DE2228117A1

DE2228117A1 - HOLLOW CATHODE DUOPLASMATRON ION SOURCE

Info

Publication number: DE2228117A1
Application number: DE19722228117
Authority: DE
Inventors: Frans Boeschoten
Original assignee: European Atomic Energy Community Euratom
Current assignee: European Atomic Energy Community Euratom
Priority date: 1971-06-29
Filing date: 1972-06-06
Publication date: 1973-01-11
Also published as: LU63436A1; BE785307A; IT960285B; FR2143800A1; GB1383128A; NL7209031A

Description

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Dipl.-Ing. Richard Müller-Bornef Dip/.-ing. Hans-Heinrich Wiy · ι«. Dipl.-Ing. Richard Müller-Bornef Dip /.- ing. Hans-Heinrich Wiy · ι «.

Berlin, den 6. Juni 1972 25 031Berlin, June 6, 1972 25 031

EUROPAEISCHE ATOMGEMEINSCHAFT (EURATOM)EUROPEAN ATOMIC COMMUNITY (EURATOM)

PatentanmeldungPatent application

Hohlkathoden-Duoplasmatron-IonenquelleHollow cathode duoplasmatron ion source

Die Erfindung bezieht sich auf eine Ionenquelle nach dem Duoplasmatronprinzip mit einer rohrförmigen Hohlkathode, durch die Metall- oder Gasatome eingeleitet werden, mit einer gekühlten Hohlanode, durch die der Ionenstrom austritt, mit einer flaschenförmigen Zwischenelektrode, die die Kathode und einen Raum vor dieser in Richtung auf die Anode umschließt und sich gegen die Anode verengt, mit Mitteln zur Erzeugung eines Magnetfelds in Strahlrichtung innerhalb der Zwischenelektrode sowie mit einem Fokussiersystem, welches den Ionenstrahl im Bereich der Anode fokussiert.The invention relates to an ion source based on the duoplasmatron principle with a tubular hollow cathode through which metal or gas atoms are introduced, with a cooled hollow anode, through which the stream of ions exits, with a bottle-shaped intermediate electrode that encompasses the cathode and a space in front of it in the direction of the anode and narrows towards the anode, with means for generating a magnetic field in the beam direction inside the intermediate electrode and with a focusing system that focuses the ion beam in the area of the anode.

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Ionenquellen braucht man beispielsweise in der Kernphysik als Eingangsstufen von Teilchenbeschleunigern. Hierbei besteht vielfach der Wunsch, eine hohe Stromstärke mit einer großen Stromdichte, d.h. Konzentration des Ionenbündels, zu verbinden. Den Beinamen Duoplasmatron verwendet man für Ionenquellen besonders großer Stromdichte, welche durch Kombination zweier Mechanismen der Entladungsverdichtung erzielt wird (siehe hierzu beispiels- . weise M. von Ardenne: Tabellen zur Elektronenphysik, Ionenphysik und Uebermikroskopie 1958, Bd. I₁ S. 531 ff).Ion sources are needed, for example, in nuclear physics as the input stages of particle accelerators. In this context, there is often a desire to combine a high current strength with a high current density, ie a concentration of the ion beam. The nickname duoplasmatron is used for ion sources of particularly high current density, which is achieved by combining two mechanisms of discharge compression (see, for example, M. von Ardenne: Tables for electron physics, ion physics and uebermikoskopie 1958, vol. I ₁ p. 531 ff) .

Eine andere besonders leistungsfähige Ionenquelle ist in dem Bericht der Aerojet-General Corporation AGN TP-I98 beschrieben. Diese Quelle wird mit einem Neutralgas gespeist, welches durch eine Hohlkathode in einen Entladungsraum eingeführt wird. Die Atome des zugeführten Gases werden an der glühenden Kathodenoberfläche ionisiert und anschließend mit Hilfe geeigneter elektrischer und magnetischer Felder in Richtung auf ein kleines Austrittsloch beschleunigt. Zwischen der Kathode und diesem Austrittsloch bildet sich eine Plasmasäule aus, die im Bereich des Austrittslochs mit Hilfe elektrostatischer Linsen gebündelt wird. Die Strahlstromdichte bei dieser Ionenquelle war im Mittel 130 mA/cm bei einem Strahldurchmesser von 2 cm.Another particularly powerful ion source is described in the report by Aerojet-General Corporation AGN TP-I98. This source is fed with a neutral gas which is introduced into a discharge space through a hollow cathode. the Atoms of the supplied gas are on the glowing cathode surface ionized and then with the help of suitable electric and magnetic fields towards a small Exit hole accelerated. A plasma column forms between the cathode and this exit hole, which in the area of the Exit hole is focused with the help of electrostatic lenses. The beam current density with this ion source was on average 130 mA / cm with a beam diameter of 2 cm.

