DE19821802A1 - Vorrichtung für die Erzeugung von Ionen- und Elektronenstrahlen mit großem Querschnitt - Google Patents

Abstract

Ionen- und Elektronenstrahlen mit großem Querschnitt werden unter anderem für die Materialbearbeitung oder die Oberflächenmodifizierung von Materialien benötigt und verwendet. Sie werden aus großvolumigen Plasmen durch großflächige Plasma- und Extraktions-Elektroden mit ionenoptisch fluchtenden Lochmustern extrahiert. Diese Elektrodengitter sind sehr starkem Verschleiß durch Ionenzerstäubung ausgesetzt und begrenzen die Wirtschaftlichkeit der damit ausgerüsteten Anlagen. DOLLAR A Durch Einbau von Permanentmagneten oder entsprechenden Stromführungen in die Elektrodengitterkonstruktion werden die geladenen Teilchen des Plasmas unter dem Einfluß der erzeugten Magnetfelder größtenteils von den Gitterstrukturen weg in die Extraktionslöcher hineingelenkt, so daß die Gitterstrukturen vor Verschleiß geschützt werden. DOLLAR A Durch Lokalisierung von Gasentladungen im Bereich dieser Extraktionsmagnetfelder können beliebig große und beliebig geformte Extraktionsflächen aus sich wiederholenden Einzelelementen zusammengesetzt werden, die aus Magnetstruktur, mechanischer Trägerstruktur, Bauelementen zur Erzeugung der lokalen Gasentladung und Extraktionsöffnungen bestehen.

Description

Plasma-Ionenquellen sind bis auf wenige Ausnahmen der weitverbreitete Standard für die Erzeugung von Ionenstrahlen [Siehe Ref. 1: I.G. Brown, "The Physics and Technology of Ion Sources", John Wiley & Sons, New York, 1989, ISBN 0-471-85708-4 und Ref. 2: B. Wolf, "Handbook of Ion Sources", CRC Press, Boca Raton, 1995, ISBN 0-8493-2502-1]. In diesen Ionenquellen wird fast immer das Prinzip der Elektronenerzeugung und Heizung (Beschleu­ nigung) befolgt, die durch Stoßionisation von Neutralteilchen Ionen oder durch Stoßionisation von Ionen höher geladene Ionen erzeugen. Dadurch entsteht ein Plasma aus Ionen, Elektronen und je nach Ionisationsgrad auch Neutralteilchen, wobei der Ionisationsgrad das Verhältnis aus gesamter positiver Ladung und der Gesamtzahl positiver und neutraler Teilchen angibt. Das mit Plasma gefüllte Volumen wird auf der Extraktionsseite, d. h. auf der Seite auf der Ionen(Elektronen) aus dem Plasma extrahiert werden, durch eine Plasmaelektrode mit einer(vielen) Plasmaelektrodenöffnung(en) abgeschlossen. In Extraktionsrichtung gesehen hinter der Plasmaelektrode wird eine Extraktionselektrode mit Extraktionsöffnung(en), die mit der(n) Plasmaelektrodenöffnung(en) teilchenoptisch fluchtet(en), angebracht und auf nega­ tives(positives) Potential gegenüber der Plasmaelektrode aufgeladen. Dadurch entsteht ein elektrisches Ziehfeld zwischen der Extraktions- und der Plasmaelektrode, das mit seinem Ziehfelddurchgriff der in das Plasmavolumen hineinreicht, positive Ionen (negative Elek­ tronen) aus dem Plasma zieht, beschleunigt und so einen Ionen(Elektronen)strahl erzeugt, während die Elektronen(Ionen) in das Plasma zurückgedrückt werden. Für die Extraktion negativ geladener Ionen gelten die Potentialverhältnisse wie für Elektronen.

Strahlen mit großem Querschnitt werden dadurch erhalten, daß großflächige Plasma- und Extraktions-Elektroden mit ionenoptisch fluchtenden Lochmustern mit dem Ziel verwendet werden, die elektrischen Potentialverhältnisse über die gewünschte große Fläche festzulegen und gleichzeitig eine möglichst große Transmission dieser Elektrodengitter zu erreichen, d. h. die Lochflächen sollen groß gegenüber den Flächen der Trägerstruktur sein. Mit dieser Konzeption erhält man in Entfernungen groß im Vergleich zu den Lochabständen einen echten Flächenstrahl. Bei sehr starken Gasentladungen mit hohem Ionisationsgrad und großer Gas­ dichte sind diese Elektrodengitter sehr starkem Verschleiß durch Ionenzerstäubung und durch sog. heiße Flecken (engl. "hot spots") ausgesetzt so daß letztlich die Elektrodengitter den limitierenden Faktor für die Erzeugung großer Strahlstromdichten darstellen. Die Temperatur­ belastung könnte durch ein Kühlsystem in der Trägerstruktur beseitigt werden, wodurch aber die Transmission des Gesamtgitters in unzulässiger Weise reduziert würde. Diese Extrak­ tionsgitter sind deshalb wartungsintensiv und begrenzen die Wirtschaftlichkeit der damit aus­ gerüsteten Anlagen.

