DE69310132T2

DE69310132T2 - ION OPTICS SYSTEM FOR A GAS DISCHARGE ION SOURCE

Info

Publication number: DE69310132T2
Application number: DE69310132T
Authority: DE
Inventors: Vladimir Grantovich Grigoryan; Valeriy Ivanovich Minakov; Vladimir Alexeevich Obukhov; Petr Petrovich Ogadjanov
Original assignee: Societe Europeenne de Propulsion SEP SA
Current assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Priority date: 1992-08-24
Filing date: 1993-08-24
Publication date: 1997-10-30
Anticipated expiration: 2013-08-25
Also published as: KR940703073A; DE69310132D1

Description

TECHNICAL PART

Die vorliegende Erfindung betrifft den Bereich von Gasentladungsionenquellen, und betrifft genauer ein ionenoptisches System für eine Gasentladungsionenguelle und kann in Systemen zur Bildung intensiver Ionenbündel benutzt werden.The present invention relates to the field of gas discharge ion sources, and more particularly relates to an ion optical system for a gas discharge ion source and can be used in systems for forming intense ion bunches.

STATE OF THE ART

Man kennt ionenoptische Systeme für Gasentladungsionenquellen mit zwei (oder mehr) Elektroden, die durch Flansche und Gitter in Form flacher Scheiben mit Löchern gebildet sind (Kaufman, H.R. und Robinson, R.S., Minimum Hole Size in Ion Optics/J. Spacecraft and Rockets 1985, Bd. 22, Nr. 3, Seiten 381-382).Ion optical systems are known for gas discharge ion sources with two (or more) electrodes formed by flanges and grids in the form of flat disks with holes (Kaufman, H.R. and Robinson, R.S., Minimum Hole Size in Ion Optics/J. Spacecraft and Rockets 1985, Vol. 22, No. 3, pages 381-382).

Diese bekannten ionenoptischen Systeme, die von flachen Gittern mit koaxialen zylindrischen Öffnungen gebildet sind, verformen sich jedoch während des Betriebs unter Einwirkung von Wärmespannungen infolge der Erwärmung des Aufbaus, was die Koaxialität der Öffnungen beeinträchtigt und eine Anderung im Abstand zwischen den Gittern hervorruft (Abwandlung der geometrischen Parameter), was zu einer Anderung der Raumentladungskonstante einer jeden Elementaroptik und dann im Fall der Verringerung des Abstands zu einer Erhöhung der elektrostatischen Kräfte führen kann, die zu einer Berührung zwischen den Gittern und demnach zu einem Kurzschluß führen kann. Außerdem ist in der Praxis der Durchmesser von ebenen Ionenoptiken begrenzt auf 100 mm.However, these known ion-optical systems, formed by flat grids with coaxial cylindrical openings, deform during operation under the action of thermal stresses due to the heating of the structure, which affects the coaxiality of the openings and causes a change in the distance between the grids (modification of the geometric parameters), which can lead to a change in the space discharge constant of each elementary optic and then, in the case of a reduction in the distance, to an increase in the electrostatic forces which can lead to contact between the grids and therefore to a can lead to a short circuit. In practice, the diameter of flat ion optics is limited to 100 mm.

Eine bekannte Abhilfe, die für räumliche Ionenquellen angewandt wird, besteht darin, gewölbte (kugelige) Gitter zu benutzen, die gegenüber Wärmeverformungen und dem destabilisierenden Einfluß elektrostatischer Kräfte viel weniger empfindlich sind.A known remedy applied to spatial ion sources is to use curved (spherical) grids, which are much less sensitive to thermal deformations and the destabilizing influence of electrostatic forces.

Diese Technologie bietet jedoch den Nachteil dar, sehr kompliziert und besonders kostspielig zu sein.However, this technology has the disadvantage of being very complicated and particularly expensive.

Wenn man in einem ionenoptischen System herkömmliche Gitter mit runden, gebohrten Öffnungen verwendet, deren Achsen sich an den Scheiteln eines gleichseitigen Dreiecks befinden, dann wird die Transparenz δF des Gitters (das Verhältnis der gesamten Oberfläche der öffnungen mit dem Durchmesser (d) zur Gesamtoberfläche des Gitters) bestimmt durch eine bekannte Formel:If in an ion optical system one uses conventional gratings with round, drilled openings whose axes are located at the vertices of an equilateral triangle, then the transparency δF of the grating (the ratio of the total surface of the openings with the diameter (d) to the total surface of the grating) is determined by a well-known formula:

