 schematisch angedeutete quelle; sie sind jeweils in der Mitte zwischen den Extraktions-»Optik« ist der Öffnung 58 gegenüberbeiden benachbarten positiven Elektroden angeord- stehend angeordnet. Zwei zum Gehäuse 48 koaxiale net. Außerhalb des Gehäuses 2 und in der Nähe des Flachspulen 65 und 66 erzeugen ein radiales Magnet-Flansches 5 wird eine Extraktions- und Beschleuni- feld im Gehäuse 48.and 5 limited. The flange 4 carries one axial side of the plane of symmetry. Of the Cathode 6, which is carried by one of a vertical part 53 of 50, not shown, a certain number electrical source heated wire is formed; of cathodes 54, which are evenly distributed over the circumference through this flange also a line 7 of the housing is distributed, and a line 55 for for the supply of the neutral gas. The flange 5 5 the supply of the neutral gas. The two has an axial extraction port 8. Five positive vertical symmetrical parts 56 and 57 of the Electrodes 9, each with an axial circular wall 49 and 50 delimit an annular opening 11, are fixed with a terminal block 12 voltage 58. In each of the intervals between two tied together; they are opposite the wall 2 by negative half-electrodes is a positive semi-insulating Bushings 13 electrically insulated and io electrode 59 in the upper part and 60 in the lower part arranged with a high-voltage source, not shown, with an electrical one, not shown blind. Four "negative" electrodes 28 with an axial high voltage source via insulated bushings Opening 29, with the same cross-section as the opening 61 and 62, which through the walls 49 and 50 through 11 are connected to the wall 2 and by walking, are connected. One through the annular which is thus indicated schematically on the ground potential of the ion half-electrodes 63 and 64 source; they are each in the middle between the extraction "optics" is the opening 58 opposite both adjacent positive electrodes arranged standing. Two to the housing 48 coaxial net. Outside the housing 2 and in the vicinity of the flat coils 65 and 66 create a radial magnet flange 5 becomes an extraction and acceleration field in the housing 48.

gungs-»Optik« für das Strahlenbündel schematisch ao Die von einem der Erfinder veröffentlichten Arbeidurch eine Elektrode 14 angedeutet. Die gesamte ten über die Möglichkeit der Erzeugung von EntAnordnung befindet sich innerhalb einer (ko)axialen ladungen bei sehr niedrigem Druck in einem Raum Spule 15 zur Erzeugung eines Magnetfeldes in Rieh- mit Elektroden, die auf alternierenden konstanten tung der Achse der Ionenquelle. Potentialen gehalten werden, bei gleichzeitiger- "Optics" for the bundle of rays schematically ao The work published by one of the inventors an electrode 14 indicated. The entire ten about the possibility of generating EntArrangement is located within a (co) axial charge at very low pressure in a room Coil 15 for generating a magnetic field in Rieh- with electrodes on alternating constant direction of the axis of the ion source. Potentials are kept at the same time

Gemäß F i g. 3 wird ein Gehäuse 32 mit parallel- 25 Einwirkung eines Magnetfeldes, sind bekanntAccording to FIG. 3, a housing 32 with a parallel action of a magnetic field is known

epipedischer Form durch eine obere Wand 33, eine (P. Hubert, Bericht der 5. Internationalen Konfe-epipedic shape by an upper wall 33, a (P. Hubert, Report of the 5th International Conference

untere Wand 34 und zwei nicht gezeigte seitliche renz über Ionisationserscheinungen in Gasen, Mün-lower wall 34 and two lateral renz not shown about ionization phenomena in gases, coin

Trennwände begrenzt, die vor und hinter der chen 1961; North Holland Publishing CompanyPartitions bounded in front of and behind the chen 1961; North Holland Publishing Company

Zeichenebene liegen. Die Wand 33 umfaßt vier Halb- p. 687).The drawing plane. The wall 33 comprises four half-p. 687).