Diese Probleme werden erfindungsmäßig dadurch gelöst, daß in die Extraktionsgitterkon­ struktion Permanentmagnete oder entsprechende Stromführungen so eingebaut werden, daß die geladenen Teilchen der Gasentladung unter dem Einfluß der erzeugten Magnetfelder von den Trägerstrukturen weg in die Plasmaelektrodenlöcher hineingelenkt werden. Dadurch ent­ steht trotz des Platzbedarfs für die Magnete oder Stromführungen eine große effektive Extraktionsfläche, so daß auch ein Kühlsystem in den Trägerstrukturen untergebracht werden kann.

Eine den Lochmasken angepaßte Magnetstruktur wird zum Beispiel durch eine regelmäßige, sich wiederholende, quadratische Anordnung von gleich ausgerichteten Dipolmagneten mit ihrer geometrischen und Magnetisierungsachse parallel zur Extraktionsrichtung erreicht, die für das Weitere als z-Achse bezeichnet wird. Alle Dipole haben also ihren Nordpol entweder in + oder -z-Richtung, wobei hier als Beispiel die -z-Richtung gewählt wird. Magne­ tische Feldlinien treten aus den Nordpolen aus und laufen zwischen den Dipolen in z-Richtung zu den Südpolen. An den Nordpolen und in der Symmetrieebene zwischen Nord- und Süd­ polen, im weiteren als x-y-Ebene bezeichnet, wird auf den Diagonalen zwischen den Dipolen ein relatives Maximum der z-Komponenete B_z des Magnetfeldes erhalten.

Durch Wahl der Positionen x = ±na und y = ±mb mit n,m = 0, 1, 2,. . . der Dipole der Ab­ messungen Δx = c, Δy = d, Δz = 1, wobei c < a und d < b gelte, kann man auf den Diagonalen zwischen den Dipolen, d. h. an den Stellen x = ±(2n+1)a/2 und y = ±(2m+1)b/2 das Magnet­ feldmaximum mit schwächerem reinen B_z-Feld erhalten als an den Nordpolen. Da geladene Partikel um Magnetfeldlinien rotierend den Magnetfeldlinien folgen und aus Magnetfeld­ maxima auf Grund der sogenannten magnetischen Gradientenkraft F= -grad(µB) herausge­ drängt werden (µ= lokaler, magnetischer Momentenvektor des rotierenden Partikels, B= loka­ ler Magnetfeldvektor) entsteht also an den Nordpolen ein sehr starker und in der x-y-Ebene auf den Diagonalen zwischen den Dipolmagneten ein schwächerer magnetischer Verschluß, so daß die Partikel an letzteren Stellen am leichtesten die Gasentladung verlassen können. An diesen Stellen sind also die Plasmaelektrodenlöcher in der x,y-Ebene oder bis zu l darüber oder darunter anzubringen, durch die mit Unterstützung eines elektrischen Ziehfeldes die geladenen Partikel aus der Gasentladung extrahiert werden, wobei die magnetische Gradientenkraft durch das elektrische Ziehfeld überwunden wird. Durch diese Konzeption werden also geladene Teilchen durch die Magnetfelder vor der Trägerstruktur in die Gasentladung zurückgedrängt, teilweise zu den Plasmaelektrodenlöchern umgelenkt und durch diese mit dem elektrischen Ziehfeld aus der Gasentladung abgesaugt. Das Verhältnis der magnetischen und elektrischen Kräfte auf die geladenen Partikel an den Plasmaelektrodenlöchern bestimmt den Gesamtein­ schluß der Partikel in der Gasentladung. Da bekanntermaßen [Ref. 3 R. Geller, "Electron Cy­ clotron Resonance Ion Sources and ECR-Plasmas", Institute of Physics Publishing, Bristol and Philadelphia, 1996, ISBN 0 7503 0107 4] der relative Anteil an höher geladenen, extrahierten Partikeln von diesem Einschluß abhängt, kann also dieser höher geladene Anteil an extrahierten Partikeln neben der Gasentladungsstärke und dem Druck in der Plasmakammer durch die mag­ netische Dipolstärke die Größen a, b, c, d und die z-Position der Plasmaelektrodenlöcher bezüglich der x,y-Ebene beeinflußt werden. Da eine effektiv viel größere Extraktionsfläche durch die Magnetfeldführung der zu extrahierenden Partikel entsteht, können die geometri­ schen Plasmaelektrodenlochflächen kleiner als die Trägerstrukturfläche werden und es bleibt ausreichend Platz, um in der Trägerstruktur die Permanentdipolmagnete und deren Kühlung unterzubringen.

Eine mechanisch und wirtschaftlich günstige Trägerstruktur ist eine Anordnung aus Träger­ streifen an den Stellen x = ±na mit ±y-Ausdehnung bis zu den Gasentladungsumrandungen, in denen die magnetischen Permanentmagnetdipole und ein Kühlsystem eingebettet sind. Zwischen diesen Trägerstreifen können Plasmaelektrodenlochstreifen und Extraktionselektro­ denlochstreifen angebracht werden. Statt Plasmaelektrodenlöchern können bei dieser Träger­ streifenkonstruktion auch Plasmaelektrodenspalte an den Positionen x = ±(2n+1)a/2 mit ±y- Ausdehnung bis zu den Gasentladungsumrandungen mit entsprechend angepaßten Extraktions­ elektroden mit Spaltöffnungen angebracht werden. In diesem Fall erhält man längs der y-Achse periodisch schwankende Extraktionsstromstärken mit Maxima auf den Diagonalenmitten zwischen den Dipolen.