δF = 0,91 d²/(d+1)²δF = 0.91 d²/(d+1)²

Eine Erhöhung der Transparenz gestattet es, die Oberfläche, die die Ionenquelle ist, wirksamer zu nutzen; die Stromdichte durch das ionenoptische System hindurch verringert sich mit der Erhöhung des Öffnungsdurchmessers (d), und es ist wünschenswert, scheibenförmige Gitter mit kleinen Öffnungen und erhöhter Transparenz herzustellen. Hierzu ist es notwendig, daß die Dicke der Brücke 1 zwischen den Öffnungen mindestens 0,5 mm beträgt, was technologisch nicht einfach ist. Mit einer solchen Ausbildung mit runden öffnungen liegt die maximale Transparenz, die man für das Schirmgitter erzielen kann, in der Größenordnung von 0,67. Die Benutzung sechseckiger öffnungen erlaubt es indessen, diesen Maximalwert auf 0,7 zu bringen.Increasing transparency allows more effective use of the surface that is the ion source; the current density through the ion optical system decreases with increasing aperture diameter (d), and it is desirable to produce disk-shaped grids with small apertures and increased transparency. For this purpose, it is necessary that the thickness of the bridge 1 between the apertures is at least 0.5 mm, which is not technologically easy. With such a design with round apertures, the maximum transparency that can be achieved for the screen grid is of the order of 0.67. The Using hexagonal openings, however, allows this maximum value to be brought to 0.7.

Man kennt auch ein ionenoptisches System für eine Gasentladungsionenquelle mit einem Beschleunigungsgitter und einem Schirmgitter, die aus parallelen Drähten gebildet sind, die auf Rahmen mit Blattfedern befestigt sind und Austrittsschlitze bitden, sowie aus Isolatorgruppen, auf welchen die Rahmen angebracht sind (SU-A-472396).An ion-optical system for a gas-discharge ion source is also known, comprising an accelerating grid and a screen grid, which are formed from parallel wires, which are mounted on frames with leaf springs and form exit slots, as well as from insulator groups on which the frames are mounted (SU-A-472396).

Dank solcher Elektroden, die von Drahtrahmen gebildet sind, kann man in diesem System öffnungen mit kleinen Durchmessern verwenden, was eine erhöhte Transparenz des ionenoptischen Systems sicherstellt, die höher ist als 0,7.Thanks to such electrodes formed by wire frames, it is possible to use openings with small diameters in this system, which ensures increased transparency of the ion-optical system, higher than 0.7.

Man stellt außerdem bei dieser Art eines jonenoptischen Systems mit einem Abstand (Schlitz) zwischen den Gitterdrähten von 0,3 bis 0,5 mm eine mittlere Funktionsstabilität fest. Dies hängt mit den Schwierigkeiten der gegenseitigen Einstellung der Drähte des Schirm- oder Beschleunigungsgitters zusammen. Die Ungenauigkeit der Einstellung ruft das Einfangen von Ionen durch das Beschleunigungsgitter und dessen rasche Abnutzung hervor, was eine Funktionsstörung der Ionenguelle hervorruft.In addition, this type of ion-optical system with a distance (slit) between the grid wires of 0.3 to 0.5 mm has a medium level of stability. This is due to the difficulty of mutual adjustment of the wires of the screen or accelerating grid. The inaccuracy of the adjustment causes ions to be captured by the accelerating grid and its rapid wear, which causes a malfunction of the ion source.

DESCRIPTION OF THE INVENTION

Der Gegenstand der Erfindung ist es, ein ionenoptisches System für eine Gasentladungsionenquelle herzustellen, deren Aufbau es gestattet, eine konstante räumliche Lage der Elektrodendrähte während des Betriebs der Ionenquelle herzustellen und beizubehalten sowie die Funktionsstabilität des Systems bei gleichzeitiger Bewahrung einer erhöhten Transparenz zu verbessern.The object of the invention is to produce an ion-optical system for a gas discharge ion source, the structure of which allows a constant spatial position of the electrode wires to be established and maintained during operation of the ion source and to improve the functional stability of the system while at the same time maintaining increased transparency.

