DE1001429B - Ion source - Google Patents
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Description
DEUTSCHESGERMAN
Es sind zahlreiche Ionenquellen bekanntgeworden, die sich im wesentlichen durch die Methode der Plasmaerzeugung unterscheiden. Die bekannten Verfahren verwenden zur Plasmaerzeugung Kanalstrahlenentladungen oder Niederdruckentladungen, ferner Pendelelektronen oder Hochfrequenz. Die Elektrodenanordnung zur Extraktion der Ionen unterscheidet sich nur unwesentlich. In allen Fällen werden aus einem Raumladungsgebiet mit Hilfe einer negativ vorgespannten sogenannten Ziehelektrode Ionen aus dem Plasma herausgezogen und. durch eine Bohrung in der Ziebeilektrode in das Hochvakuum geführt, in dem die Ionen benötigt werden.Numerous ion sources have become known which are essentially based on the method of plasma generation differentiate. The known methods use channel radiation discharges for plasma generation or low pressure discharges, furthermore pendulum electrons or high frequency. The electrode arrangement for the extraction of the ions differs only insignificantly. In all cases a Space charge area with the help of a negatively biased so-called drawing electrode ions from the Plasma pulled out and. passed through a hole in the target electrode into the high vacuum in which the Ions are needed.
Alle diese Anordnungen haben gemeinsam, daß die Plasmaerzeugung in einem Raum mit geringem Druck, etwa zwischen 10~~2 und 10~4 Torr, stattfindet. In allen Fällen wird die Ionisierung durch Elektronenstoß bewirkt. Um eine möglichst hohe Ionisierungswahrscheinlichkeit zu erreichen, müssen starke Magnetfelder bzw. hohe Spannungen angewendet werden. Trotzdem beträgt der erreichbare Ionisierungsgrad nur etwa 10%, und der Atomionenanteil, insbesondere bei Wasserstoffplasmen, liegt weit unter 100%.All these arrangements have in common that the plasma generation in a space with low pressure, for example between 10 ~~ and 10 ~ 2 4 Torr, takes place. In all cases the ionization is caused by electron impact. In order to achieve the highest possible ionization probability, strong magnetic fields or high voltages must be used. In spite of this, the degree of ionization that can be achieved is only about 10%, and the proportion of atomic ions, particularly in the case of hydrogen plasmas, is far below 100%.
Weiterhin ist bei den bekannten Anordnungen und Verfahren von Nachteil, daß die Ionennachlieferung zur Ziehelektrode durch die Diffusionsgeschwindigkeit der Ionen beschränkt ist, so daß im Gebiet vor der Ziehelektrode eine Ionenverarmung eintreten und in der Folge zu einem ungünstigen Verhältnis zwischen der Ionendichte und der Dichte des neutralen Teiles des Plasmas führen kann.A further disadvantage of the known arrangements and methods is that the subsequent supply of ions to the drawing electrode through the diffusion speed of ions is limited so that ion depletion occurs in the area in front of the drawing electrode and in the result is an unfavorable relationship between the ion density and the density of the neutral part of the plasma.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Ionenquelle, bei der ein neues Prinzip der Plasmaerzeugung durch Lichtbogenentladung angewendet wird und die gegenüber den bekannten Ionenquellen wesentliche Verbesserungen insbesondere hinsichtlich des Wirkungsgrades und des erreichbaren Ionenstromes aufweist. Sie besteht darin, daß zur Erzeugung des Ionenplasmas eine Lichtbogenanordnung und zwischen Kathode und Anode mindestens eine enge Düse vorgesehen ist, wobei der Gasdruck in einem der durch die Düse abgeteilten Räume wesentlich höher, vorzugsweise um drei bis vier Größenordnungen höher als im anderen Raum gehalten ist.The present invention relates to an ion source in which a new principle of plasma generation is applied by arc discharge and compared to the known ion sources significant improvements in particular with regard to the efficiency and the achievable ion current having. It consists in the fact that an arc arrangement is used to generate the ion plasma and at least one narrow nozzle is provided between the cathode and anode, the gas pressure being in one of the spaces partitioned off by the nozzle is significantly higher, preferably by three to four orders of magnitude higher than in the other room.