Läßt man den Abstand b bis auf d schrumpfen, erhält man mit Trägerstreifen eine mecha­ nisch einfache, physikalisch effiziente und wirtschaftliche Dipolmagnetstreifenanordnung. Damit werden, der Argumentation von oben folgend, geladene Partikel aus der Gasentladung von den starken Magnetfeldmaxima an den Nordpolen der Dipolmagnetstreifen in die Gasentladung zurückgedrängt und teilweise umgelenkt in die Bereiche mit schwächeren Mag­ netfeldmaxima zwischen den Dipolstreifen, wo sie am ehesten aus der Gasentladung austreten können. In Analogie zu oben werden Plasmaelektrodenspalte mit entsprechenden Ziehfeldern zwischen den Dipolstreifen angebracht, wobei hier eine konstante Extraktionsstromstärke längs der y-Achse erwartet wird, wenn die Gasentladung selbst homogen ist.

Werden die Plasmaelektrodenlöcher(spalte) deutlich unterhalb der x,y-Ebene, d. h. unter­ halb des B_z-Maximums gelegt, dann wird ein maximaler magnetischer Verschluß für die gela­ denen Teilchen erreicht, die aus der Gasentladung in z-Richtung austreten wollen. Neutrale Teilchen, insbesondere Wasserstoffisotopenatome, können diese magnetische Barriere ohne weiteres überwinden und in den räumlichen Bereich unterhalb des B_z-Maximums und oberhalb der Plasmaelektrodenlöcher(spalte) vordringen. Wird dieser Bereich mit Alkali- oder Erdalkali-, vorzugsweise Cäsiumdampf beschickt, der sich teilweise auf den umgebenden Wänden und auf den Plasmelektrodenloch(spalt)rändern niederschlägt, dann werden dort im Volumen und vor allem an den Cs-bedeckten Flächen aus den Neutralteilchen negative Ionen gebildet, die von dort mit entsprechend gepoltem Ziehfeld sehr effizient extrahiert werden können.

Diese neuartigen Extraktionsstrukturen für großflächige Gasentladungen können besonders gut an sogenannte Multicusp-Ionenquellen angepaßt werden, da in Multicusp-Ionenquellen bereits die übrigen Gasentladungskammerwände mit Dipolmagneten, allerdings mit perio­ dischem Polaritätswechsel, gegen Partikelaufprall geschützt werden [siehe Ref. 2, Seiten 93 bis 100]. Unter Berücksichtigung der günstigsten Polaritäten der Dipolstreifen der Extraktions­ struktur relativ zu den Dipolumrandungen einer Multicusp-Ionenquelle lassen sich Gasentladungen mit magnetischem Gesamteinschluß so konstruieren, daß der Betrag des Mag­ netfeldes vom Inneren der Entladung überall zu ihren Umrandungen hin ansteigt.

Bei streifenartiger Anordnung der Extraktionsmagnetstruktur können auch Magnetisier­ ungsrichtungen in der x-y-Ebene verwendet werden. Eine Möglichkeit sind y-Streifen an den Positionen z = 0 und x = ±na mit x-Magnetisierung, deren Polarität sich von Streifen zu Streifen ändert, so daß sich in x-Richtung immer gleiche, freie Dipolenden gegenüberstehen. Durch diese Magnetisierung werden die Trägerstreifen sehr gut vor Partikelaufprall geschützt, da die Magnetfeldlinien auf der Gasentladungsseite in ±x-Richtung verlaufen und die geladenen Partikel diesen Feldlinien folgen. Der magnetische Einschluß ist wieder zwischen den Dipol­ streifen am geringsten, hier sogar null, so daß die Plasmaelektrodenlöcher oder -spalte dort anzubringen sind. Die z-Position dieser Löcher oder Spalte kann wieder je nach Anwendung relativ zur x-y-Ebene gewählt werden.

Sehr guter Schutz streifenförmiger, in y-Richtung ausgedehnter und sich in x-Richtung pe­ riodisch wiederholender Trägerstrukturen läßt sich durch stromführende Leiterbündel in y- Richtung erreichen, die in die Trägerstrukturen eingebettet sind und deren Stromrichtung von Streifen zu Streifen das Vorzeichen wechselt. Die Trägerstreifen sind dann von nahezu kreisförmigen Magnetfeldlinien umgeben und damit optimal gegen geladene Teilchen der Gasentladung geschützt. Zwischen den Streifen existieren vorwiegend z-Komponenten des Magnetfeldes, so daß dort durch Plasmaelektrodenöffnungen geladene Teilchen in z-Richtung extrahiert werden können. An den y-Enden dieser Streifenstrukturen müssen kurze Leiter­ bündel in x-Richtung mit entsprechenden Stromrichtungen für den Abschluß der Magnet­ struktur sorgen.