Es ist Aufgabe der Erfindung, die Strahlstärke wesentlich^ zu erhöhen. Dies wird bei einer Duoplasmatron-Ionenquelle der eingangs erläuterten Art dadurch erreicht, daß das Fokussiersystem als magnetische Linse ausgebildet ist, welche zwei koaxial zum Ionenstrahl und hintereinanderliegende ringförmige Polschuhe aufweist.It is the object of the invention to substantially increase the radiation intensity raise. In the case of a duoplasmatron ion source of the type explained at the beginning, this is achieved in that the focusing system is designed as a magnetic lens, which has two coaxial to the ion beam and one behind the other annular pole pieces having.

In einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Ionenquelle ist der von der Kathode weiter entfernte Polschuh zugleich als Hohlanode geschaltet. Weiter befindet sich in dieser Ionenquelle eine Abschirmscheibe, die elektrisch und mecha-In a preferred embodiment of the invention Ion source, the pole piece further away from the cathode is also connected as a hollow anode. Next is in this Ion source is a shielding disk that is electrically and mechanically

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nisch mit der Zwischenelektrode verbunden ist und ein zentrales Loch aufweist, durch welches die Hohlkathode frei hindurchragt. Diese Scheibe dient einerseits dem Schutz der Isolation zwischen der Kathode und der Zwischenelektrode gegen den Niederschlag leitender' Schichten und andererseits kann sie als Hilfselektrode zum Starten der Entladung verwendet werden. In einer weiteren erfxndungsgemaßen Ausführungsform der Ionenquelle sind mehrere rohrförmige Hohlkathoden parallel zueinander so angeordnet, daß' der Strahlquerschnxtt nahezu ein Strich wird. In diesem Fall werden der Querschnitt der Zwischenelektrode und die Polschuhöff-' nungen entsprechend oval ausgebildet.nich is connected to the intermediate electrode and a central one Has hole through which the hollow cathode protrudes freely. This disk serves on the one hand to protect the insulation between the cathode and the intermediate electrode against the precipitation of conductive ' Layers and, on the other hand, it can be used as an auxiliary electrode for starting the discharge. In another There are several embodiments of the ion source according to the invention tubular hollow cathodes arranged parallel to one another so that ' the beam cross-section becomes almost a line. In this case, the cross-section of the intermediate electrode and the pole shoe opening ' openings correspondingly oval.

Diese und weitere Merkmal:¹ der erfxndungsgemaßen Hohlkathoden-Duoplasmatron-Ionenquelle werden nachfolgend mit Hilfe zweier Figuren näher erläutert.These and other features: ^{1 of} the hollow cathode duoplasmatron ion source according to the invention are explained in more detail below with the aid of two figures.

Es zeigen:Show it:

Figur 1 einen Querschnitt durch eine bevorzugte ,Ausführungsform der erfxndungsgemaßen Ionenquelle und FIG. 1 shows a cross section through a preferred embodiment of the ion source according to the invention and

Figur 2 in schematischer Darstellung eine Alternativlösung gemäß der Erfindung, bei der mehrere Kathoden vorgesehen sind. FIG. 2 shows a schematic representation of an alternative solution according to the invention, in which several cathodes are provided.