elektroden 35. Die Wand 34 weist ebenfalls vier 3° Für eine solche Anordnung wurden Zündkurven negative Halbelektroden 36 auf, welche die gleiche aufgenommen; sie zeigen, daß bei einem bestimmten Gestalt haben wie die Halbelektroden 35 und be- Druck im Gehäuse ein minimaler Wert für die zogen auf die horizontale Symmetrieebene des magnetische Feldstärke existiert, von dem an die Parallelepipeds symmetrisch zu diesen angeordnet Zündspannung zwischen aufeinanderfolgenden Eleksind; der vertikale Teil 37 von 34 trägt eine gewisse 35 troden plötzlich abnimmt und einen Wert in der Anzahl von Kathoden 38 mit (Emissions)Draht, die Gegend von Kilovolt annimmt; es konnte ebenfalls gleichmäßig über die Breite des Gehäuses 32 verteilt nachgewiesen werden, daß sich bei der untersuchten sind, sowie eine Leitung 39 für die Zuführung des Anordnung schnelle Elektronen an Stellen ansamneutralcn Gases. Die beiden vertikalen Teile 40 mein, die für diese unter den sich überlagernden und 41 der Wände 33 und 34 begrenzen zusammen 40 elektrischen und magnetischen Einwirkungen Poteneine öffnung 42 von rechteckiger Form, die sich in tialtöpfe bilden. Eine solche Anordnung wird in den Richtung der Breite des Gehäuses erstreckt. Fünf vorliegenden Ionenquellen verwirklicht. Bei der positive Elektroden 43 von rechteckiger Form und zylindrischen Ionenquelle gemäß F i g. 1 oszillieren mit einer länglichen rechteckigen öffnung mit glei- die von der Kathode 6 ausgesandten Elektronen in ehern Querschnitt 42, sind in der Mitte zwischen den 45 dem in Höhe der ersten positiven Elektrode 9 zennegativen Halbelektroden 35 und 36 angeordnet; sie trierten Potentialtopf; unter der Wirkung des durch sind gegenüber den Wänden 33 und 34 sowie gegen- die Spule 15 erzeugten Magnetfeldes durchlaufen sie über den seitlichen Trennwänden elektrisch isoliert eine sehr lange Bahn innerhalb des Gases, wodurch und über isolierende Durchführungen 44, welche dessen Ionisationswahrscheinlichkeit erhöht wird. Die durch die obere Wand 33 durch die zu diesem Zweck 50 erzeugten Ionen werden aus diesem Bereich herausvorgesehenen öffnungen 45 hindurchgehen, mit einer gedrängt und sammeln sich in dem in Höhe der nicht gezeigten elektrischen Hochspannungsquelle ersten negativen Elektrode 10 zentrierten negativen verbunden. Eine durch eine Elektrode 46 schema- Potentialtopf an. Während ihrer Oszillationen in tisch angedeutete Extraktions-»Optik« hat eine recht- diesem Topf bzw. Bereich ionisieren diese Ionen eckige Öffnung mit gleichem Querschnitt wie die 55 selbst wieder restliches Gas, und die dabei erzeugten öffnung 42 und ist außerhalb des Gehäuses der Elektronen werden in Richtung der beiden beider-Öffnung 42 gegenüberstehend angeordnet. Eine flache seits des betrachteten negativen Potentialtopfes Spule 47 zur Erzeugung eines Magnetfeldes in Rieh- angeordneten positiven Potentialtöpfe getrieben, tung der horizontalen Symmetrieebene des Gehäuses Jedes aus einem solchen Potentialtopf entweichende 32 ist um das Gehäuse herum angeordnet. 60 Teilchen bzw. jeder Ladungsträger fällt so notwendi-electrodes 35. The wall 34 also has four 3 ° ignition curves negative half-electrodes 36, which received the same; they show that in a particular one Like the half-electrodes 35 and pressure in the housing have a minimum value for the shape moved to the horizontal plane of symmetry of the magnetic field strength exists from which to the Parallelepipeds arranged symmetrically to these are arranged ignition voltage between successive elecs; the vertical part 37 of 34 carries a certain 35 troden suddenly decreases and a value in the Number of cathodes 38 with (emission) wire, which assumes the region of kilovolts; it could too evenly distributed over the width of the housing 32 can be detected that the examined are, as well as a line 39 for the supply of the arrangement fast electrons at places ansamneutralcn Gas. The two vertical parts 40 mine, which are for this under the overlapping and 41 of the walls 33 and 34 together limit 40 electrical and magnetic effects of potential opening 42 of rectangular shape formed in tial pots. Such an arrangement is in the Direction of the width of the housing extends. Five existing ion sources realized. In the positive electrodes 43 of rectangular shape and cylindrical ion source as shown in FIG. 1 oscillate with an elongated rectangular opening with the same electrons emitted by the cathode 6 in in cross section 42, are in the middle between the 45 that at the level of the first positive electrode 9 are zenegatives Half electrodes 35 and 36 arranged; they trotted potential pot; under the action of by are opposite the walls 33 and 34 and opposite the coil 15 generated magnetic field pass through them A very long path inside the gas electrically insulates over the side partition walls, whereby and via insulating bushings 44, which increases its probability of ionization. the through the upper wall 33 by the ions generated for this purpose 50 are provided out of this area Openings 45 go through, with a pushed and collect in the level of the not shown electrical high voltage source first negative electrode 10 centered negative tied together. One through an electrode 46 schematic potential well. During their oscillations in The extraction “optics” indicated in the table have a right - this pot or area ionize these ions angular opening with the same cross-section as the 55 itself again residual gas, and the gas generated in the process opening 42 and is outside the housing the electrons will be in the direction of both of the two opening 42 arranged opposite one another. A flat side of the considered negative potential well Coil 47 for generating a magnetic field driven into Rieh- arranged positive potential wells, direction of the horizontal plane of symmetry of the housing each escaping from such a potential well 32 is arranged around the housing. 60 particles or each charge carrier falls so necessarily