Mit den bisher vorgestellten Anordnungen lassen sich beliebig große Extraktionsflächen re­ alisieren, wobei die bisherige x-y-Ebene auch in konkave oder konvexe Flächen gebogen wer­ den kann. Die Ionenstrahlhomogenität wird bei großen Extraktionsflächen aber von der be­ grenzten Homogenität von Gasentladungen in großen Plasmakammern abhängen. Für großflächige Extraktion sollte deshalb die Gasentladung an die hier vorgestellten, neuartigen Extraktionsmagnetstrukturen angepaßt werden, die dafür sehr gute Voraussetzungen bieten.

Bei der zuletzt beschriebenen Magnetanordnung wird das Magnetfeld zwischen den Dipol­ streifen an den Positionen z = 0 und x = ±(2n+1)a/2 gleich null. Es handelt sich bezüglich der x-z-Ebene um ein echtes Minimum des Betrags des Magnetfeldes, um eine sog. MinB-Mag­ netfeldkonfiguration (MBMK). Sie ist aber zunächst in y-Richtung offen und muß durch mindestens einen Dipol mit Magnetisierung in y-Richtung in der x-y-Ebene am Ende der y-Di­ polstreifen mit gleichem Pol in Richtung Magnetfeldminimum (B_min) wie die Dipolstreifen geschlossen werden. Geladene Partikel werden bis zu einer Grenzenergie in einer solchen MinB-Magnetfeldkonfiguration eingeschlossen, da der Betrag des Magnetfeldes vom B_min aus in alle Richtungen ansteigt. Energiereiche Elektronen einer Gasentladung in diesem Bereich können also lange Zeit Gasatome ionisieren, bevor sie auf eine Wand treffen. Damit kann also eine effiziente Ionenquelle betrieben werden, wenn dort eine Gasentladung unterhalten wird und ein Plasmaelektrodenspalt im Bereich des Maximums des Magnetfeldes in z-Richtung un­ terhalb der x-y-Ebene in der Mitte zwischen den Dipolstreifen angebracht wird. Die Gasentladung kann eine Kaltkathoden-, Heißkathoden-, Elektronenstrahl-, Laserstrahl-, Plasmatron-, Magnetron-, Penning-, Bogen-, Funken- oder Mikrowellenentladung sein. Be­ sonders attraktiv wird die Mikrowellengasentladung durch Ausnutzen der Mikrowellenreso­ nanz für Elektronen, die bei einem gegebenen Resonanzmagnetfeld B_res mit der gleichen Fre­ quenz um das lokale B_res rotieren wie die eingestrahlte Mikrowelle, wodurch die Elektronen sehr effektiv beschleunigt, bzw. geheizt werden. Die Mikrowellengasentladung in einer rota­ tionssymmetrischen MBMK dieser Art ist für Einzelstrahlextraktion bekannt [siehe Ref. 3, Seite 346] und wird hier in vielfach-streifenförmiger Form für großflächige Ionenquellen vorgeschla­ gen. Die eben genannten Gasentladungsformen lassen sich an alle vorher erwähnten großflächigen Magnetfeldstrukturen anpassen, indem z. B. Kaltkathoden, Heißkathoden, Elek­ tronenstrahlen, Laserstrahlen, Radiofrequenz- oder Mikrowellenzuführen auf die Gesamtfläche mit Konzentration zwischen den Dipolen verteilt werden.

Ebenfalls in Analogie zu rotationssymmetrischen Elektronen-Zyklotron-Resonanz-Ionen­ quellen (EZRIQ) mit einer komplexeren MBMK aus Permanentmagneten [Ref. 4: A Heinen, M. Rüther, J. Ducrée, J. Leuker, J. Mrogenda, H.W. Ortjohann, Ch. Vitt, E. Reckels, and H.J. Andrä, Review of Scientific Instruments, 69, Seite 729 ff., (1998)], die vor allem für die Erzeugung höher geladener Ionen Verwendung findet, kann eine vielfach-streifenförmige EZRIQ für großflächige Erzeugung höher geladener Ionen aufgebaut werden. Dazu wird eine zweite Ebene von gleichen, aber entgegengesetzt gepolten magnetischen Dipolstreifen bei der z-Position z = -h < -a angeordnet. Auf der z-Achse erhält man damit ein B_min von B_z in der Mitte zwischen den beiden Dipolmagnetstreifenlagen, das allerdings in x-Richtung ein Maxi­ mum von B_z darstellt. Damit auch in x-Richtung ein Minimum des Betrags des Magnetfeldes B erhalten wird, können in x-Richtung magnetisierte Magnete der Abmessungen Δx = c' mit c/8 < c' <c /2, Δy = d' mit c/8 < d' < c/2, Δz < h-l' an den Positionen z = h/2, x = ±na ±c/2 -(± c'/2) mit wechselnden Polaritäten mit der Periode a und y = ±md' mit wechselnden Polaritäten mit Periode d' angebracht werden. Diese in der x-z-Ebene erzeugte MBMK ist in y-Richtung be­ liebig ausdehnbar und muß an den y-Grenzen durch rotierende Fortsetzung der Magnetanord­ nung um die z-Achse abgeschlossen werden. Neben der EZR-Entladung kann auch eine der anderen oben genannten Gasentladungen in dieser nun abgeschlossenen MBMK aufrechter­ halten werden, wobei Vorteile dadurch erreicht werden, daß die Plasma-Wand-Wechsel­ wirkung in einer MBMK stark unterdrückt und damit lange Standzeiten von MBMK-Quellen möglich werden.