Ausführungsbeispiele der Ionenquelle gemäß der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt. Es zeigtEmbodiments of the ion source according to the invention are shown in the drawing. It shows
Fig. 1 eine Ionenquelle gemäß der Erfindung mit einer Ziehelektrode zur Extraktion der Ionen in Richtung des Plasmastrahles,1 shows an ion source according to the invention with a drawing electrode for extracting the ions in the direction of the plasma jet,
Fig. 2 eine Ionenquelle nach der Erfindung mit einer radialsymmetrischen Ziehelektrode zur Extraktion der Ionen senkrecht zur Richtung des Plasmastrahles, 2 shows an ion source according to the invention with a radially symmetrical drawing electrode for extraction the ions perpendicular to the direction of the plasma jet,
IonenquelleIon source
Anmelder:Applicant:
Siemens-SchuckertwerkeSiemens-Schuckertwerke
Aktiengesellschaft, Berlin und Erlangen,Aktiengesellschaft, Berlin and Erlangen,
Erlangen, Werner-von-Siemens-Str. 50Erlangen, Werner-von-Siemens-Str. 50
Dr. rer. nat. Albert Ziegler, Erlangen,
ist als Erfinder genannt wordenDr. rer. nat. Albert Ziegler, Erlangen,
has been named as the inventor
Fig. 3 eine Ausbildung einer Düse mit Kühlsystem, Fig. 4 eine Hintereinanderschaltung zweier Düsen.FIG. 3 shows a design of a nozzle with a cooling system, FIG. 4 shows a series connection of two nozzles.
In Fig. 1 ist die Kathode 1 der Lichtbogenanordnung in einem Gehäuse angebracht, das durch die Deckplatte 2 und den Zylinder 3 aus isolierendem Material begrenzt ist. Mit 4 ist ein Anschlußstutzen für die Gaszuführung angegeben. Die Platte 5 enthält den Düseneinsatz 6; mit 7 ist die ringförmig ausgebildete Anode angegeben und mit B die Ziehelektrode, die eine düsenförmige Bohrung 9 aufweist und dadurch den Anodenraum 10 mit dem Hochvakuumraum 11 verbindet, in den die Ionen zur weiteren Verwendung eingeführt werden. Mit 12 und 13 sind isolierende Zwischenstücke angegeben. -Der Anodenraum 10 ist durch den Anschlußstutzen 14 an eine Vorvakuumpumpe angeschlossen. Die elektrischen Anschlüsse für Kathode, Düsenplatte, Anode und Ziehelektrode sind mit 15, 16, 17 und 18 bezeichnet.In Fig. 1, the cathode 1 of the arc assembly is mounted in a housing which is through the Cover plate 2 and the cylinder 3 made of insulating material is limited. With 4 is a connection piece for the gas supply indicated. The plate 5 contains the nozzle insert 6; with 7 is the ring-shaped Anode indicated and with B the drawing electrode, which has a nozzle-shaped bore 9 and thereby the anode space 10 connects to the high vacuum space 11, in which the ions for further use to be introduced. With 12 and 13 insulating spacers are indicated. -The anode compartment 10 is connected through the connecting piece 14 to a backing pump. The electrical connections for The cathode, nozzle plate, anode and drawing electrode are labeled 15, 16, 17 and 18.
