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Mit Sondenextraktion arbeitende Ionenquelle Die Erfindung betrifft
eine mit Sondenextraktion arbeitende Ionenquelle, insbesondere eine solche, die
aus einem Plasma und vorzugsweise aus einem elektrischen Gasentladungsplasma schöpft.
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Eine Ionenquelle ist bekanntlich eine Anordnung zur Herstellung von
gebündelten Ionenstrahlen. Man kennt schon solche Ionenquellen verschiedener Art,
wie z. B. Pendelionenquellen, die mit Glühkathode arbeiten, und auch Ionenquellen,
die aus einem sogenannten Plasma, insbesondere einem Plasma einer elektrischen Gasentladung,
schöpfen.
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An eine gute Ionenquelle, insbesondere der letztgenannten Art, werden
im allgemeinen folgende Anforderungen gestellt: Sie soll bei einem Minimum an Gasverbrauch
einen möglichst großen nutzbaren Ionenstrom liefern, und zwar mit tunlichst homogener
Energie der austretenden Ionen. Gewünscht ist ferner geringer Leistungsbedarf und
großer Anteil an Atomionen im Strahl bei in dieser Güte einwandfrei gesicherter
Arbeitsweise im Dauerbetrieb, wobei je nach dem besonderen Verwendungszweck der
Ionenquelle unter Umständen auch die eine oder andere der genannten Forderungen
mehr in den Vordergrund treten kann.
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Hinsichtlich der Grundlage der am meisten gebräuchlichen Plasmaionenquellen,
auf die sich die Erfindung in- erster Linie bezieht, sei zum besseren Verständnis
der Bedeutung der Erfindung einleitend noch folgendes bemerkt: Diese Ionenquellen
arbeiten im Prinzip nach folgendem Schema: Die Ionen werden innerhalb eines Entladungsraumes
in einer Gasentladung
erzeugt, hervorgerufen im wesentlichen durch
- Elektronenstoß. Die freie Weglänge der- Elektronen gegenüber den Gasmolekülen
soll dabei kleiner sein, als die Dimensionen des Entladungsraumes betragen. Damit
dieser Bedingung bei für die Praxis geeigneten räumlichen Verhältnissen entsprochen
werden kann, muß im Entladungsraum ein entsprechender Druck in der Größenordnung
von etwa zo-2 mm Hg herrschen. Dem genannten Entladungsraum für die Ionenquelle
ist dann ein Untersuchungsraum angeschlossen, in den die Ionen eintreten müssen,
wobei sie meist durch elektrische Beschleunigungslinsen noch nachbeschleunigt- und
fokussiert werden. Hier dürfen sie allerdings keine Wechselwirkung mit den Gasmolekülen
erleiden. Die freie Weglänge der Ionen gegenüber den Gasmolekülen muß also größer
als die Dimensionen des Untersuchungsraumes sein. Im Untersuchungsraum muß daher
ein wesentlich geringerer Druck als im Entladungsraum aufrechterhalten werden, und
zwar etwa in der Größenordnung -von 1o-5 mm Hg.
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Damit die Ionen vom Entladungsraum in den Untersuchungsraum übertreten
können, sind diese beiden Räume an ihrer Verbindungsstelle mit einem Durchlaß, dem
sogenannten Kanal versehen. Zur Aufrechterhaltung des Druckunterschiedes zwischen
dem Entladungsraum und dem Untersuchungsraum bedient man sich der bekannten Wienschen
Durchströmungsmethode. Man läßt durch ein geeignetes Ventil kontinuierlich Gas in
den Entladungsraum einströmen und pumpt aus dem Untersuchungsraum mittels Hochvakuumpumpen
dauernd ab. Der genannte Verbindungskanal hat also zwei Aufgaben zu erfüllen: Er
soll auf der einen Seite möglichst vielen Ionen den Durchtritt vom Entladungsraum
in den Untersuchungsraum ermöglichen und auf der anderen Seite dem vom Entladungsraum
nach dem Untersuchungsraum durchströmenden Gas einen möglichst großen Strömungswiderstand
entgegensetzen. Die Erfüllung der ersten Aufgabe erfordert einen möglichst weiten
und kurzen, die Erfüllung der zweiten Aufgabe einen möglichst engen und langen Kanal.
Um den Gasverbrauch, vor allen Dingen auch mit Rücksicht auf die erforderliche Pumpleistung,
aber in erträglichen Grenzen zu halten, darf man den Kanal nicht zu weit und zu
kurz: machen. Hinsichtlich der Erfüllung der beiden genannten, sich widersprechenden
Bedingungen liegt ein bisher noch ungelöstes Problem vor, dessen Behebung die Erfindung
mit bezweckt.