Zwischen den weiter oben vorgestellten Dipolstreifen mit Magnetisierung in z-Richtung lassen sich ebenfalls magnetfeldunterstützte Gasentladungen aufrechterhalten, so daß eine be­ liebig großflächige Erzeugung von Elektronen und Ionen mit streifenförmigen Extraktions­ geometrien möglich werden. Durch eine zweite in z-Richtung versetzte Schicht solcher Dipol­ streifen können wieder eine Vielfalt von günstigen Magnetfeldstrukturen für die verschiedenen Gasentladungsformen erzeugt werden. Insbesondere wenn die zweite Schicht im Vergleich zur ersten eine umgekehrte Magnetisierung besitzt, wird zwischen den Schichten wieder eine weit ausgedehnte MBMK durch zusätzliche Magnete mit Magnetisierung in x-Richtung, wie im vorigen Paragraphen beschrieben, möglich.

Als 1. Ausführungsbeispiel kann eine Multicusp-Ionenquelle mit in x-Richtung periodisch angeordneten Dipolmagnetstreifen gleicher Polarität und mit ±y-Abmessungen bis zu den Gasentladungsumrandungen aufgebaut werden, die in Fig. 1 gezeigt wird. Sie besteht aus einer Plasmakammer (1), die hier beispielsweise als Quader ausgeführt ist, in der das für die Plasma­ erzeugung erforderliche Vakuum erzeugt und der Restdruck des gewünschten Gases durch einen Gas- und oder Feststoffverdampfereinlaß (2) aufrechterhalten wird, und in die entweder Radio- oder Mikrowellen (3) für Radio- oder Mikrowellenentladungen eingekoppelt werden oder Kaltkathoden, Heißkathoden, Elektronenstrahlen oder Laserstrahlen für Plasmatron-, Magnetron-, Penning-, Bogen- oder Funkenentladungen eingebracht werden. Auf der Ionenextraktionsseite ist die Plasmakammer mit einer Plasmaelektrode (4) abgeschlossen, der in Extraktionsrichtung (5) eine Extraktionselektrode (6) folgt. Durch die Öffnungen der Plasma- und Extraktionselektroden werden die im Plasma (7) erzeugten Ionen aus dem Plasma extra­ hiert, wobei durch eine Spannungsdifferenz zwischen der Plasma- und der Extraktionselek­ trode ein sogenanntes Ziehfeld aufgebaut wird. Die Extraktionselektrode muß dabei negativer als die Plasmaelektrode für die Extraktion positiver Ionen sein und positiver als die Plasma­ elektrode für die Extraktion negativer Ionen oder Elektronen. Die Plasmakammer ist von quadratischen Ringen von permanenten Dipolmagneten (8) umgeben, deren Magnetisierungs­ richtung senkrecht auf der z-Achse (9) liegt, und die sich von Ring zu benachbartem Ring um­ kehrt. Auf der Rückseite (10) der Plasmakammer sind ebenfalls quadratische Ringe permanen­ ter Dipolmagnete (11) angebracht, deren Magnetisierung parallel zur z-Achse ist, und die sich von Ring zu benachbartem Ring umkehrt. Auf der Extraktionsseite werden in die Trägerstruk­ tur der Plasmaelektrode (4) permanente Dipolmagnete (12) beliebiger Form, hier Quaderform mit Abmessungen Δx = c, Δy = d, Δz = 1, in Streifen längs der y-Achse mit y-Ausdehnung gleich der um a verkürzten y-Abmessung der Plasmakammer im Abstand dx = a (13) eingelas­ sen, deren Magnetisierung parallel zur z-Achse liegt und für alle Streifen die gleiche Richtung besitzt. In die Trägerstruktur aus gut wärmeleitendem Material werden zum Schutz der Perma­ nentmagnete Kühlmittelkanäle (14) eingelassen. Die relative Magnetisierung der Ringe (8), (11) und der Dipolmagnete (12) ist wie z. B. in Fig. 1 durch Angabe der Magnetpole so zu wählen, daß die Plasmakammerecken durch viertelkreisartige Magnetfeldlinien (15) geschützt werden. Von den Nordpolen der Dipolreihen zurückgedrängte, geladene Teilchen des Plasmas (7) werden längs der Magnetfeldlinien (16) zu den Plasmaelektrodenspalten (17) geführt und von dort durch das zwischen Extraktionselektrode (6) und Plasmaelektrode erzeugte Ziehfeld durch die Extraktionselektrodenspalte (18) hindurch in Form bandförmiger Strahlen (19) ex­ trahiert. Durch Wahl der Abmessungen c, l, a kann die Zahl und Dichte dieser Bandstrahlen bezüglich der x-Achse festgelegt werden. Durch Wahl der z-Position der Plasmaelektro­ denspalte bezüglich der x-y-Ebene wird die Extraktion der gewünschten Teilchen optimiert. Für die Extraktion negativer Ionen ist diese Position deutlich unterhalb der x-y-Ebene zu wählen, wobei z. B. unterhalb der Dipolmagnetreihen angebrachte Cäsium-Dispenser für die Erzeugung des dort benötigten Cäsium-Dampfs sorgen. Die in Fig. 1 gezeigten Dipolmagne­ treihen lassen sich durch Bündel elektrischer Strombahnen in y-Richtung ersetzten, deren Stromrichtung sich von Bündel zum in x-Richtung benachbarten Bündel umkehrt. Dadurch entstehen einerseits beste magnetische Extraktionsbedingungen, andererseits aber an den y- Grenzen der Plasmakammer gewisse magnetische Einschlußprobleme, die jedoch durch zusätzliche Strombündel in x-Richtung am y-Rand der Gasentladung vermieden oder bei großen y-Abmessungen der Plasmakammer vernachlässigt werden können.