Die Erzeugung des Plasmas erfolgt durch den Lichtbogen, der zwischen der Kathode 1 und der Anode 7 brennt. Kathodenseitig wird ein Druck von z. B. 40 Torr aufrechterhalten, während der Anodenraum einen Druck von etwa 10~3 Torr aufweist. Auf Grund dieses Druckgefälles entsteht eine Plasmaströmung mit extrem hoher Strömungsgeschwindigkeit in Richtung auf die Anode hin. Der Lichtbogen brennt ganz oder teilweise durch die Düse 6. Auf der Kathodenseite hat die Entladung den Charakter einer Hochtemperaturbogenentladung, während anodenseitig eine Entladung stattfindet, die bisher noch nicht beschrieben worden ist; sie könnte etwa als stromstarke Glimmentladung bezeichnet werden.The plasma is generated by the arc that burns between the cathode 1 and the anode 7. On the cathode side, a pressure of z. B. 40 Torr maintained while the anode compartment has a pressure of about 10 -3 Torr. Because of this pressure gradient, a plasma flow with extremely high flow velocity is created in the direction of the anode. The arc burns completely or partially through the nozzle 6. On the cathode side, the discharge has the character of a high-temperature arc discharge, while on the anode side a discharge takes place that has not yet been described; it could be described as a high-current glow discharge.
Durch hinreichende Bemessung der Stromstärke des Lichtbogens ist zu erreichen, daß das Gas im Raum zwischen Kathode und Düse praktisch vollständig ionisiert ist; es befindet sich je nach Stromstärke auf einer Temperatur zwischen 10 000 undBy adequately dimensioning the amperage of the arc it can be achieved that the gas in the The space between the cathode and the nozzle is practically completely ionized; it is located depending on the amperage at a temperature between 10,000 and
609 767/357609 767/357
20 000° C. Auf Grund des bereits genannten Druckgefälles entsteht eine Plasmaströmung, die Überschallgeschwindigkeit erreichen kann und im übrigen je nach Ausbildung der Düse gebündelt oder diffus in den Anodenraum eintreten kann. Es -ist daher, insbesondere um eine Bündelung des Plasmastrahles zu erzielen, im allgemeinen zweckmäßig, die Düse als Lavaldüse auszubilden. Die Anode hat die alleinige Aufgabe, den Elektronenstrom, der einige Ampere erreichen kann, aufzunehmen. Bei diesen Stromstärken kann die Stromdichte im engsten Querschnitt der Düse Werte von etwa 5 · 104 A/cm2 annehmen, was · den bisher erreichten maximalen Stromdichten in Hochdruckplasmen entspricht. Selbst bei dem geringen Gasdruck von 10~3 Torr im Anodenraum ist die Leitfähigkeit des Plasmas infolge des hohen Ionisierungsgrades ausreichend, um bei etwa 50 V Spannungsabfall in Wasserstoff einen Entladungsstrom von mehreren Ampere zu erreichen.20,000 ° C. Due to the pressure gradient already mentioned, a plasma flow arises which can reach supersonic speed and which, depending on the design of the nozzle, can enter the anode compartment in a bundled or diffuse manner. It is therefore generally expedient to design the nozzle as a Laval nozzle, in particular in order to achieve a concentration of the plasma jet. The sole task of the anode is to absorb the current of electrons, which can reach a few amperes. At these current intensities, the current density in the narrowest cross section of the nozzle can assume values of approximately 5 · 10 4 A / cm 2 , which corresponds to the maximum current densities achieved up to now in high pressure plasmas. Even with the low gas pressure of 10 ~ 3 Torr in the anode compartment, the conductivity of the plasma is sufficient due to the high degree of ionization to achieve a discharge current of several amperes with a voltage drop of about 50 V in hydrogen.
Form und Lage der Anode können in vielfältiger Weise gewählt sein. Die Anode kann z. B., wie in Fig. 1 angedeutet ist, als Ring ausgebildet sein, so daß der heiße, quasi neutrale, stromlose Plasmastrahl ungehindert hindurchtreten kann.The shape and position of the anode can be chosen in a variety of ways. The anode can e.g. B., as in Fig. 1 is indicated, be designed as a ring, so that the hot, quasi-neutral, currentless plasma jet can pass through unhindered.