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Wenn man- keinen außergewöhnlich hohen Gasverbrauch zuläßt, wozu ein
hoher Aufwand an Pumpleistung erforderlich wäre, bleibt fast immer der größte Teil
der der Entladung entnommenen Ionen am Kanal hängen, und nur ein kleiner Bruchteil
gelangt, nutzbar werdend, in den Untersuchungsraum: Bei Zulassung eines weiten und
kurzen Kanals macht außerdem oft die Fokussierung der Ionen in einen Strahl. durch
die Beschleunigungslinse Schwierigkeiten.
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Die vorliegende Erfindung hat es sich demgemäß also zur Aufgabe gestellt,
eine Lösung zu finden, die eine optimale Ionenausbeute bei einem Mindestaufwand
an Pumpleistung erzielen läßt, wobei es darauf ankommt und gezeigt wird, wie man
mit einer Ionenquelle bei einem möglichst kleinen Gasverbrauch einen möglichst hohen
nutzbaren Ionenstrom dadurch erzeugen kann, daß man möglichst viele der Entladung
entnommene Ionen durch einen Kanal mit hohem Strömungswiderstand so hindurchbringt,
daß sie ein nachbeschleunigbares und fokussierbares Ionenbündel ergeben.
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Außerdem sind noch die folgenden grundlegenden Besonderheiten für
die Erfindung von wesentlicher -Bedeutung: Bei einer Gruppe von Ionenquellen, auf
die sich die Erfindung vorzugsweise bezieht, werden die Ionen mittels einer Gleichspannung,
die als Saugspannung bezeichnet wird, aus dem _sogenannten Plasma einer Gasentladung
herausgezogen.- Bei diesem als Sondenextraktion bezeichneten Verfahren zur Gewinnung
von Ionen aus einer Entladung ist nachstehendes Verhalten dieses Vorganges zu beobachten:
Das Plasma der Gasentladung bleibt infolge der an der Anode liegenden Spannung auf
positivem Potential in der Größenordnung von einigen kV gehalten. Die an sich bekannte
Extraktionssonde, in der sich der, wie schon erwähnt, als Sondenkanal bezeichnete
Kanal befindet; wird in oder an das Plasma gebracht und auf negativem Potential
gegenüber dem Plasma gehalten. Infolge der Potentialdifferenz zwischen Extraktionssonde
und Plasma weicht das Plasma von der Extraktionssonde zurück, es bildet sich zwischen
Extraktionssonde und Plasma ein Dunkelraum, der durch eine relativ scharfe Grenze
vom Plasma abgetrennt ist. Nahezu die ganze Saugspannung zwischen der Anode und
der Extraktionssonde fällt in dem Dunkelraum vor der Extraktionssonde ab. Die Plasmagrenze
wirkt dabei gewissermaßen als ionenemittierende Fläche, aus der die Ionen mit ihrer
thermischen Energie austreten. Sie werden dann durch das elektrische Feld zwischen
Plasmagrenze und Extraktionssonde in Richtung auf die letztere beschleunigt, und
ein Teil gelangt durch den Sondenkanal in den Untersuchungsraum. -Da die Sondenextraktion
an sich schon für ein großes Verhältnis von Ionenstrom zu Gasverbrauch -günstiger
ist als andere Methoden der Ionenentnahme und sie außerdem auch in bezug auf die
anderen, eingangs erwähnten Anforderungen, die eine Ionenquelle erfüllen soll, keine
Nachteile gegenüber 'den anderen Ionengewinnungsmethoden mit sich bringt, würden
die der Erfindung zugrunde liegenden Untersuchungen und Verbesserungen insbesondere
für die Ionenentnahme mittels Sondenextraktion durchgeführt.
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Damit dabei die aus dem Kanal einer Ionenquelle austretenden Ionen
nachbeschleunigt und in einen Strahl fokussiert, also nutzbar gemacht werden können,
muß die vorgesehene Beschleunigungslinse ein reelles Bild des Ausgangs des Sondenkanals
erzeugen. Außerdem müssen die Ionen aber auch durch die Beschleunigungslinse hindurchtreten,
d. h. noch besser, das Ionenbündel soll zur Vermei-
Jung. stärkerer
sphärischer Aberrationen der-: Beschleunigungslinse diese Linse--nicht mehr als
zur Hälfte ihres Durchmessers erfüllen. Bei den bei Sondenextraktion vorkommenden
IonengeschWindigkeiten und den daraus sich ergebenden Spannungsverhältnissen an
der Beschleunigungslinse führt dies zur Forderung, daß die Divergenz des Ionenbündels
möglichst nicht größer @ als r : zo ausfällt.
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Eine in der erläuterten Weise aufgebaute Anordnung bzw. Vorrichtung
zur Entnahme von- jebündelten Ionenstrahlen aus einem Plasma nennt man also ein
Ionenextraktionssystem, welches aus der Extraktionssonde mit dem Sondenkanal besteht
und eventuell aus weiteren Elektroden und Isolatoren zur Verbesserung der Wirkungsweise.