Gemäß F i g. 4 wird ein Gehäuse 48 mit horizon- gerweise in einen benachbarten Potentialtopf vonAccording to FIG. 4 is a housing 48 with horizontally in an adjacent potential well of

taler Symmetrieebene und vertikaler Achse, das die entgegengesetzter Polarität und löst dort neuetal plane of symmetry and vertical axis that has the opposite polarity and triggers new ones there

Form eines Kreisringes mit rechteckigem Querschnitt Ionisationsprozesse im Restgas aus. Die LebensdauerForm of a circular ring with a rectangular cross-section. Ionization processes in the residual gas. The lifespan

zeigt, durch eine obere Wand 49 und eine untere der Teilchen bzw. Ladungsträger ist erhöht, und einshows, through an upper wall 49 and a lower one of the particles or charge carriers is increased, and a

Wand 50 begrenzt. Die Wand 49 weist vier negative 65 relativ hoher Multiplikationseffekt ermöglicht dieWall 50 limited. The wall 49 has four negative 65 allows the relatively high multiplication effect

ringförmige Halbelektroden 51 auf und die Wand 50 Erzielung eines »Plasmas« hoher Dichte. Außerdemring-shaped half-electrodes 51 on and the wall 50 achieving a "plasma" of high density. aside from that

vier Halbelektroden 52, die gleich 51 gestaltet und wird die Extraktionsöffnung 8 hinter einem positivenfour half-electrodes 52, which are designed equal to 51 and the extraction opening 8 behind a positive

symmetrisch zu diesen auf der gegenüberliegenden Potentialtopf angeordnet, der die Ionen herausdrängt.arranged symmetrically to these on the opposite potential well, which forces the ions out.

Es findet damit gewissermaßen eine Autoextraktion derselben statt. Diese Erscheinung überlagert sich der Extraktions-»Optik« 14, die notfalls weggelassen werden kann. Der Druck" des neutralen Gases ist dank der gewählten Konfiguration der Felder sehr gering.There is thus a kind of auto-extraction of the same. This phenomenon is superimposed the extraction "optics" 14, which can be omitted if necessary. The pressure "of the neutral gas is very low thanks to the chosen configuration of the fields.