In einer Anordnung nach Fig. 1 kann die Potentialverteilung, z. B. wenn als Gas Wasserstoff verwendet wird, etwa wie folgt gewählt werden:In an arrangement according to FIG. 1, the potential distribution, e.g. B. when hydrogen is used as the gas will be chosen something like this:
Die Anode liegt auf 0, die Düsenplatte auf minus 50 V, die Kathode auf minus 100 V, die Ziehelektrode auf minus 10 kV.The anode is at 0, the nozzle plate at minus 50 V, the cathode at minus 100 V, the drawing electrode to minus 10 kV.
Das Anordnungsbeispiel der erfindungsgemäßen Ionenquelle nach Fig. 2 unterscheidet sich von der Anordnung nach Fig. 1 im wesentlichen nur durch die Anordnung der Ziehelektrode und der Anode. Die Kathode ist mit 31 angegeben, der Kathodenraum ist durch die Deckplatte 32 und den Isoliermantel 33 begrenzt. 34 bedeutet einen Stutzen für die Gaszuführung. Die Düsenplatte ist mit 35, der Düseneinsatz mit 36 und die Ziehelektrode mit 37 bezeichnet; diese ist radialsymmetrisch angeordnet, und zwar so, daß ihre Ziehrichtung senkrecht zur Richtung des Plasmastrahles liegt. Der Hochvakuumraum, in den die Ionen extrahiert werden, ist mit 38 bezeichnet. 39 ist die Anode, die im vorliegenden Beispiel als Rohr ausgebildet ist und gleichzeitig als Anschluß für die Vorvakuumpumpe zum Absaugen des überschüssigen Plasmas dient. Mit 40 sind Isolierstücke und mit 41, 42, 43 und 44 die elektrischen Anschlüsse bezeichnet. In Fig. 3 ist die Düse mit Kühlsystem dargestellt. Die Düsenwandung ist mit 51 bezeichnet. Die Düsenöffnung beträgt an der engsten Stelle einige Zehntelmillimeter. In die Wandung sind Backen 52 eingesetzt, derart, daß zwischen Düsenwandung und Backen ein enger Strömungskanal, der mit 53 bezeichnet ist, gebildet wird. Die Zuführungskanäle sind mit 54 und 55 bezeichnet. 56 und 57 sind Dichtungen. Durch die Platte 58 wird der Düseneinsatz mit Kühlsystem in der Düsenplatte 59 festgehalten. Zu- und Abfluß der Kühlflüssigkeit ist durch Pfeile bezeichnet. The arrangement example of the ion source according to the invention according to FIG. 2 differs from that Arrangement according to FIG. 1 essentially only through the arrangement of the drawing electrode and the anode. the The cathode is indicated by 31; the cathode space is delimited by the cover plate 32 and the insulating jacket 33. 34 means a nozzle for the gas supply. The nozzle plate is 35, the nozzle insert with 36 and the drawing electrode with 37; this is arranged radially symmetrically, in such a way that their drawing direction is perpendicular to the direction of the plasma jet. The high vacuum space in which the Ions are extracted is denoted by 38. 39 is the anode, which in the present example is designed as a tube is and at the same time as a connection for the backing pump for sucking off the excess Plasmas is used. With 40 insulating pieces and with 41, 42, 43 and 44 the electrical connections are designated. In Fig. 3, the nozzle with the cooling system is shown. The nozzle wall is denoted by 51. The nozzle opening is a few tenths of a millimeter at the narrowest point. Jaws 52 are inserted into the wall, such that a narrow flow channel, denoted by 53, between the nozzle wall and the jaws is, is formed. The feed channels are denoted by 54 and 55. 56 and 57 are seals. The nozzle insert with the cooling system is held in place in the nozzle plate 59 by the plate 58. To- and outflow of the cooling liquid is indicated by arrows.