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Untersuchungen haben nun ergeben, daß man die Sondenextraktion als
eine ionenoptische Abbildung der sich beim Einbringen der negativen Extraktionssonde
in das Plasma bildenden Plasmagrenze auffassen kann; denn das als elektrische Linse
wirkende Potentialfeld des Ionenextraktionssystems entwirft ein reelles Bild der
Plasmagrenze. Von ganz grundsätzlicher Bedeutung für die Erfindung ist dabei, daß
sich bei dieser Abbildung infolge des ihr zugrunde liegenden Strahlenganges im Verlauf
des Ionenstrahls eine starke Einschnürungsstelle ergibt.
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In technischer Auswertung der Erkenntnisse dieses Vorganges ist hieraus
die folgende Aufgabe gestellt: Es soll durch Einbringen einer gegen das Plasma negativen
Extraktionssonde eine Plasmagrenze als ionenemittierende Fläche geeigneter Größe
an einer geeigneten Stelle hergestellt werden. Gemäß der Erfindung weist bei einer
mit Sondenextraktion arbeitenden Ionenquelle, insbesondere einer solchen, die aus
einem Plasma, vorzugsweise aus einem elektrischen Gasentladungsplasma, schöpft,
in welcher eine gegenüber dem zü extrahierenden Plasma bzw. gegenüber dein Positivwert
der Plasmagrenze auf negativem Potential gehaltene Extraktionssonde vorgesehen ist,
die eine ionenoptische Abbildung der Plasmagrenze bewirkt, so daß ein Maximum an
Ionen an einer geeigneten Stelle durch einen minimalen Durchlaßquerschnitt hindurchtritt
und zu einem nachbeschleunigbaren Ionenbündel konzentriert wird und wobei die Anordnung
so gewählt ist, daß die Kreuzungs-(Verengungs-) bzw. Bündelungsstelle der Ionenstrahlung
für die genannte Abbildung im Bereich des Sondenkanals an einer bestimmten Stelle
liegt, der Sondenkanal an der Bündelungsstelle der Ionenstrahlung eine Kanalverengung
auf. - Die Kanalverengung kann z. B. als verstellbare Blende ausgeführt sein. Die
Verstellbarkeit der Blende kann dabei hinsichtlich ihrer Weite, ihrer Formlänge
oder hinsichtlich ihrer Stellung längs des Sondenkanals in Betracht kommen.
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Zur weiteren Vervollkommnung der Lösung des gestellten Problems im
Sinne der Erfindung können dann noch dienlich sein eine dementsprechend besonders
geeignete geometrische Formgebung des Ionenextraktionssystems und die zusätzliche
Anbringüng von zu diesem System gehörenden Isolatoren sowie das Vorsehen von zusätzlichen,
auf geeignetem Potential und an günstiger Stelle befindlichen Elektroden. Untersuchungen
haben ergeben, daß die Form der Sonde, wie sie durch das Einbringen der Kanalblende
in den Kanal erhalten wird, für die Bildung eines nachbeschleunigbaren Ionenbündels
besonders günstig ist, wenn diese Form derjenigen eines Topfes entspricht, in dessen
Boden sich eine Bohrung für den Durchtritt der Ionen befindet. Aber auch bei einer
Anbringung der Kanalblende derart, daß diese Blende mit dem oberen Rand des Sondenkanals
abschneidet, läßt sich eine in bezug auf hohen Ionenstrom und kleinen Gasverbrauch
gegenüber einer Anordnung ohne Kanalblende erheblich verbesserte Wirkungsweise erzielen.
Es lassen sich auch stufenweise oder kurvenmäßig geformte Drosselungsstellen im
Sondenkanal zur Anwendung bringen.
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Die erfindungsgemäßen Maßnahmen entsprechen also einer Vorkehrung,
die den Strömungswiderstand des Sondenkanals erheblich zu erhöhen gestattet und
somit den Gasverbrauch wesentlich herabsetzen läßt, ohne das dadurch der nutzbare
Ionenstrom kleiner wird, wobei dies geschieht in Ausnutzung der Erkenntnis von der
Einschnürung des Ionenstrahls, hervorgerufen durch die zustande gebrachte ionenoptische
Abbildung und diese Einschnürungsstelle im Sondenkanal durch eine als »Kanalblende«
bezeichnete Verengung zweckgemäß ausgenutzt wird. Es haben nun wider jedes Erwarten
Untersuchungen gezeigt, daß sich gleichzeitig mit der Herabsetzung des Gasverbrauchs
außerdem eine beträchtliche Vergrößerung des durch den Sondenkanal hindurchtretenden
Ionenstroms ergibt, was einer wesentlichen Erhöhung der Ausbeute der Ionenquelle
entspricht. Es darf also daraus geschlossen werden, daß durch Einbringen einer Kanalblende
die ionenoptischen Eigenschaften des Extraktionssystems erheblich zu Gunsten des
nutzbaren Ionenstroms geändert werden, was vermutlich auf die dadurch erzielte bzw.
bedingte Änderung der geometrischen Gestalt der Extraktionssonde zurückzuführen
ist.