Die in Figur 1 dargestellte Ionenquelle hat von außen eine im wesentlichen tonnenförmige Gestalt, die hauptsächlich durch große Magnetspulen bedingt ist. Mit Hilfe dieser Spulen werden Magnetfelder in Richtung der Tonnenachse 1 erzeugt. Eine säulenförmige Entladungsstrecke 2 bildet sich entlang der Achse 1 von einer Hohlkathode 3 und einer Zwischenelektrode 5 zu einer Hohlanode k aus, wenn eine Betriebspotuntial-Differenz von beispielsweise 100 Volt existiert. Die Plasmasäule besteht aus Ionen, die vorher in Form eines Neutralgases in die Hohlkathode 3 eingeleitet worden waren.The outside of the ion source shown in FIG. 1 is essentially barrel-shaped, which is mainly due to large magnetic coils. With the help of these coils, magnetic fields are generated in the direction of the barrel axis 1. A columnar discharge path 2 is formed along the axis 1 from a hollow cathode 3 and an intermediate electrode 5 to a hollow anode k when there is an operating potential difference of 100 volts, for example. The plasma column consists of ions which had previously been introduced into the hollow cathode 3 in the form of a neutral gas.

ä xi 11/1567 20988 2/0641 ä xi 11/1567 20988 2/0641

Der Entladungsraum ist von einer flaschenfö'rmigen Zwischenelektrode 5 umgeben. Diese Elektrode liegt im Betrieb auf einem positiven Potential gegenüber der Kathode; der Potentialunterschi-ad mit der Anode kann zur optimalen Ausbeute eingestellt werden. Mit Hilfe einer Spule 6 wird ein axiales Magnetfeld im Entladungsraum erzeugt. Am Flaschenhals wird das Plasma weiter mit einer Magnetspule 7 komprimiert. Im Bereich jenseits des Gasaustritts aus der Hohlkathode wird der Entladungsraum begrenzt von einer Abschirmscheibe 8. Diese Scheibe dient einerseits als Schirm, der die Isolation 9 zwischen der Kathode und der Zwischenelektrode gegen Streupartikel schützt, und andererseits kann diese Scheibe als Startelektrode für die Entladung verwendet werden.The discharge space is formed by a bottle-shaped intermediate electrode 5 surrounded. During operation, this electrode is at a positive potential compared to the cathode; the potential difference with the anode can be adjusted for optimal yield. With the help of a coil 6 is an axial magnetic field in Discharge space generated. At the neck of the bottle, the plasma is further compressed with a magnetic coil 7. In the area beyond the When the gas emerges from the hollow cathode, the discharge space is delimited by a shielding disk 8. This disk serves on the one hand as a screen that protects the insulation 9 between the cathode and the intermediate electrode against scattering particles, and on the other hand this disk can be used as a starting electrode for the discharge.

Die dem Duoplasmatron-Prinzip entsprechende doppelte Einschnürung wird von der bereits geschilderten flaschenförmigen Zwischenelektrode und von einer magnetischen Linse bewirkt, die in dem schmalen Bereich zwischen dem Ende der Zwischenelektrode 5 und der Lochanode k wirksam wird. Die Linse besteht aus zwei in Achsrichtung hintereinanderliegenden Weicheisen-Polschuhen 10 und 11, von denen der äußere mit der Anode integriert ist. Die magnetische Energie für diese Linse wird in einer toroidfö'rmigen Spul-'i 12 erzeugt, die diesen Bereich umschließt.The double constriction corresponding to the duoplasmatron principle is brought about by the bottle-shaped intermediate electrode already described and by a magnetic lens which is effective in the narrow area between the end of the intermediate electrode 5 and the perforated anode k. The lens consists of two soft iron pole pieces 10 and 11 lying one behind the other in the axial direction, of which the outer one is integrated with the anode. The magnetic energy for this lens is generated in a toroidal coil 12 which surrounds this area.

Im Betrieb wird der Entladungsraum mit Hilfe einer nicht darge-During operation, the discharge space is shown with the help of a

_2 stellten Vakuumpumpe auf einen Unterdruck von etwa 10 Torr gebracht. Durch Kühlkanäle 13, l*f und 15, welche die Kathode, die Zwischenelektrodenzuführung sowiu die Anode durchziehen, wird ein Kühlmittel, z.B. Wasser oder ein Flüssigmetall, geleitet. Die mit den größten vorkommenden Temperaturen betriebenen Teile der Kathode, der Zwischenelektrode und der Anode bestehen aus Wolfram oder Tantal._2 set the vacuum pump to a negative pressure of about 10 torr. Through cooling channels 13, l * f and 15, which the cathode, the intermediate electrode lead and pull through the anode a coolant, e.g. water or a liquid metal. The parts of the The cathode, the intermediate electrode and the anode are made of tungsten or tantalum.