Als 2. Ausführungsbeispiel wird eine Multi-Minimum-B-Magnetfeld-Konfiguration in Fig. 2 mit beliebiger y-Abmessung und sich periodisch wiederholenden MBMK in x-Richtung für Extraktion von Vielfachstreifenstrahlen (49) in z-Richtung (39) gezeigt. Sie besteht aus Plas­ makammern (31), die hier beispielsweise als Quader ausgeführt sind, in denen das für die Plas­ maerzeugung erforderliche Vakuum erzeugt und der Restdruck des gewünschten Gases durch Gas- und oder Feststoffverdampfereinlässe (32) aufrechterhalten wird, und in die entweder Radio- oder Mikrowellen (33) für Radio- oder Mikrowellenentladungen eingekoppelt werden oder Kaltkathoden, Heißkathoden, Elektronenstrahlen oder Laserstrahlen für Plasmatron-, Magnetron-, Penning-, Bogen- oder Funkenentladungen eingebracht werden. Auf der Extrak­ tionsseite sind die Plasmakammern mit Plasmaelektroden (34) abgeschlossen, denen in Extrak­ tionsrichtung (35) eine Extraktionselektrode (36) folgt. Durch die Öffnungen in den Plasma- und Extraktionselektroden werden die im Plasma (37) erzeugten Ionen(Elektronen) aus dem Plasma extrahiert, wobei die Spannungsdifferenz zwischen den Plasmaelektroden und der Ex­ traktionselektrode wie im Ausführungsbeispiel 1 zu wählen ist. Für die MBMK' s werden zwei Ebenen entgegengesetzt gepolter Dipolmagnetstreifen (38) mit beliebiger y-Abmessung, die in ±x-Richtung magnetisiert sind, angeordnet. Auf der z-Achse erhält man damit ein B_min von B_z in der Mitte zwischen den beiden Dipolmagnetstreifenlagen, das allerdings in x-Richtung ein Maximum von B_z darstellt. Damit auch in x-Richtung ein Minimum des Betrags des Magnet­ feldes B erhalten wird, sind in ±x-Richtung magnetisierte Magnete (39) angebracht, die die Plasmakammern jeweils mit gleichen Magnetpolen einschließen und beim Fortschreiten in y- Richtung periodisch ihre Magnetisierungsrichtung ändern, wobei die Periode in y-Richtung einen Bruchteil von etwa 1/3 bis 1/8 der Plasmakammerbreiten in x-Richtung beträgt. Es ent­ stehen so MBMK's, die in y-Richtung beliebig ausdehnbar sind und an den y-Grenzen durch rotierende Fortsetzung der Magnetanordnung um die z-Achse abgeschlossen werden. In diesen MBMK's sind EZR-Entladungen besonders günstig, es können aber auch eine der anderen oben genannten Gasentladungen in dieser nun abgeschlossenen MBMK aufrechterhalten wer­ den, wobei Vorteile dadurch erreicht werden, daß die Plasma-Wand-Wechselwirkung in einer MBMK stark unterdrückt und damit lange Standzeiten von MBMK-Teilchen-Quellen möglich werden. Durch Wahl der Abmessungen kann die Zahl und Dichte der extrahierten Teilchen­ bandstrahlen (49) bezüglich der x-Achse festgelegt werden. Durch Wahl der z-Position der Plasmaelektrodenspalte bezüglich der x-y-Ebene wird die Extraktion der gewünschten Teilchen optimiert. Die in Fig. 2 gezeigten Dipolmagnetstreifen (38) lassen sich durch Bündel elektri­ scher Strombahnen in y-Richtung ersetzten. Die Dipolmagnete mit Magnetisierung in ±x- Richtung, deren Magnetisierung sich bei Fortschreiten in y-Richtung periodisch wechselt, kön­ nen dann durch Strombündel in z-Richtung ersetzt werden, wobei sich die Stromrichtung bei Fortschreiten in y-Richtung periodisch ändern muß. Für die Extraktion negativer Ionen gelten dieselben Ausführungen wie zum Ausführungsbeispiel 1.