Für die Lösung dieses Problems ist ein ionenoptisches System für eine Gasentladungsionenquelle mit einem Schirmgitter und einem Beschleunigungsgitter, bestehend aus Rahmen und einem System von parallelen Drähten, die an den Rahmen mit Hilfe von Federn befestigt sind, wobei die Rahmen der Gitter über Gruppen von Isolatoren zusammengebaut sind, an denen sie befestigt sind, erfindungsgemäß mit einer Verschiebungsvorrichtung zum Einstellen der Drähte in jedem Gitter versehen, die Rollen umfaßt, die quer in bezug zu den Drähten in jedem Gitter angeordnet sind und Führungselemente bieten, wo die Drähte angeordnet sind, wobei die Rollen an den Rahmen der Gitter mit der Möglichkeit installiert sind, sich um ihre Achse zu drehen und ihre Position im Raum zusammen mit den Drähten zu verändern.To solve this problem, an ion-optical system for a gas-discharge ion source with a screen grid and an accelerating grid, consisting of frames and a system of parallel wires attached to the frames by means of springs, the frames of the grids being assembled via groups of insulators to which they are attached, is provided according to the invention with a displacement device for adjusting the wires in each grid, comprising rollers arranged transversely with respect to the wires in each grid and providing guide elements where the wires are arranged, the rollers being installed on the frames of the grids with the possibility of rotating about their axis and changing their position in space together with the wires.

Jede Rolle der Verschiebungsvorrichtung zur Einstellung der Drähte kann im Rahmen an einen Wellenstumpf gelenkig und durch einen gegenüberliegenden Wellenstumpf in einer exzentrischen Hülse im Rahmen angebracht sein, mit der Möglichkeit, sich um seine Achse zu drehen.Each roller of the displacement device for adjusting the wires can be articulated to a stub shaft in the frame and mounted through an opposite stub shaft in an eccentric sleeve in the frame, with the possibility of rotating about its axis.

Gemäß einer Ausführungsvariante dieser Verschiebungsvorrichtung ist jede Rolle durch zwei gegenüberliegende Wellenstümpfe in exzentrischen Hülsen angebracht, die in den Rahmen angeordnet sind, mit der Möglichkeit, sich um ihre Achse zu drehen, wobei einer der Wellenstümpfe einer jeden Rolle an der exzentrischen Hülse angelenkt ist. So ist es durch gleichzeitige Drehung der beiden Exzenter möglich, den zwischengitterabstand zu ändern, da ja die differentielle Drehung der Exzenter es gestattet, einen Koplanaritätsfehler zwischen den beiden Gittern zu beseitigen.According to a variant of this displacement device, each roller is mounted by two opposite shaft stubs in eccentric sleeves arranged in the frame, with the possibility of rotating about its axis, one of the shaft stubs of each roller being hinged to the eccentric sleeve. Thus, by simultaneously rotating the two eccentrics, it is possible to change the inter-grid distance, since the differential rotation of the eccentrics makes it possible to eliminate any coplanarity error between the two gratings.

Die Verschiebungsvorrichtung für die Einstellung der Drähte gestattet es in diesem System, die Drähte notwendigenfalls in jedem Gitter in einer genauen Teilung anzuordnen und sie mit einem vorgegebenen Abstand zwischen den Gittern zu befestigen, was es gestattet, die Geometrie der Schlitze und die Bewegungsbahn der aufgeladenen Partikel anzupassen. Die Möglichkeit von Regulierungsverstellungen der Drähte und die Benutzung von Federn gestatten es, während des Wiederaufheizens der Gitter beim Systembetrieb die Drähte in ihrer räumlichen Lage zu halten, was für einen vorgegebenen Bündelstrom das Einfangen von Ionen und die Gefahr des Durchschlagens zwischen den Gittern ausschließt.The shifting device for adjusting the wires in this system allows the wires to be moved if necessary to arrange them in each grid in a precise pitch and to fix them with a given distance between the grids, which allows to adjust the geometry of the slots and the trajectory of the charged particles. The possibility of adjusting the wires and the use of springs allow to keep the wires in their spatial position during the reheating of the grids during system operation, which excludes the capture of ions and the risk of breakdown between the grids for a given beam current.

Dies verbessert die Funktionsstabilität des Systems im allgemeinen, seine zuverlässigkeit und die Lebensdauer der Gitter.This improves the functional stability of the system in general, its reliability and the service life of the grids.

Die Rollen nehmen die Drähte in ihren Führungselementen auf und gestatten es, während der Bewegung der Rollen um ihre Achsen, eine gleichzeitige Verschiebung der Drähte zu bewirken, bis ihre Achsen in den beiden Gittern parallel werden.The rollers receive the wires in their guide elements and allow, as the rollers move around their axes, a simultaneous displacement of the wires until their axes become parallel in the two grids.

Dies gestattet es, eine Feineinstellung des Abstands zwischen den Gittern zu erreichen.This allows fine adjustment of the distance between the grids.

Erfindungsgemäß ist es zweckmäßig, die Führungselemente der Rollen in Form einer Gewindeausbildung herzustellen, dessen Ganghöhe gleich oder kleiner ist als die Teilung der Drähte im Gesamtverhältnis, was die zuverlässigste Einstellung der Lage der Drähte eines jeden Gitters garantiert.According to the invention, it is expedient to manufacture the guide elements of the rollers in the form of a thread, the pitch of which is equal to or smaller than the pitch of the wires in the overall ratio, which guarantees the most reliable adjustment of the position of the wires of each grid.