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Die dargestellte Ionenquelle läßt wesentlich höhere Gasdurchsätze zu als etwa Ionenquellen mit Glühkathoden und sie ergibt auch wegen der leistungsfähigen magnetischen Fokussierung wesentlich höhere Ionenströme als Ionenquellen mit elektrostatischer Zweitfokussierung. Beispielsweise lassen sich Entladeströme von 5 bis 50 Amp. ohne weiteres beherrschen und Ionenströme von 10 Amp. aus der Quelle ziehen.The ion source shown allows much higher gas throughputs than ion sources with hot cathodes and it also results in a significant amount because of the powerful magnetic focusing higher ion currents than ion sources with electrostatic secondary focusing. For example, discharge currents from 5 to 50 Amp. easily mastered and ion currents of 10 Amp. from the source.

In einer alternativen Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Ionenquelle, die in Figur 2 dargestellt ist, sind mehrere Hohlkathoden 3¹ parallel nebeneinander so angeordnet, daß sie einen Plasmakanal von ovalem oder nahezu strichförmigem Querschnitt erzeugen. Dieser Form der Plasmasäule sind die Zwischenelektrode 5' und die Anode V angepaßt.In an alternative embodiment of the invention
Ion source, which is shown in Figure 2 , a plurality of hollow cathodes 3 ¹ are arranged parallel to one another so that they generate a plasma channel of oval or almost line-shaped cross-section. The intermediate electrode 5 'and the anode V are adapted to this shape of the plasma column.

Die Erfindung ist nicht in allen Details auf die dargestellte Ausführungsform beschränkt. Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Ionenquelle würde beispielsweise darin bestehen, in bekannter Weise die Kathode mit einem mechanischen Nachführmechanismus
zu versehen, durch den unvermeidliche Verluste an Kathodenmaterial ausgeglichen werden können. Bei Umpolung der elektrischen Spannungen kann das Gerät auch als Elektronenquelle benutzt werden.The invention is not limited in all details to the embodiment shown. An advantageous embodiment of the ion source would, for example, consist in the cathode with a mechanical tracking mechanism in a known manner
to be provided, through which inevitable losses of cathode material can be compensated. If the polarity of the electrical voltages is reversed, the device can also be used as an electron source.

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Claims

PATENT CLAIMS

[1. Hollow cathode duoplasmatron ion source with a tubular hollow cathode through which atoms are introduced, with a cooled hollow anode through which the ion current emerges, with a bottle-shaped intermediate electrode that leads the cathode and a space in front of it on the anode and narrows towards the anode, with means for generating a magnetic field in the beam direction within the intermediate electrode and with a focusing system which focuses the ion beam in the area of the anode, characterized in that the focusing system is designed as a magnetic lens, which two coaxial to the ion beam and having annular pole shoes (10, 11) lying one behind the other.

2. Hollow cathode duoplasmatron ion source according to claim 1, characterized in that the pole piece further away from the cathode is also connected as a hollow anode (4).

3. Hollow cathode duoplasmatron ion source according to claim 2, characterized in that the hollow cathode (3 ) protrudes freely through a central hole ± n ^x a shielding disk (8) which is electrically and mechanically connected to the intermediate electrode (5).

4. hollow cathode duoplasmatron ion source according to claim 1, characterized in that several tubular hollow cathodes (3 0 are arranged parallel to each other so that the beam cross-section is almost a line, and that the cross-sections of the intermediate electrode (5 ¹ ) and the pole shoe openings (accordingly are oval.

5 · hollow cathode duoplasmatron ion source according to claim 1, characterized in that at least the anode electrode is liquid-cooled.

6. hollow cathode duoplasmatron ion source according to one of the preceding claims, characterized in that the cathode is arranged to be axially displaceable,

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