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Genaue Versuche ließen erkennen, daß trotz der wesentlich verbesserten
Ionenausbeute, wie sie bei Einbringung einer Kanalblende im Sondenkanal eintritt,
trotzdem immer noch ein beträchtlicher Teil der Ionen hinter der Kanalblende als
Verlust auf die Kanalwandung auftrifft. Um auch dies noch unter Erhöhung des nutzbaren
Ionenstroms zu vermeiden, wird gemäß entsprechender Weiterbildung der Erfindung
der aus der Kanalblende austretende Ionenstrahl mittels einer elektrischen Linse,
die als »Ionenkondensor« bezeichnet sei, so konzentriert, daß ein größerer Teil
der Ionen durch die Beschleunigungslinse hindurchtritt. Die für die Konzentration
günstigsten Verhältnisse erhält man dabei, wenn man den Ausgang des Sondenkanals
durch den Ionenkondensor am Ort der Beschleunigungslinse abbildet.
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Zur weiteren Fokussierung kann man nun allerdings nicht mehr den Kanalausgang
selbst mittels
der Beschleunigungslinse abbilden. Statt dessen wird
hierfür jetzt zweckmäßig ein Strahlquerschntt zwischen dem Ionenkondensor und der
Beschleunigungslinse als Gegenstand für diese Linse benutzt. Ein solcher Strahlquerschnitt
läßt sich gut mittels einer Blende abgrenzen. Besonders geeignet ist dazu der in
der Brennebene des Ionenkondensors liegende Strahlquerschnitt. Erwähnt sei, daß
man einen Ionenkondensor auch bei solchen Innenquellen mit Vorteil zur Anwendung
bringen kann, die mit einem ohne Kanalblende ausgestatteten Sondenkanal arbeiten.
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Die der Erfindung zugrunde liegenden Untersuchungen haben aus der
Erkenntnis, daß die Sondenextraktion als innenoptische Abbildung der Plasmagrenze
wirksam wird, aus zwei Ähnlichkeitsgesetzen der Elektronenoptik, aus der Formel
für den Strömungswiderstand des Sondenkanals und aus der Bestimmung für den Abstand
der Plasmagrenze von der Extraktionssonde als Funktion der Saugspannung ebenfalls
ein Ähnlichkeitsgesetz für Ionenextraktionssysteme ableiten und experimentell bestätigen
lassen. Es lautet wie folgt:- Bei einer ähnlichen Vergrößerung des Ionenextraktionssystems
einschließlich Plasmagrenze um den Faktor k -nehmen Innenstrom und Gasverbrauch
um k2 zu. Dabei ist zur ähnlichen Mitvergrößerung der Plasmagrenze die Saugspannung
so zu erhöhen, daß der Abstand der Plasmagrenze von der Extraktionssonde mit dem
Ionenextraktionssystem vergrößert wird.
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Das angegebene Ähnlichkeitsgesetz für Ionenextraktionssysteme gibt
jetzt auch die Möglichkeit, die optimalen technischen Bedingungen für den Entwurf
bzw. den Bau jeder Innenquelle gewünschter Leistung ermitteln zu können, gegebenenfalls
an Hand eines Modells. Ergibt z. B.. ein entwickeltes Ionenextraktionssystem in
einem Anwendungsbeispiel einen bestimmten nutzbaren Innenstrom, so gelangt man zu
einem verlangten, beispielsweise höheren Innenstrom durch Anwendung des fraglichen
Ähnlichkeitsgesetzes. Dabei -steigen nämlich nach dem genannten Gesetz Innenstrom
und Gasverbrauch proportional miteinander an. Sollte bei diesem Vorgehen der zugelassene
Gasverbrauch vor dem Erreichen des verlangten Innenstroms überschritten werden,
so wäre zur weiteren Steigerung des Innenstroms bis zum verlangten Wert die Innendichte
im Plasma zu erhöhen. Eine Erniedrigung des Innenstroms erhält man entsprechend
durch eine ähnliche Verkleinerung des Ionenextraktionssystems.
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Nachfolgend wird die Erfindung mit ihren wesentlichen Einzelheiten
an Hand von Zeichnungen noch in Ausführungsbeispielen näher erläutert und beschrieben.