Es ist von Interesse, daß der Durchmesser der Drähte des Beschleunigungsgitters größer sein soll als der des Schirmgitters, was es gestattet, die Wahrscheinlichkeit des Durchtritts neutraler Partikel durch das ionenoptische System zu verringern und die Raumladungskonstante der Ionenoptik zu erhöhen. Die Partikel kehren nach Wechselwirkung mit dem Beschleunigungsgitter in die Gasentladung zurück, was im allgemeinen die Gaswirkung der Ionenquelle erhöht.It is interesting that the diameter of the wires of the acceleration grid should be larger than that of the screen grid, which allows to reduce the probability of neutral particles passing through the ion optical system and to increase the space charge constant of the ion optics The particles return to the gas discharge after interaction with the accelerating grid, which generally increases the gas effect of the ion source.

Desgleichen ist es ebenfalls von Interesse, die Drähte des Schirmgitters mit einer kleineren Teilung als die des Beschleunigungsgitters im Gesamtverhältnis anzuordnen; dies gestattet es, die Funktionsstabilität des ionenoptischen Systems dank der Stabilisierung der Plasmagrenze zu erhöhen.Likewise, it is also interesting to arrange the wires of the screen grid with a smaller pitch than that of the acceleration grid in the overall ratio; this allows to increase the operational stability of the ion optical system thanks to the stabilization of the plasma boundary.

Die Rollen des Schirmgitters können ein Profil haben, und zwar in Abschnitten, die den Teilungen der Drähte des Beschleunigungsgitters gleich sind; es nimmt etwa der Abstand zwischen den Sehnen des Schirmgitters und der Ebene der Anordnung der Drähte des Beschleunigungsgitters in jedem Abschnitt von den Rändern zu dessen Mitte zu.The rollers of the screen grid can have a profile in sections equal to the pitches of the wires of the acceleration grid; approximately the distance between the chords of the screen grid and the plane of the arrangement of the wires of the acceleration grid increases in each section from the edges to its center.

Dies gestattet es, den Divergenzwinkel des Ionenbündels zu steuern und die erforderlichen Grenzen mit erhöhter Genauigkeit aufrechzuerhalten.This allows the divergence angle of the ion beam to be controlled and the required boundaries to be maintained with increased accuracy.

Gemäß der vorliegenden Erfindung können die Gitterdrähte aus zwei koaxialen Abschnitten ausgeführt werden, deren äußerer Abschnitt in Form eines abnehmbaren Rohres ausgebildet ist, das mit einer Einstellung mit weicher Reibung auf ihrem inneren Abschnitt angebracht ist.According to the present invention, the grid wires can be made of two coaxial sections, the outer section of which is in the form of a removable tube mounted on its inner section with a soft friction adjustment.

Wenn die Drähte des Beschleunigungsgitters sich aus zwei koaxialen Abschnitten zusammensetzen, hat der innere Abschnitt eines jeden Drahtes bevorzugt einen Durchmesser, der gleich ist dem der Drähte des Schirmgitters. Dies gestattet es, die Lebensdauer der Gitterdrähte dank einer Zunahme im Materialvolumen zu erhöhen, das durch die Aufladeionen vor der Entladung während des Gebrauchs des Gitters zerstäubt wird. Das Konzept von Drähten, die zwei koaxiale Abschnitte aufweisen, gestattet es, die Befestigung und die Aufbringung von Spannung einzig und allein auf dem inneren Abschnitt der Drähte durchzuführen, während diese dagegen die gewünschte Gesamtdicke bieten. Dies vereinfacht die Anordnung der Befestigung von Drähten, verringert ihre Masse und ihren Raumbedarf und vergrößert den Bereich von nutzbaren Gittermaterialien.When the accelerator grid wires are made up of two coaxial sections, the inner section of each wire preferably has a diameter equal to that of the screen grid wires. This allows the life of the grid wires to be increased thanks to an increase in the volume of material generated by the charging ions before discharge during grid use. The concept of wires having two coaxial sections allows the fixing and application of tension to be carried out solely on the inner section of the wires, while they provide the desired overall thickness. This simplifies the arrangement of fixing wires, reduces their mass and space requirements, and increases the range of usable grid materials.

Es ist zweckmäßig, jeden Schirmgitterdraht durch drei oder mehr Drähte zu ersetzen, die entsprechend einem bestimmten geometrischen Muster angeordnet sind.It is convenient to replace each screen grid wire by three or more wires arranged according to a specific geometric pattern.