Claims (12)

1. Quelle zur Erzeugung von Strahlen beliebiger einfach positiver oder negativer, mehrfach positiver oder hoch geladener Ionen oder Elektronen durch die Erzeugung und Extraktion der geladenen Teilchen aus einem in einer Quellenvorrichtung enthaltenen Plasma, das durch Erzeugung und Heizung(Beschleunigung) von Elektronen aufrechterhalten wird, mit einer Plasmakammer (1), in der das für die Plasmaerzeugung erforderliche Vakuum erzeugt und der Restdruck des gewünschten Gases durch einen Gas- und oder einen Feststoffverdampfereinlaß (2) aufrechterhalten wird, mit einer Plasmaelektrode (4) als Abschluß der Plasmakammer und einer außerhalb der Plasmakammer liegenden Extraktionselektrode (5), die beide jeweils aus einer mechanischen Trägerstruktur und mindestens einer oder vielen Elektrodenöffnungen bestehen, durch deren beider ionenoptisch fluchtende Öffnungen hindurch die erzeugten Ionen aus dem Plasma extrahiert werden, wobei durch eine elektrische Spannungsdifferenz zwischen der Plasma- und der Extraktionselektrode ein sogenanntes Ziehfeld aufgebaut wird, das durch die Öffnung(en) der Plasmaelektrode hindurch einen Ziehfelddurchgriff in das Plasma hinein erzeugt, mit dem die Ionen aus dem Plasma gezogen werden, dadurch gekennzeichnet, daß in oder vor die Trägerstruktur der Plasmaelektrode mit ihren Plasmaelektrodenöffnun­ gen Permanentmagnete oder entsprechende Magnetfeld erzeugende Stromführungen so mit einer Kühlvorrichtung zwecks Vermeidung von Überhitzung eingebaut werden, daß die gela­ denen Teilchen der Gasentladung unter dem Einfluß der erzeugten Magnetfelder von den Trägerstrukturen weg in Richtung der Plasmaelektrodenöffnungen gelenkt werden, von wo sie extrahiert werden können, und daß die geladenen Teilchen der Gasentladung unter dem Einfluß der erzeugten Magnetfelder insgesamt magnetisch eingeschlossen werden, d. h. länger in der Gasentladung bleiben bevor sie auf eine Plasmakammerwand treffen oder extrahiert werden.

2. Ionenquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß gleich gerichtete, permanente Dipolmagnete mit ihrer geometrischen und Magnetisier­ ungsachse parallel oder antiparallel zur Extraktionsrichtung regelmäßig mit ihrer Mitte in der x-y-Extraktionsebene an Positionen angeordnet werden, die sich in x- und y- Richtung perio­ disch wiederholen, so daß eine Extraktion geladener Teilchen aus der Gasentladung durch Plasmaelektrodenlöcher günstig wird, die an den Diagonalmitten zwischen den Dipolen in der, oberhalb der oder unterhalb der x-y-Ebene angebracht werden.

3. Ionenquelle nach Ansprüchen 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß die in Anspruch 2 beschriebenen Dipolmagnete in mechanische Trägerstreifen mit inte­ grierten Kühlmittelleitungen mit y-Ausdehnung bis zu den Gasentladungsumrandungen eingelassen sind, die sich in x-Richtung periodisch wiederholen, und daß die Plasmaelektroden­ löcher als Plasmaelektrodenlochstreifen oder als Plasmaelektrodenspaltstreifen, deren Längs­ ausdehung in Teilstücken oder ganz bis zu den Gasentladungsumrandungen reicht, zwischen den Trägerstreifen angebracht werden.

4. Ionenquelle nach Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die in Ansprüchen 1 bis 3 beschriebenen Dipolmagnete in Trägerstreifenrichtung zu Di­ polmagnetstreifen ohne Zwischenräume aneinandergefügt und in die Trägerstreifen mit Kühlvorrichtung eingebettet werden, wobei die Dipolmagnetstreifen eine Längsausdehnung bis zu den Gasentladungsumrandungen erreichen oder in kürzere Abschnitte aufgeteilt werden können und wobei die Zwischenräume zwischen den Dipolmagnetstreifen an den Gasentladungsumrandungen durch Dipolmagnete der selben Magnetisierung geschlossen wer­ den.

5. Ionenquelle nach Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß statt der Vielfachloch(spalt)extraktion aus einer gemeinsamen Gasentladung für jede Plas­ maelektrodenöffnung oder für Gruppen von Plasmaelektrodenöffnungen jeweils eine eigene Gasentladung lokal aufrechterhalten wird, aus der lokal extrahiert wird, wobei diese lokale Gasentladung durch entsprechende lokale Anbringung von Kaltkathoden, Heißkathoden, An­ odenelektroden, ganzen Elektronenstrahlern, Laserstrahlen, Radio- oder Mikrowellenfrequenz­ antennen, Mikrowellenresonatoren unter Ausnützung des lokalen Magnetfeldes eine der bekannten Entladungstypen wie Elektronenbeschuß-, Plasmatron-, Magnetron-, Penning-, Ra­ diofrequenz-, Mikrowellen-, Elektronenzyklotronresonanz oder Bogenentladung sein kann, so daß durch Aneinanderreihen in der x-y-Ebene vieler solcher lokaler Einheiten, die aus Dipol­ magneten, Plasmaelektrodenöffnungen mit korrespondierenden Extraktionselektrodenöffnun­ gen und den eben beschriebenen, lokalen Gasentladungserzeugungsbauelementen bestehen, ein Flächenstrahler beliebig großer x-y-Ausdehnung für geladene Teilchenstrahlen in z-Richtung zusammengesetzt werden kann.