Es zeigt Fig: i als Stand der Technik in einer schematischen Längsschnittansicht
eine Hochfrequenz= ionenquelle nach Thonemann mit Beschleunigungslinse bekannter
Art, Fig. 2 ein Ionenextraktionssystem mit Extraktionssonde unter Einzeichnung der
der Erfindung entsprechenden innenoptischen Abbildung; die Plasmagrenze, zwei Elementarbündel
des Ionenstrahls undeinige Äquipotentialflächen sind schematisch dargestellt eingetragen;
Fig. 3 zeigt ein Ionenextraktionssystem mit einfacher Kanalblende, Fig. 4 ein Ionenextraktionssystem
mit abgestufter Kanalblende, Fig.5 ein Ionenextraktionssystem mit doppelkonischer
Kanalblende, die auch kurvenmäßig abgerundet sein kann, Fig.6 ein Ionenextraktionssystem
mit Extraktionssonde, ausgeführt speziell in Topfform und mit vorgesetztem zylindrischem
Isolator, Fig, 7 ein Ionenextraktionssystem mit Extraktionssonde in Topfform ohne
vorgesetzten zylindrischen Isolator (die Extraktionssonde ist außen von einem Isolator
umgeben), Fig.8 ein Ionenextraktionssystem mit Kanalblende, wobei die Kanalblende
mit dem oberen Rand des Sondenkanals abschneidet, Fig.9 ein Ionenextraktionssystem
mit Ionenkondensor und mit Beschleunigungslinse, Fig. io und ioa eine ähnliche Vergrößerung
eines mit einer Kanalblende versehenen Ionenextraktionssystems unter Anwendung des
Vergrößerungsfaktors 1,5, wobei Fig. ioa die dieser Vergrößerung entsprechende
Darstellung ist, Fig. i i eine graphische Darstellung des nutzbaren Innenstroms
IA bei einem Ionenextraktionssystem ohne Kanalblende, bei einem solchen mit Kanalblende
und bei einem um den Faktor k = 1,5 vergrößerten Ionenextraktionssystem, ebenfalls
versehen mit Kanalblende, wobei der Innenstrom aufgetragen ist als Funktion der
Saugspannung US in Anwendung bei einer Hochfrequenzionenquelle mit einer Sendeleistung
von iio W; Fig. i2 zeigt eine graphische Darstellung des nutzbaren Innenstroms IA
ohne und mit Kanalblende als Funktion der Sendeleistung NHF bei einer Hochfrequenzionenquelle,
Fig. 13 eine graphische Darstellung des nutzbaren Iönenstroms IA ohne und mit Ionenkondensor
als Funktion der Saugspannung US bei einer Hochfrequenzionenquelle mit einer Sendeleistung
von 16o W.
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Die in Fig. i veranschaulichte, bereits mit einer Beschleunigungslinse
arbeitende HF- Ionenquelle nach T h o n e m a n n dient zur Kennzeichnung des Standes
der Technik. Bei ihr wird in dem aus Glas bestehenden Entladungsraum i z. B. bei
einer Sendeleistung von i5o bis 300W und einer Frequenz von 2o MHz eine elektrodenlose
HF-Ringentladung -mittels induktiver Kopplung angeregt. Das Plasma der HF-Entladung
wird durch die Anode 2 auf positivem Potential von einigen kV gehalten. Die Extraktionssonde
ist mit 3 bezeichnet. Sie ragt in das Plasma hinein und ist gegenüber diesem negativ.
Wie einleitend aber schon erwähnt wurde, weicht das Plasma von der Extraktionssonde
zurück, und es bildet sich eine Plasmagrenze als innenemittierende Fläche. Die Extraktionssonde
ist von einem Glaszylinder 4 umgeben, wie es sich für die Sammlung der Ionen in
Richtung zum. Sondenkanal
5 als günstig erwiesen hat. Ein Teil
dieser Ionen gelangt durch den Sondenkanals in den Untersuchungsraum 6, wo sie durch
die elektrische Beschleunigungslinse 7 weiter nachbeschleunigt und fokussiert werden.
Das Gas wird bei 8 zugeführt, das Hochvakuum im Untersuchungsraum durch Abpumpen
bei g aufrechterhalten.
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Fig. 2 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt eines Ionenextraktionssystems
einer Ionenquelle entsprechend Fig. i. Wie oben schon dargelegt wurde, haben Untersuchungen
gezeigt, daß das aus Plasmagrenze io, Glaszylinder 4 und Extraktionssonde 3 bestehende
Ionenextraktionssystem bei geeigneter Sondenspannung und richtiger Bemessung der
Größenverhältnisse der Sonde an einer gewünschten Stelle ein reelles Bild ii der
Plasmagrenze entwirft und daß sich im Strahlengang des Ionenstrahls eine Einschnürungsstelle
12' befindet. Zwei Elementarbündel des Ionenstrahls 12 und einige Äquipotentialflächen
13 sind in Fig. 2 schematisch eingezeichnet.