Bei der zylindrischen Ionenquelle gemäß F i g. 2 wird der Durchsatz bzw. Durchlaß der Ionenquelle für das neutrale Gas noch dadurch vermindert, daß die negativen Elektroden 28 im Gehäuse aufeinanderfolgende Kammern abteilen, zwischen denen sich ein Druckgefälle ausbildet. Bei permanenter Molekülströmung und unter der Voraussetzung, daß der Querschnitt der Öffnung der Elektroden gegenüber dem Querschnitt der Ionenquelle gering ist, sind die in den einzelnen Kammern herrschenden Drücke P über die Gleichung 2P„₊₁ = P_n+2+P„ miteinander verbunden, wobei η die Ordnung der Kammer, ausgehend von der Extraktionsöffnung, bezeichnet. Wenn letztere den gleichen Querschnitt hat wie die zentrale Öffnung der Elektroden und der Druck außerhalb der Ionenquelle sehr gering ist gegenüber dem Druck in der ersten Stufe, so ist der Druck in der Stufe der Ordnung n:P_n — nP_v Es bildet sich so ein Druckgefälle längs der Achse der as Ionenquelle aus, und man kann in der Kammer, die die Kathode und die Gaszuführung enthält, einen bedeutend höheren Druck aufrechterhalten und gleichzeitig den Druck in der Nähe der Extraktionsöffnung begrenzen.In the case of the cylindrical ion source according to FIG. 2, the throughput or passage of the ion source for the neutral gas is further reduced by the fact that the negative electrodes 28 in the housing divide successive chambers between which a pressure gradient is formed. In the case of permanent molecular flow and provided that the cross section of the opening of the electrodes is small compared to the cross section of the ion source, the pressures P in the individual chambers are linked to one another _{via the equation 2P "+1} = P _{n + 2 + P",} where η denotes the order of the chamber, starting from the extraction opening. If the latter has the same cross-section as the central opening of the electrodes and the pressure outside the ion source is very low compared to the pressure in the first stage, then the pressure in the stage is of the order n: P _n - nP _v It is imagined Pressure gradient along the axis of the ion source, and one can maintain a significantly higher pressure in the chamber containing the cathode and the gas supply and at the same time limit the pressure in the vicinity of the extraction opening.

Die Arbeitsweise der Ionenquelle mit ebenem Strahlenbündel gemäß Fig. 3 und der ringförmigen Quelle gemäß Fig. 4 ist die gleiche wie bei der zylindrischen Quelle gemäß Fig. 2, lediglich die einzelnen Bauteile sind unterschiedlich. Bei diesen drei beschriebenen Ionenquellen mit metallischem Gehäuse bilden allein die negativen Elektroden abteilende Trennwände, wodurch die Ausführung vereinfacht ist. Wenn die Wand des Gehäuses isolierend ist, kann man ohne Schwierigkeit ebensoviel aufeinanderfolgende Kammern wie Elektroden vorsehen.The mode of operation of the ion source with a plane beam according to FIG. 3 and the ring-shaped one Source according to Fig. 4 is the same as in the cylindrical source according to Fig. 2, only the individual components are different. With these three ion sources described with metallic Housing alone form the partition walls that divide the negative electrodes, which makes the design is simplified. If the wall of the case is insulating, as much can be done without difficulty provide successive chambers like electrodes.

Es muß bemerkt werden, daß der minimale Wert der magnetischen Feldstärke, der es ermöglicht, aus der Entladung mit alternierenden Potentialen Nutzen zu ziehen, für Gasdrücke, die eine nennenswerte Ionenabgabe der Quelle sicherstellen, sehr gering ist gegenüber den derzeit realisierten bzw. angewandten Werten, so daß die Zündung unter den gewählten Anwendungsbedingungen praktisch stets erreicht wird.It must be noted that the minimum value of the magnetic field strength that allows it to get out of the discharge with alternating potentials to benefit, for gas pressures that have a significant Ensure ion release of the source is very low compared to the currently implemented or applied Values so that the ignition is practically always achieved under the selected application conditions will.

Bei den beschriebenen Ionenquellen ist das Magnetfeld über die Gesamtlänge homogen. Die Anwendung eines Feldes mit veränderlicher Stärke ist jedoch ebenfalls möglich, und es ist insbesondere interessant, in der Nähe der Kathode eine magnetische »Spiegelung« vorzusehen, die es ermöglicht, den Strom der zur Kathode hin verlorenen Ionen zu vermindern. Das Feld kann entweder durch spulen oder durch Permanentmagnete erzeugt werden.In the case of the ion sources described, the magnetic field is homogeneous over the entire length. the However, use of a field with variable strength is also possible, and it is particular interesting to provide a magnetic "reflection" near the cathode, which makes it possible to to reduce the flow of ions lost to the cathode. The field can either scroll through or generated by permanent magnets.

Es ist ebenfalls möglich, nach dem gleichen Prinzip Elektronenquellen zu bauen, deren letzte Elektrode negativ ist: Man kann auf diese Weise den Elektronenstrom einer emittierenden Kathode in bedeutender Weise vervielfältigen.It is also possible to build electron sources according to the same principle, the last one Electrode is negative: One can in this way the electron flow of an emitting cathode to reproduce in a significant way.