6. Ionenquelle nach Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die x-y-Extraktionsebene in eine gekrümmte Fläche umgeformt ist, deren Krümmungsra­ dien groß gegenüber den tangentialen Dipolabständen in der Fläche sind.

7. Ionenquelle nach Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zur Unterstützung der in Anspruch 5 beschriebenen lokalen Gasentladungen eine zweite Schicht von gleichen Dipolmagnetanordnungen so in z-Richtung einer Entfernung von der x-y- Ebene angebracht ist, daß die Gasentladungen zwischen den beiden Magnetschichten brennen, wobei die die Gasentladung erzeugenden Bauelemente dieser erweiterten Magnetstruktur angepaßt werden.

8. Ionenquelle nach Ansprüchen 1, 5 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß lokale Gasentladungen auf das Volumen zwischen zwei Dipolmagnetstreifen und zwischen die beiden Magnetstreifenschichten dadurch begrenzt werden können, daß im Mittenbereich dieses Volumens ein Minimum des Betrages des Magnetfeldes erzeugt wird, von dem aus der Betrag des Magnetfeldes in alle Richtungen nach außen hin ansteigt, wofür die beiden Dipol­ magnetstreifenschichten durch Magnete ergänzt werden, die zwischen den Dipolmagnetstreifen der beiden Schichten mit Magnetisierung senkrecht zur Streifenrichtung und senkrecht zur Ex­ traktionsrichtung so angebracht werden, daß sie die Gasentladung mit gleichen, gegenüberlie­ genden Polen einschließt, wobei die Polarität dieser Magnetpaare, die in Dipolmagnetstreifen­ richtung eine Abmessung der Größenordnung von ein Achtel bis ein Viertel des Dipolmagnet­ streifenabstandes besitzen, das Vorzeichen beim Fortschreiten in Dipolmagnetstreifenrichtung periodisch wechselt, wobei diese Magnetstruktur an den Dipolmagnetstreifenenden durch rotierende Fortsetzung der Magnetstruktur um die Extraktionsrichtungsachse magnetisch geschlossen wird.

9. Ionenquelle nach Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß Dipolmagnetstreifen mit Magnetisierung senkrecht zur Extraktionsrichtung verwendet werden, wobei benachbarte Streifen entgegengesetzte Magnetisierung besitzen, so daß sich in der Mitte zwischen den Dipolmagnetstreifen Orte mit Magnetfeld gleich null ausbilden, und wobei nach Anspruch 7 eine eventuelle zweite Schicht von Dipolmagnetstreifen gleiche oder entgegengesetzte Magnetisierung relativ zur ersten Schicht habe, damit letztere Anordnung mit Zusatzmagneten nach Anspruch 8 zu einer Magnetfeldstruktur mit einem Minimum des Betrags des Magnetfeldes im Bereich zwischen den Dipolmagnetstreifen und zwischen den Dipolmagnetschichten führt, die an den Dipolmagnetstreifenenden durch rotierende Fortsetzung der Magnetstruktur um die Extraktionsrichtungsachse magnetisch geschlossen wird, und an die die Gasentladung erzeugenden Bauelemente angepaßt werden.

10. Ionenquelle nach Ansprüchen 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß dem magnetische Einschluß der Gasentladung durch ein Maximum des Magnetfeldes zwischen Gasentladung und Plasmaelektrodenöffnung dafür sorgt, daß vorwiegend nur Neu­ tralteilchen aus der Gasentladung diese Magnetfeldbarriere in das Volumen zwischen Magnet­ feldmaximum und Plasmaelektrodenöffnungen überwinden, in dem diese Neutralteilchen durch Alkali- oder Erdalkalidampfzufuhr durch Elektroneneinfang im Volumen, an den Wänden oder an den Plasmaelektrodenlochrändern in negative Ionen umgeladen werden, die dann durch ein entsprechend gepoltes Ziehfeld durch die Plasmaelektrodenöffnungen extrahiert werden.

11. Ionenquelle nach Ansprüchen 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Permanentmagnetstrukturen und oder die Trägerstrukturen durch Strukturen aus ferromagnetischem Material ergänzt werden.

12. Ionenquelle nach Ansprüchen 1 bis 8 und 10 und 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Dipolmagnetstreifen teilweise oder ganz durch Streifenbündel gleichsinnig strom­ führender elektrischer Leiter ersetzt werden, wobei benachbarte Streifenbündel entgegenge­ setzte Stromrichtung besitzen und wobei an den Streifenenden kurze, quer liegende Streifen­ bündel mit angepaßter Stromrichtung dafür sorgen, daß geladene Teilchen magnetisch in den Bereich zwischen den Längsstreifenbündeln geführt werden, wo die Plasmaelektrodenöffnun­ gen angebracht werden.