Erfindungsgemäß sind parallel zu den Rollen vorteilhafterweise Befestigungsfedern für die Gitterdrähte angebracht, die mindestens eine Reihe auf jeder Seite des Gitterrahmens bilden und die Blattfedern sind, deren Dicke der Teilung der Gitterfäden entspricht. Dies vereinfacht die Befestigung der Drähte mit Aufrechterhaltung der Parallelitäten ihrer Achsen und gestattet es, alle Gitterdrähte durch einen durchgehenden Draht herzustellen, was die Technologie des Aufbaus der Gitter vereinfacht.According to the invention, parallel to the rollers, advantageously, there are arranged fastening springs for the grid wires, which form at least one row on each side of the grid frame and which are leaf springs whose thickness corresponds to the pitch of the grid threads. This simplifies the fastening of the wires while maintaining the parallelism of their axes and allows all the grid wires to be made from a single continuous wire, which simplifies the technology of constructing the grids.

Gemäß einer Ausführungsvariante der Erfindung sind die Federn auf jedem Gitterrahmen in mehreren Reihen angeordnet, wobei die Federn benachbarter Reihen gegeneinander um einen mehrfachen Abstand der Drahtteilung der Rollen versetzt sind. Dies alles gestattet es, die Drähte mit einer minimalen, vorgegebenen Teilung ohne Beschränkung infolge des Raumbedarfs der Federn anzuordnen.According to a variant embodiment of the invention, the springs are arranged on each grid frame in several rows, the springs of adjacent rows being offset from each other by a distance multiple times the wire pitch of the rollers. All this allows the wires to be arranged with a minimal, predetermined pitch without any limitation due to the space required by the springs.

Das oben vorgeschlagene, ionenoptische System stellt einen zuverlässigen Betrieb der Entladungsionenguelle in einem Gas mit stabilen Parametern im Verlauf der Zeit sicher und verbessert die Lebensdauer der Gitter und des gesamten Systems im allgemeinen, sowie die Ergiebigkeit der Quelle.The ion-optical system proposed above ensures reliable operation of the discharge ion source in a gas with stable parameters over time and improves the service life of the grids and the entire system in general, as well as the yield of the source.

BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS

Die Erfindung wird durch eine detaillierte Beschreibung eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnungen noch besser verständlich, in denen:The invention will be better understood by a detailed description of an embodiment with reference to the drawings in which:

- Fig. 1 im Querschnitt ein erfindungsgemäßes, ionenoptisches System mit zwei Gittern darstellt;- Fig. 1 shows in cross section an ion optical system according to the invention with two gratings;

- Fig. 2 den Gegenstand der Fig. 1 längs des Pfeiles A darstellt;- Fig. 2 shows the object of Fig. 1 along the arrow A ;

- Fig. 3 eine Ausführungsvariante der Gitter zeigt, in der die Federn in zwei Reihen angeordnet sind;- Fig. 3 shows a variant of the grids in which the springs are arranged in two rows;

- Fig. 4 eine Ausführungseinzelheit der Rolle darstellt, wo die Rillen der Rolle durch eine Gewindeausbildung ersetzt sind,- Fig. 4 shows a detailed embodiment of the roller, where the grooves of the roller are replaced by a thread formation,

- Fig. 5 eine Anbringung der Rolle durch eine einfache Abdeckung darstellt,- Fig. 5 shows the attachment of the roller using a simple cover,

- Fig. 6 eine Anbringung der Rolle mit zugeordneten Sperrvorrichtungen in einem Exzenter darstellt,- Fig. 6 shows an attachment of the roller with associated locking devices in an eccentric,

- Fig. 7 eine Variante der Befestigung der Rollen in einem Gitterrahmen darstellt;- Fig. 7 shows a variant of the fastening of the rollers in a grid frame;

- Fig. 8 eine Anordnung aus Schirmgitter/Beschleunigungsgitter darstellt, die mit Rohren versehen ist, die auf den Drähten angebracht sind,- Fig. 8 shows a screen grid/acceleration grid arrangement provided with tubes mounted on the wires,

- Fig. 9 ein Beschleunigungsgitter darstellt, bei dem jeder Elementardraht durch mindestens drei Drähte ersetzt ist, und- Fig. 9 shows an acceleration grid in which each elementary wire is replaced by at least three wires and

- Fig. 10 ein Querschnitt X-X ist, der auf Fig. 8 und/ oder Fig. 9 zutrifft.- Fig. 10 is a cross section X-X corresponding to Fig. 8 and/or Fig. 9.