Es wurde eine zylindrische Ionenquelle gemäß Fig. 1 mit sieben Elektroden gebaut. Diese werden durch Molybdänscheiben von 2 mm Dicke und mit einem Außendurchmesser von 40 mm gebildet, die in 15 mm Abstand angeordnet und mit einer Öffnung mit 15 mm Durchmesser versehen sind. Die Extraktionsöffnung hat einen Durchmesser von 4 mm. Als Kathode dient ein auf einen Bügel bzw. eine Halterung aus nichtrostendem Stahl montierter Wolframdraht. Die Elektrode zur Beschleunigung des Bündels ist eine Molybdänscheibe mit einer Öffnung von mm Durchmesser. Die Ionenquelle arbeitet in einem Magnetfeld von 500 bis 5000 Gauß. Die Spannung zwischen aufeinanderfolgenden Elektroden beträgt 2500 bis 5000VoIt, und die Spannung zur Beschleunigung des Bündels ist zwischen 1000 und Volt veränderlich. Der Druck für die Zündung der Entladung liegt bei Wasserstoff unter 7,6 · 10~* Torr (10~³Pa). Die Stromstärke des extrahierten Innenbündels beträgt 2 mA für einen Druck von ~10~* Torr (1,3 · 10~² Pa) und 7 mA für ~5 · 10-* Torr (6,5 · 10~² Pa). Der entsprechende Durchsatz des neutralen Gases beträgt 2,5 · IO-³ Torr · I · S"¹ (33 · ΙΟ"² Z-Pa- s-¹). Eine Ionenquelle gemäß Fig. 2 liefert ähnliche Ergebnisse für einen Druck des eingeführten Gases von 7,6 · 10~⁴ Torr (IO-¹ Pa) und damit einen Druck am Ausgang von 1,5 · 10~* Torr (2 - 10~² Pa). Die Öffnungen der Elektroden und die Extraktionsöffnung haben dann Durchmesser von etwa 10 mm.A cylindrical ion source according to FIG. 1 with seven electrodes was built. These are formed by molybdenum disks 2 mm thick and with an outer diameter of 40 mm, which are arranged at a distance of 15 mm and provided with an opening with a 15 mm diameter. The extraction opening has a diameter of 4 mm. A tungsten wire mounted on a bracket or a holder made of stainless steel serves as the cathode. The electrode for accelerating the bundle is a molybdenum disk with an opening of mm diameter. The ion source works in a magnetic field of 500 to 5000 Gauss. The voltage between successive electrodes is 2500 to 5000VoIt, and the voltage for accelerating the bundle is variable between 1000 and volts. The pressure to ignite the discharge is less than 7.6 · 10 ~ * Torr (10 ~ ³ Pa) for hydrogen. The current intensity of the extracted inner bundle is 2 mA for a pressure of ~ 10 ~ * Torr (1.3 x 10 ~ ² Pa) and 7 mA for ~ 5 x 10 ~ * Torr (6.5 x 10 ~ ² Pa). The corresponding throughput of the neutral gas is 2.5 · IO- ³ Torr · I · S " ¹ (33 · ΙΟ" ² Z-Pa- s- ¹ ). . An ion source of Figure 2 gives similar results for a pressure of the introduced gas of 7.6 x 10 ^-4 Torr (IO ¹ Pa) and a pressure at the outlet of 1.5 x 10 ~ * Torr (2-10 ~ ² Pa). The openings of the electrodes and the extraction opening then have a diameter of about 10 mm.

Claims (6)