Um zu niedrigen Drücken vor der Ziehelektrode zu kommen, können zwei Düsen hintereinander angeordnet und der Raum zwischen den beiden Düsen an eine Vorvakuumpumpe angeschlossen werden. Da sich bei dieser Anordnung die zweite Düse in einem verhältnismäßig hohen Vakuum befindet und daher thermisch wesentlich weniger beansprucht wird als die erste Düse, kann sie aus isolierendem Material, z. B. aus Quarz, hergestellt werden. Dadurch wird die Rekombination der Atomionen zu Molekülionen, die an Metallflächen besonders groß ist, herabgesetzt, während die Ionisation durch die große Elektronenstromdichte in der Düse mindestens aufrechterhalten oder sogar noch vergrößert wird. Hierdurch erreicht man vor der Ziehelektrode eine geringe Gasdichte bei verhältnismäßig großer Ionendichte. Dies ist eine notwendige Voraussetzung dafür, daß große Ionenströme extrahiert werden können.In order to achieve low pressures in front of the drawing electrode, two nozzles can be arranged one behind the other and the space between the two nozzles can be connected to a backing pump. As with In this arrangement, the second nozzle is in a relatively high vacuum and therefore thermally is much less stressed than the first nozzle, it can be made of insulating material, e.g. B. made of quartz. This causes the recombination of atomic ions to form molecular ions, which at Metal surfaces are particularly large, while the ionization is reduced by the large electron current density in the nozzle is at least maintained or even increased. This is how you achieve in front of the drawing electrode a low gas density with a relatively high ion density. This is a necessary one Prerequisite for the fact that large ion currents can be extracted.
Ein Beispiel für eine derartige Hintereinanderschaltung zweier Düsen ist in Fig. 4 dargestellt. Mit 61 ist die erste Düse mit Düsenplatte und Düseneinsatz, etwa wie sie in Fig. 3 beschrieben sind, bezeichnet. Die zweite Düse wird durch den Quarzhohlkörper 62 gebildet. Der Kühlraum ist mit 63 und der Zufluß der Kühlflüssigkeit ist durch Pfeile angedeutet. Die Anode 64 dient gleichzeitig als Fassung der Düse 62.An example of such a series connection of two nozzles is shown in FIG. With 61 is the first nozzle with nozzle plate and nozzle insert, roughly as they are described in FIG. 3, denoted. The second nozzle is formed by the quartz hollow body 62. The fridge is with 63 and that The inflow of the cooling liquid is indicated by arrows. The anode 64 also serves as a version of the Nozzle 62.
Die Isolierplatte 65 verhindert eine Entladung unter Umgehung des Düsenkanals. Die Ziehelektrode ist mit 66 und der Anschluß stutzen für die Vakuumpumpe zur Evakuierung des Raumes zwischen den beiden Düsen mit 67 bezeichnet. Im übrigen kann die Anordnung z. B. wie bei Fig. 1 ausgeführt sein.The insulating plate 65 prevents a discharge bypassing the nozzle channel. The drawing electrode is with 66 and the connection for the vacuum pump to evacuate the space between the marked 67 on both nozzles. In addition, the arrangement can, for. B. be carried out as in FIG.
Die Kühlung der Kathode, der Anode und der Ziehelektrode bsi den Anordnungen der Fig. 1, 2 und· 4 kann in bekannter Weise ausgeführt werden. Sie ist daher der Übersicht halber in der schematischen Darstellung dieser Figuren nicht angegeben. Die Ionenquelle gemäß der Erfindung kann auch so ausgeführt sein, daß der Raum zwischen Anode und Düse, also der Anodenraum, auf höherem Druck gehalten ist als der Raum zwischen Düse und Kathode (Kathodenraum). Eine solche Anordnung unterscheidet sich von den Anordnungen der Fig. 1 bis 4 im wesentlichen lediglich durch die Vertauschung der Elektroden.The cooling of the cathode, the anode and the drawing electrode in the arrangements of FIGS. 1, 2 and · 4 can be carried out in a known manner. It is therefore in the schematic for the sake of clarity Representation of these figures not specified. The ion source according to the invention can also do so be designed so that the space between anode and nozzle, i.e. the anode space, is kept at a higher pressure is than the space between the nozzle and cathode (cathode compartment). Such an arrangement is different differs from the arrangements of FIGS. 1 to 4 essentially only by interchanging the Electrodes.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann eine der beiden Elektroden als Düse ausgebildet sein. In diesem Falle wird der gesamte Raum zwischen den beiden Elektroden auf wesentlich höherem Druck gehalten als der Raum jenseits der Düse.According to a further embodiment of the invention, one of the two electrodes can be designed as a nozzle be. In this case, the total space between the two electrodes is much higher Pressure held as the space beyond the nozzle.