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Um den Widerstand für das durch den Sondenkanal durchströmende Gas
möglichst groß zu machen und dadurch den Gasverbrauch herabzusetzen, wurde nun an
der Einschnürungsstelle des Ionenstrahls entsprechend der Erfindung eine als »Kanalblende«
14 bezeichnete Verengung angebracht, wie dies in Fig. 3 gezeigt ist. Wie schon ausgeführt,
wurde dadurch nicht nur eine Abnahme des Gasverbrauches, sondern auch noch unerwarteterweise
eine beträchtliche Zunahme des nutzbaren Ionenstroms erzielt. io bedeutet wieder
die Plasmagrenze, 15 ist schematisch die Begrenzung des Ionenbündels.
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Um nun ein möglichst großes Verhältnis von nutzbarem Ionenstrom zu
Gasverbrauch zu bekommen, muß man die Kanalblende möglichst dem Strahlengang des
Ionenstrahls anpassen. Fig.4 und 5 zeigen zwei mögliche Ausführungen dieses Gedankens.
In Fig. 4 ist eine stufenförmige Kanalblende 16, in Fig. 5 eine konische Kanalblende
17 in den Sondenkanal eingesetzt.
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Die Kanalblenden können auswechselbar ausgeführt werden, um sie leichter
besonderen Bedingungen anpassen zu können. Die Erhöhung des Ionenstroms durch die
Kanalblende beruht vermutlich auf einer Änderung der ionenoptischen Eigenschaften
des Ionenextraktionssystems infolge der Gestaltsänderung der Extraktionssonde durch
das Einbringen der Kanalblende in den Sondenkanal. Als günstig für die Bildung eines
gebündelten Ionenstrahls hat sich für die Extraktionssonde z. B. die Form eines
Topfes mit senkrechten oder schrägen Wänden und horizontalem oder schrägem Boden
erwiesen. In dem Boden des Topfes befindet sich ein Loch für den Durchtritt des
Ionenstrahls. Die Bohrung in dem Boden des Topfes muß sich dabei an der Einschnürung
des Strahlenganges befinden und den Ionenstrahl möglichst eng umschließen, um ein
großes Verhältnis von durchtretenden Ionen zu durchströmendem Gas zu erhalten.
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Fig. 6 zeigt als Beispiel eine solche Extraktionssonde in Topfform
18 mit vorgesetztem Glaszylinder oder sonstigem zylindrischen Isolator ig. Das Ionenextraktionssystem
hat hier die gleiche geometrische Gestalt wie in Fig. 3 und deshalb die gleiche
ionenoptisch günstige Wirkung für die Bildung eines intensiven nachbeschleunigbaren
Ionenstrahls. Die Bohrung im Boden des Topfes 2o befindet sich wieder an der Einschnürungsstelle
des Ionenstrahls.
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In Fig.7 ist ein Ionenextraktionssystem mit topfförmiger Extraktionssonde
18 ohne vorgesetzten zylindrischen Isolator dargestellt. Untersuchungen haben gezeigt,
daß ein solches Ionenextraktionssystem ebenfalls hohe Ionenströme ergibt. Dabei
ist es zweckmäßig, die Extraktionssonde außen mit einem Isolator 21 zu umgeben,
damit auf die Außenfläche der Extraktionssonde kein Einstrom von Ionen erfolgen
kann. Auch die Anbringung der Kanalblende 22 ganz oben im Sondenkanal, so daß sie
mit dem oberen Rand der Extraktionssonde abschneidet, ergibt einen höheren Ione-nstrom
als ohne Kanalblende. Diese Anordnung ist in Fig. 8 dargestellt.
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Wie schon einleitend erwähnt, trifft auch nach Einbau der Kanalblende
in den Sondenkanal immer noch ein wesentlicher Teil der der Entladung entnommenen
Ionen hinter der Kanalblende auf die Kanalwände auf bzw. geht ein gewisser Teil
des von der Sonde erfaßten Ionenstroms wegen zu großer Divergenz für die Nachbeschleunigung
verloren. Eine weitere Erhöhung des nutzbaren Ionenstroms wurde nun dadurch erreicht,
daß er gemäß entsprechender Weiterbildung der Erfindung, wie in der Anordnung nach
Fig. g veranschaulicht, durch eine elektrische Einzellinse 23, genannt »Ionenkondensor«,
nochmals so konzentriert wird, daß mehr Ionen durch die Beschleunigungslinse 7 hindurchtreten.
Dabei wird am besten der Ausgang des Sondenkanals bzw. der Kanalblende durch den
Ionenkondensor am Ort der Beschleunigungslinse abgebildet.