PREFERRED EMBODIMENT OF THE INVENTION

Das ionenoptische System für eine Gasentladungsionenquelle weist (Fig. 1) die folgenden Merkmale auf: ein Schirmgitter 1 und ein Beschleunigungsgitter 2, die jeweils aus Rahmen 3 und 4 sowie Systemen aus parallelen Drähten 5 und 6 und Isolatoren 7 gebildet sind, die mit Metallenden 8 versehen sind, an denen die Rahmen 3 und 4 des Gitters 1 bzw. 2 befestigt sind. Eine Vorrichtung 9 für die Verstellung zum Regulieren der Drähte in jedem der Gitter 1 und 2, die mit einem erforderlichen Abstand zueinander angebracht sind, stellt den Zwischengitterabstand 10 sicher.The ion-optical system for a gas-discharge ion source has (Fig. 1) the following features: a screen grid 1 and an accelerating grid 2, each formed by frames 3 and 4 and systems of parallel wires 5 and 6 and insulators 7 provided with metal ends 8 to which the frames 3 and 4 of the grids 1 and 2, respectively, are attached. An adjustment device 9 for regulating the wires in each of the grids 1 and 2, which are mounted at a required distance from each other, ensures the inter-grid spacing 10.

Die Ionen werden durch das Schirmgitter aus dem Plasma 129 abgezogen, das durch die Ionisierungskammer 128 gebildet ist.The ions are extracted by the screen grid from the plasma 129 formed by the ionization chamber 128.

Die Vorrichtung 9 zur Regulierverstellung der Drähte 5 und 6 der Elektroden 1 bzw. 2 weist Rollen 11 auf, die beispielsweise paarweise in jedem Gitter 1, 2 quer zu den Drähten 5 und 6 angeordnet sind, wie es in Fig. 2 gezeigt ist, wobei Führungselemente 12, beispielsweise Nuten (Fig. 1), auf der Außenoberfläche der Rollen 11 vorgesehen sind. Die Drähte 5, 6 der Gitter 1, 2 bilden in den Führungselementen 12 einen Durchlauf, die in Form von kreisförmigen Nuten 13 (Fig. 3) oder einer Gewindeausbildung 14 (Fig. 4) ausgeführt sind, deren Ganghöhe h gleich ist der Teilung h&sub1; der Drähte oder in einem ganzzahligen Verhältnis kleiner als diese Teilung, was es notwendigenfalis gestattet, die Drähte eines jeden Gitters 1 oder 2 in einer speziellen Teilung anzuordnen.The device 9 for regulating the wires 5 and 6 of the electrodes 1 and 2, respectively, comprises rollers 11, which are arranged, for example, in pairs in each grid 1, 2 transversely to the wires 5 and 6, as shown in Fig. 2, with guide elements 12, for example grooves (Fig. 1), being provided on the outer surface of the rollers 11. The wires 5, 6 of the grids 1, 2 form a passage in the guide elements 12, which are designed in the form of circular grooves 13 (Fig. 3) or a thread formation 14 (Fig. 4), the pitch h of which is equal to the pitch h1 of the wires or smaller in an integer ratio than this pitch, which allows the wires of each grid 1 or 2 to be arranged in a specific pitch if necessary.

Die Rollen 11 (Fig. 2) einer jeden Vorrichtung 9 sind im Rahmen 3, 4 eines jeden Gitters 1, 2 derart angeordnet, daß sie sich um ihre Achse 0-0 drehen können und ihre Lage im Raum zusammen mit den Drähten ändern können.The rollers 11 (Fig. 2) of each device 9 are arranged in the frame 3, 4 of each grid 1, 2 such that they can rotate around their axis 0-0 and change their position in space together with the wires.