In gewissen Fällen kann es wünschenswert erscheinen, daß der Plasmastrahl hinter der bzw. den Düsen zusammengedrängt wird. Dies kann in an sich bekannter Weise durch magnetische Vorrichtungen erreicht werden. Bei Anordnungen gemäß den vorher beschriebenen Figuren ist dies in besonders einfacher Weise dadurch zu bewerkstelligen, daß die Elektroden gleichzeitig als Magnetpole verwendet werden. Wie oben bereits ausgeführt worden ist, wird bei der Ionenquelle nach der Erfindung eine Plasmaströmung mit extrem hoher Strömungsgeschwindigkeit mit hoher Ionendichte erreicht. Hieraus ergeben sich folgende Vorteile:In certain cases it may appear desirable to have the plasma jet behind the nozzle (s) is crowded together. This can be achieved in a manner known per se by means of magnetic devices will. In the case of arrangements according to the figures described above, this is particularly simple Way to accomplish that the electrodes are used as magnetic poles at the same time. As has already been stated above, a plasma flow is generated in the ion source according to the invention achieved with extremely high flow velocity with high ion density. Result from this the following advantages:
Die Ionen können hinter der Plasmadüse in Richtung des Plasmastrahles herausgezogen und als Bündel in Strahlgeometrie weiter beschleunigt werden. Die schnelle Strömung des Plasmas bewirkt, daß die Ionennachlieferung zur Ziehelektrode nicht mehr wie bei den bekannten Anordnungen durch die Diffusionsgeschwindigkeit der Ionen begrenzt wird. Die nach Fig. 2 mögliche Extraktion der Ionen senkrecht und radialsymmetrisch zum Plasmastrahl ist für gewisse Anwendungsfälle vorteilhaft. Dabei hat eine Anordnung gemäß Fig. 2, bei der der Plasmastrahl unmittelbar in das Vorvakuumrohr strömt, den weiteren Vorteil, daß die überschüssige Gasmenge fast restlos unmittelbar abgeführt wird, ohne das Hochvakuum zu belasten. Dadurch werden große Durchmesser des Ziehkanals der Ziehelektrode möglich. Schließlich hatThe ions can be drawn out behind the plasma nozzle in the direction of the plasma jet and as a bundle can be accelerated further in the beam geometry. The rapid flow of the plasma causes the Ion replenishment to the drawing electrode is no longer limited by the diffusion speed of the ions, as in the known arrangements. The after Fig. 2 possible extraction of the ions perpendicular and radially symmetrical to the plasma jet is for certain Use cases advantageous. It has an arrangement according to FIG. 2, in which the plasma jet is directly flows into the fore-vacuum tube, the further advantage that the excess amount of gas is almost completely is discharged immediately without stressing the high vacuum. This creates large diameters of the Drawing channel of the drawing electrode possible. Finally has
die hohe Temperatur des Plasmastrahles zur Folge, daß der Molekülionenanteil gegenüber dem Atomioaenanteil verschwindend klein ist, da die Moleküle bei den auftretenden hohen Temperaturen fast vollkommen dissoziieren.the high temperature of the plasma jet means that the proportion of molecular ions compared to the proportion of atomic ions is vanishingly small, as the molecules are almost perfect at the high temperatures that occur dissociate.
Claims (12)
Zeitschrift für Naturforschung, Bd. 7 a, 1952,Considered publications:
Journal for Nature Research, Vol. 7 a, 1952,
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