Patentansprüche:Patent claims: 1. Ionenquelle, bei der die Ionen aus einem Gasentladungsplasma extrahiert werden, bestehend aus einem eine Rotationsachse oder eine Symmetrieebene aufweisenden Vakuumgehäuse, das eine in der Rotationsachse oder der Symmetrieebene angeordnete Ionenextraktionsöffnung sowie eine Gaszuführungsöffnung aufweist, einer Elektronen emittierenden Kathode innerhalb des Vakuumgehäuses, Mitteln zum Erzeugen eines Magnetfeldes, dessen Kraftlinien in Richtung der Rotationsachse oder der Symmetrieebene des Vakuumgehäuses weisen, sowie einer Extraktionselektrode außerhalb des Gehäuses vor der Ionenextraktionsöffnung, gekennzeichnet durch eine Folge von Ionisierungselektroden (9,10; 9, 28; 36, 43; 59, 60,51,52), die zwischen der Kathode (6, 38, 54) und der lonenextraktionsöffnung (8, 42, 58) innerhalb des Vakuumgehäuses (1, 32, 48) senkrecht zu seiner Rotationsachse oder Symmetrieebene und parallel zueinander angeordnet sind, koaxiale, in der Rotationsachse oder der Symmetrieebene angeordnete Öffnungen (11) aufweisen und alternierend an je eines von zwei unterschiedlichen Gleichspannungspotentialen angeschlossen sind.1. Ion source, in which the ions are extracted from a gas discharge plasma, consisting of from a vacuum housing having an axis of rotation or a plane of symmetry, the one ion extraction opening arranged in the axis of rotation or the plane of symmetry as well as having a gas supply opening, an electron-emitting cathode within the Vacuum housing, means for generating a magnetic field whose lines of force are in the direction of the Have the axis of rotation or the plane of symmetry of the vacuum housing, as well as an extraction electrode outside the housing in front of the ion extraction opening, marked by a series of ionization electrodes (9,10; 9, 28; 36, 43; 59, 60,51,52) between the cathode (6, 38, 54) and the ion extraction port (8, 42, 58) within the vacuum housing (1, 32, 48) are arranged perpendicular to its axis of rotation or plane of symmetry and parallel to one another, coaxial, in the Have the axis of rotation or the plane of symmetry arranged openings (11) and alternating are each connected to one of two different DC voltage potentials. 2. Ionenquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Vakuumgehäuse die Form eines Zylinders (1) und sämtliche Elektroden die Form von Kreisscheiben (9, 10; 9, 28) mit je einer kreisförmigen Öffnung (11; 11, 29) aufweisen. 2. Ion source according to claim 1, characterized in that the vacuum housing has the shape a cylinder (1) and all electrodes in the form of circular disks (9, 10; 9, 28) each with have a circular opening (11; 11, 29). 3. Ionenquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Vakuumgehäuse die Form eines rechteckigen Parallelepipeds (32) und die Elektroden die Form rechteckiger Platten (43, 35, 36) mit je einer rechteckigen Öffnung aufweisen. 3. Ion source according to claim 1, characterized in that the vacuum housing has the shape a rectangular parallelepiped (32) and the electrodes are in the form of rectangular plates (43, 35, 36) each have a rectangular opening. 4. Ionenquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Vakuumgehäuse die Form4. Ion source according to claim 1, characterized in that that the vacuum housing the shape eines Kreisringes (48) mit rechteckigem Querschnitt aufweist und daß jede Elektrode durch zwei gleiche, einen gewissen Abstand voneinander aufweisende Zylinder (51,52) gebildet ist, deren Achse mit der zur Symmetrieebene des Gehäuses senkrechten Rotationsachse des Kreisringes zusammenfällt. has a circular ring (48) with a rectangular cross-section and that each electrode through two identical, a certain distance from each other having cylinders (51,52) is formed, whose Axis coincides with the axis of rotation of the circular ring which is perpendicular to the plane of symmetry of the housing. 5. Ionenquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Vakuumgehäuse durch die Elektroden in nebeneinanderliegende Kammern unterteilt ist, die über die5. Ion source according to one of claims 1 to 4, characterized in that the vacuum housing is divided by the electrodes into adjacent chambers, which over the Öffnungen in den Elektroden miteinander in Verbindung stehen und von denen die erste die Kathode und die Gaszuführungsöffnung enthält und die letzte an die Ionenextraktionsöffnung angrenzt.Openings in the electrodes communicate with each other and the first of which the Cathode and the gas supply port and the last to the ion extraction port adjoins. 6. Ionenquelle nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt der Ionenextraktionsöffnung (8) mindestens gleich dem Querschnitt der Öffnungen (11; 11, 29) in den Elektroden ist, der seinerseits wiederum klein ist gegenüber dem Querschnitt des Vakuumgehäuses.6. Ion source according to claim 5, characterized in that the cross section of the ion extraction opening (8) at least equal to the cross section of the openings (11; 11, 29) in the Is electrodes, which in turn is small compared to the cross section of the vacuum housing. Hierzu 2 Blatt ZeichnungenFor this purpose 2 sheets of drawings 909512/Π72909512 / Π72