Jede Rolle ist durch einen Wellenstumpf, der an der Stelle 15 gelenkig im entsprechenden Gitterrahmen 1 oder 2 (Fig. 5) gelagert ist, und durch einen gegenüberliegenden Wellenstumpf in einer exzentrischen Hülse 16 (Fig. 6) angebracht, die im Rahmen 3 oder 4 mit der Möglichkeit angeordnet ist, sich um ihre Achse 0&sub1;-0&sub1; zu drehen. Die Drehung der Rollen 11 um ihre Achse 0-0 und die der Hülsen um deren Achse 0&sub1;- 0&sub1; können durch alle Mittel bewirkt werden, beispielsweise mit Hilfe eines Schraubenziehers, wie punktiert gezeigt; zu diesem Zweck sind in der Mitte der Hülse 16 und am Ende 17 der Rolle 11 Rillen 18 vorgesehen. Die Festlegung der exzentrischen Hülse 16 und der Rolle 11 nach ihrer Drehung wird beispielsweise mit Hilfe eines Keils 19 bewirkt, der zwischen den Rahmen 3, 4 und die Hülse 16 eingeführt wird, sowie einen Keil 20, der zwischen die Hülse 16 und das Ende 17 der Rolle 11 eingeführt wird, wobei Gleitführungen im Körper von Rahmen und Hülse ausgebildet sind, um dort die Teile 19 und 20 anzuordnen.Each roller is mounted by a shaft stub articulated at point 15 in the corresponding lattice frame 1 or 2 (Fig. 5) and by an opposite shaft stub in an eccentric sleeve 16 (Fig. 6) arranged in the frame 3 or 4 with the possibility of rotating about its axis 0₁-0₁. The rotation of the rollers 11 about their axis 0-0 and that of the sleeves about their axis 0₁-0₁ can be effected by any means, for example by means of a screwdriver as shown in dotted lines; for this purpose, grooves 18 are provided in the middle of the sleeve 16 and at the end 17 of the roller 11. The fixing of the eccentric sleeve 16 and the roller 11 after their rotation is achieved, for example, by means of a wedge 19 inserted between the frame 3, 4 and the sleeve 16, and a wedge 20 inserted between the sleeve 16 and the end 17 of the roller 11, sliding guides being formed in the body of the frame and the sleeve in order to arrange the parts 19 and 20 there.

Gemäß einer Variante der Vorrichtung 9 ist jede ihrer Rollen 11 (Fig. 7) mit ihren Wellenstümpfen 17 in exzentrischen Hülsen 16 angeordnet, die in den Rahmen 3, 4 mit der Möglichkeit angeordnet sind, sich um ihre Achse zu drehen, wobei einer der Wellenstümpfe (in diesem Fall das Ende 17) einer jeden Rolle 11 an die exzentrische Hülse 16 durch Schwenkmittel 15 angekoppelt ist. Dieses gestattet es, eine Verlagerung der Rollen 11 im Raum vorzunehmen (und zwar die Verlagerung der Rollen auf der Schwenkoberfläche), und insbesondere den mittleren Abstand 10 und den Parallelitätsfehler zwischen den Gittern gesondert einzuregulieren.According to a variant of the device 9, each of its rollers 11 (Fig. 7) is arranged with its shaft stubs 17 in eccentric sleeves 16 arranged in the frames 3, 4 with the possibility of rotating about their axis, one of the shaft stubs (in this case the end 17) of each roller 11 being coupled to the eccentric sleeve 16 by means of pivoting means 15. This allows to carry out a displacement of the rollers 11 in space (namely the displacement of the rollers on the pivoting surface), and in particular to separately adjust the average distance 10 and the parallelism error between the grids.

Die Befestigung der Rollen 11 nach ihrer Drehung um die Achse und nach der der exzentrischen Hülse 16 wird, wie dies für die Ausführungsform der Fig. 6 beschrieben wurde, beispielsweise mit Keilen bewirkt (die in Fig. 7 nicht gezeigt sind).The fastening of the rollers 11 after their rotation about the axis and after that of the eccentric sleeve 16 is effected, as described for the embodiment of Fig. 6, for example with wedges (which are not shown in Fig. 7).

In Funktion des Benutzungsgebietes der vorgeschlagenen ionenoptischen Systeme sind die Drähte 5 des Schirmgitters 1 in einer Teilung h&sub2; angeordnet, die gleich ist der Teilung h&sub3; der Drähte 6 des Beschleunigungsgitters 2 (Fig. 8), oder in einer Teilung h&sub4;, die in einem Gesamtverhältnis kleiner ist als die Teilung h&sub5; der Drähte 6 des Beschleunigungsgitters 2 (Fig. 9), wobei diese letztgenannte Tatsache zum Ergebnis hat, daß ein und derselbe Schlitz des Beschleunigungsgitters 2 für Ionenstrahlen durchlässig ist, die aus mehreren Schlitzen des Schirmgitters 1 gebildet sind (aus dreien im Beispiel der Fig. 9). Die Drähte 6 des Beschleunigungsgitters 2 haben einen Durchmesser D, der größer ist als der Durchmesser D&sub1; der Drähte 5 des Schirmgitters 1, und zwar derart, daß dessen Transparenz größer sein soll als die Transparenz jenes, was sich in einer verbesserten Gaswirkung des Systems auswirkt, wobei die Transparenz des ionenoptischen Systems für Ionen in diesem Fall durch die Transparenz des Schirmgitters 1 und die Transparenz für Atome durch die Transparenz des Beschleunigungsgitters 2 bestimmt wird.Depending on the field of use of the proposed ion-optical systems, the wires 5 of the screen grid 1 are arranged at a pitch h2 equal to the pitch h3 of the wires 6 of the acceleration grid 2 (Fig. 8), or at a pitch h4 which is smaller in overall proportion than the pitch h5 of the wires 6 of the acceleration grid 2 (Fig. 9), the latter fact resulting in one and the same slot of the acceleration grid 2 being transparent to ion beams formed by several slots of the screen grid 1 (three in the example of Fig. 9). The wires 6 of the acceleration grid 2 have a diameter D which is larger than the diameter D1 the wires 5 of the screen grid 1, in such a way that its transparency should be greater than the transparency of that which results in an improved gas effect of the system, whereby the transparency of the ion-optical system for ions in this case is determined by the transparency of the screen grid 1 and the transparency for atoms by the transparency of the acceleration grid 2.