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Es ergibt sich dann ein Strahlengang 24, wie er in Fig, g eingezeichnet
ist. Als Gegenstand für die Bildung eines reellen Bildes durch die Beschleunigungslinse
muß nun ein Strahlquerschnitt hinter dem Ionenkondensor genommen werden. Entsprechend
Fig. g ist dazu ein Strahlquerschnitt durch eine Blende 25 abgegrenzt, und zwar
handelt es sich, was besonders günstig ist, um den Strahlquerschnitt in der Brennebene
des Ionenkondensors.
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Eine elektrische Einzellinse arbeitet bei Ionen mit einem positiven
Mittelpotential, so daß man die Linsenspannung durch Unterteilung der Sangspannung
erhalten kann. Noch besser ist es, wenn man die Linse so einstellt, daß'sie optimal
mit der Saugspannung als Mittelpotential konzentriert. Man kann dann die Linsenmittelelektrode
direkt mit der Saugspannung verbinden und kommt so auch in den Besitz der anderen
Vorteile eines solchen Zweipolsystems.
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Außer einer elektrischen Einzellinse kann als Ionenkondensor auch
eine magnetische Linse angewendet werden, wobei man zusätzlich noch eine Aussonderung
unerwünschter Ionensorten erreichen
kann. Bei Verwendung einer elektrischen
Einzellinse kann man eine bessere Konzentration noch dadurch- erreichen, daß man
nun die dritte'Linsenelektrode 26 auf tieferes Potential bringt, woduteh man -dann
eine - elektrische Immersionslinse mit Mittelelektrode hat. Die Mittelelektrode
dieser elek= trischen Einzellinse -bzw. diese Immersionslinse kann man außerdem
durch Anlegen variabler Spannungen zur Hilfsfokussierung verwenden, d. h., man kann
damit den durch die'Beschleunigungslinse gebildeten Brennfleck auf einen bestimmten
Ort einstellen. Bei dieser Anwendung ist allerdings das Einsetzen einer Blende 25
nicht günstig, weil- die Lage der Brennebene nicht feststehend ist. -Wie schon in
der Einleitung ausgeführt, wurde durch die Ableitung eines »Ähnlichkeitsgesetzes
für Ionenextraktionssysteme« eine Vorschrift zur Erlangung optimaler technischer
Bedingungen erhalten. Fig. ro und ioa geben ein Beispiel für die Anwendung-dieses-
Ahnlichkeitsgesetzes: 27 ist das ursprüngliche Ionenextraktionssystem mit Kanalblende,
schematisch eingezeichneter Plasmagrenze io und einem Elementarbündel des Ionenstrahls
i2. 28 ist ein um den. Faktor k = i;5 danach- ähnlich vergrößertes Ionenextraktionssystem-.-
- Es ergibt gegenüber dem Ionenextraktionssystern 27 - einen um den Faktor k2 =
i,52 = 2,25 höheren Ionenstrom und Gasverbrauch.
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In den Fig. iz bis 13 sind einige Meßergebnisse dervorbekannten undeinerfinordnung
entsprechend der Erfindung graphisch dargestellt. Kurve 29- in Fig. i i zeigt den
nutzbaren Ionenstrom IA als Funktion- der Saugspannung US bei denn von T h o n e
man n angegebenen Ionenextraktionssystem, Kurve 3o dieselbe Abhängigkeit des nutzbaren
Ionenstroms bei dem durch Einsetzen einer Kanalblende nach Fig.3 verbesserten Ionenextraktionssystem.
Zum Arbeiten mit der Ionenquelle wird die Saug= spannung US jeweils so eingestellt,
daß man das Maximum des Ionenstroms erhält. Wie °Fig. i i zeigt; hat der nutzbare
Ionenstrom durch Einsetzen der Kanalblende um den Faktor 2;6 zugenommen. Gleichzeitig
damit wurde der Gasverbrauch auf -die Hälfte herabgesetzt. Kurve 3 i zeigt den nutzbaren
Ionenstrom, den man nach ähnlicher Vergrößerung des für Kurve 30 benutzten
Ionenextraktionssystems um den Faktor 1,5 gemäß Fig. io- erhält. Der Ionenstrom
hat bei der ähnlichen Vergrößerung um den Faktor 2,2 zugenommen, was der erwarteten
Zunahme mit guter Genauigkeit entspricht: Da der Gasverbrauch dabei ebenfalls um
.etwas =über das zweifache zugenommen hat, hat man nun wieder etwa den gleichen
Gasverbrauch wie bei dem für Kurve 29 benutzten Ionenextraktionssystem -nach T h
onem a n n, j edoch einen etwa sechsmal so hohen Ionenstrom. Dieses -Ergebnis wurde
allein durch Einsetzen einer einfachen Kanalblende nach Fig.-3 und durch Anwendung
des Ähnlichkeitsgesetzeserzielt.
