Ionenquelle zur Erzeugung negativ geladener Ionen

 

Bei der Erfindung handelt es sich um eine praktisch wartungsfreie Quelle zur Erzeugung von H-minus-Ionen. Die Wartungsfreiheit konnte durch den Verzicht auf das sonst übliche Cäsium und durch die externe Hochfrequenzheizung einer Keramikkammer für das Plasma erreicht werden.

Anwendungsgebiet

Anwendungsgebiet für diese leistungsfähige H-minus-Quelle ist typischerweise das Synchrotron sowie der Tandemgenerator. Auch eine Verwendung als H-minus-Quelle in der Wissenschaft (z.B. in der Halbleitertechnologie) ist sinnvoll. In Verbindung mit einem Tandemgenerator ist es möglich die Quelle als Durchleuchtungsgerät einzusetzen. Die Quelle kann auch vorteilhaft zur Erzeugung von positiven Ionen verwendet werden. Sie hat kein sich verschleißendes Filament und ermöglicht wegen der verwendeten Keramikkammer eine besonders saubere Ionenerzeugung. Sie kann so in der Oberflächenbeschichtung sowie in der Halbleiterherstellung eingesetzt werden.

Problemstellung

Bei bisherigen Ionenquellen für negative Teilchen wird stets Cäsium verwendet um eine Elektronengenerierung zu erreichen. Cäsium ist hygroskopisch, so dass bei einer Belüftung der Vakuumkammer Probleme mit der Versorgung entstehen. Auch ist die Handhabung von Cäsium, da es an Luft brennt, nur durch geschultes Personal möglich. Ein zuverlässiger Dauerbetrieb mit einer Hochfrequenzquelle mit interner Antenne im Plasma war nicht realisierbar.

Innovation

Im Gegensatz zu bisher verwendeten Hochfrequenz H-minus-Quellen werden bei der hier vorgestellten Quelle die Wandungen der Plasmakammer in Keramik ausgeführt. Die Heizung des Plasmas kann deshalb extern durch eine HF-Antenne erfolgen. Das Plasma wird durch ein multicusp Permanentmagnetfeld gehalten. Die Zündung der Quelle erfolgt mit einer Tandemquelle, die den erhöhten Druck in der Gaszufuhr nutzt. Hierdurch ist es möglich, ausreichend Elektronen zur Zündung zu erzeugen. Die Erzeugung der H-minus-Teilchen wird durch einen speziell entwickelten Konverter am Ausgang der Plasmakammer verstärkt. Dieser dient auch der Formung des extrahierten Strahls.

Vorteile

Die Ausbeute an H-minus-Teilchen ist wesentlicher höher und zuverlässiger als bei bisherigen Quellen dieses Typs. Es wurden ohne die Verwendung von Alkalimetallen Pulslängen von 3msec erreicht.
Auch sind mit dieser Quelle die höchsten H-minus-Ströme gemessen worden, die bislang ohne den Einsatz von Cäsium erzeugt wurden
Dies ist weltweit einmalig.
Zudem wurde die Zuverlässigkeit der Anordnung in mehrjährigen Tests geprüft. Die sonst übliche Wartung und Zerlegung der Quelle ist nicht mehr erforderlich.

Entwicklungsstand

Die Quelle ist für HERA jahrelang mit Strömen von etwa 40 mA betrieben worden. Die Hochfrequenzleistung kann preiswert durch einen bei DESY entwickelten Halbleitergenerator erzeugt werden.