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In Fig. i2- ist der nutzbare donenstrom IA mit und ohne- Kanalblende-
in -Abhängigkeit-- von der Sendeleistung-NHP dargestellt, und zwar- zeigt Kurve
32 den Ionenstrom ohne Kanalblende und Kurve 33 den Ionenstrom -mit Kanalblende
gemäß Fig. 3: Man sieht wieder die etwa dreifache Zunähme des. nutzbaren Ionenstroms
durch Einsetzen der - Kanalblende bei gleichzeitiger Abnahme des Gasverbrauches
auf die Hälfte.
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Fig. 13 zeigt den nutzbaren Ionenstrom IA bei einem Ionenextraktionssystem
mit Kanalblende einmal ohne Ionenkondensor (Kurve 34) und einmal mit Ionenkondensor
(Kurve 35) in -Abhängigkeit -vQn der Saugspannung US. Die Zunahme des Ionenstroms
durch den'Ionenkondensor beträgt in diesem Beispiel fast das Dreifache.
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Durch gleichzeitige Benutzung der Kanalblende und des Ionenkondensors
und Anwendung des Ähnlichkeitsgesetzes wurde bis jetzt eine Steigerung des'nutzbaren
Ionenstroms um den Faktor 15 bis 2o bei gleichem Leistungsaufwand, gleichem Gasverbrauch
und gleichem apparativen Aufwand erzielt. Bei Sendeleistungen von 15o bis
300 W wurden nutzbare Ionenströme von 5 bis io mA erhalten, die durch Erhöhung
der Sendeleistung noch weiter gesteigert werden können.
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Bei den vorstehend angeführten Ergebnissen handelt es-sich um Versuche
mit einer Anordnung als Ausführungsform entsprechend der Erfindung, die jedoch noch
nicht das Optimum des erzielbaren Erfolges erbracht hat. -Man kann jedoch schon
aus diesen Resultaten erkennen, daß die Technik der Ionenstrahlerzeugung durch die
Erfindung entscheidend verbessert -worden' ist. Dieser Fortschritt schon allein
ist durch folgende Tatsachenbegründet: Es sind wesentlich höher als bisher fokussierbare
Ionenströme erreicht. Es sind dabei Stromsteigerungen erzielt um den Faktor 2o bei
gleichem Leistungsaufwand; .gleichem Gasverbrauch und gleichem- apparativem Aufwand.
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Ferner kommt hinzu, daß die nutzbaren Ionenströme nunmehr einen -wesentlichen
Teil' des verbrauchten Gases ausmachen bei bis jetzt schon erzielten Werten von
25'bis 300/0. Dieses Werte lassen sich voraussichtlich bei sorgfältig im Sinn der
Erfindung weiter vervollkommneten Ausführungsformen noch auf über 50 % -steigern
gegenüber den bisher bekannten Ergebnissen, bei denen diese Ionenströme nur einen
recht geringen Bruchteil des gesamten, durch den Kanal hindurchströmenden Gases
betrugen. Es-waren dabei nämlich i bis 21/o im allgemeinen schon -sehr gute Werte.
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Abschließend ist noch darauf hinzuweisen, daß die Erfindung in einem
breiten Rahmen Anwendung finden kann; nämlich bei allen Gasentladungen mit Plasma
und überhaupt prinzipiell bei jedem Plasma beliebiger Herkunft. Die früher angegebenen
Ionenquellen 'für hohe Ionenströme und großen Ionenanteil des Gasverbrauches (z.
B: Pendellionenquelle mit Glühkathode) sind Einzelausführungen, bei denen die allgemeine
Anwendbarkeit durch entscheidende Nachteile - (z. B. schlechte- Betriebssicherheit,
schwere Fokussierbarkeit der- austretenden Ionen, geringer Atoinionenanteil): stark
beeinträchtigt ist. Die durch die Erfindung wesentlich verbesserte Sondenextraktion
kann demgegenüber jedoch bei den meisten Gasentladungen angewendet
werden.
Man kann also, nachdem man nunmehr eine Sondenextraktion mit hohem Wirkungsgrad
gefunden hat, durch eine geeignete Wahl der Gasentladung für die Erfüllung derj
enigen Anforderungen sorgen, die an eine für einen bestimmten Verwendungszweck verlangte
Ionenquelle gestellt werden.
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Wenn oben von einer Kreuzungsstelle des Ionenstrahls gesprochen wird,
so kann dies auch der Brennfleck des ionenoptischen Systems bedeuten oder das reelle
Bild der Plasmagrenze. Es ist damit in jedem Fall gemeint die engste Bündelungsstelle
des Ionenstrahls.