Im ionenoptischen System ist es, wenn der Abstand 10 zwischen den Gittern klein ist, beispielsweise kleiner als 1 mm, und die Ströme nahe den Grenzen liegen, schwierig, den Divergenzwinkel des Ionenbündels in den vorgegebenen Grenzen zu halten; die Rollen 11 der Vorrichtung 9, die im Schirmgitter 1 sitzen, haben einen variablen Durchmesser (siehe Fig. 9) über einen Abschnitt, der gleich ist der Teilung h&sub5; der Drähte 6 des Beschleunigungsgitters 2, wobei der Abstand l&sub1; zwischen dem Draht 5 des Schirmgitters 1 und der Ebene N-N, die die Drähte 6 des Beschleunigungsgitters 2 enthält, bis auf 14 größer wird, wenn man vom Rand zur Mitte des Abschnitts weiterläuft.In the ion optical system, when the distance 10 between the grids is small, for example less than 1 mm, and the currents are close to the limits, it is difficult to keep the divergence angle of the ion beam within the given limits; the rollers 11 of the device 9, which are located in the screen grid 1, have a variable diameter (see Fig. 9) over a section equal to the pitch h₅ of the wires 6 of the accelerating grid 2, where the distance l₁ between the wire 5 of the screen grid 1 and the plane NN containing the wires 6 of the acceleration grid 2 increases to 14 as one moves from the edge to the middle of the section.

Die Drähte 5 und 6 der Gitter 1 und 2 sind an Federn 21 befestigt (Fig. 1 und 2), die parallel zu den Rollen 11 der Vorrichtung ausgerichtet sind und in ein und derselben Reihe 22 längs jeder der gegenüberliegenden Seiten der Rahmen 3, 4 der Gitter 1, 2 angeordnet sind; wie es in Fig. 3 gezeigt ist, sind die Federn in den benachbarten Reihen zueinander um einen Abstand δ versetzt, der ein vielfaches der Teilung h&sub6; der Führungselemente 12 der Rollen 11 ist.The wires 5 and 6 of the grids 1 and 2 are attached to springs 21 (Figs. 1 and 2) aligned parallel to the rollers 11 of the device and arranged in one and the same row 22 along each of the opposite sides of the frames 3, 4 of the grids 1, 2; as shown in Fig. 3, the springs in the adjacent rows are offset from each other by a distance δ which is a multiple of the pitch h6 of the guide elements 12 of the rollers 11.

Jede Feder 21 ist in Form einer Blattfeder 24 ausgeführt, die mit ihrem Ende am Rahmen 3, 4 befestigt ist, mit seitlichen Nuten 25 zum Durchlaufen der Drähte, wobei die Breite einer Feder 24 ein Vielfaches der Teilung der Führungselemente 12 ist. Eine solche Ausbildung gestattet es, die Drähte mit einer vorgegebenen Teilung, die beispielsweise kleiner ist als 1 mm, anzuordnen und die Drähte der Gitter 1 und 2 durchgehend auszubilden.Each spring 21 is designed in the form of a leaf spring 24, which is attached at its end to the frame 3, 4, with lateral grooves 25 for the wires to pass through, the width of a spring 24 being a multiple of the pitch of the guide elements 12. Such a design makes it possible to arrange the wires with a predetermined pitch, which is, for example, less than 1 mm, and to make the wires of the grids 1 and 2 continuous.

Um die Belastung der Federn 21 zu verringern, sind die Gitter aus zwei koaxialen Abschnitten 26 und 27 ausgebildet (Fig. 8 bis 10), deren äußeres Teil 26 ein Rohr 28 (Fig. 10) bildet und mit einer Einstellung mit weicher Reibung auf dem Innenabschnitt 27 angebracht ist. Wenn einzig und allein die Drähte 6 des Beschleunigungsgitters 2 aus zwei koaxialen Abschnitten 26 und 27 ausgebildet sind, dann hat der innere Abschnitt 27 solcher Drähte einen Durchmesser, der gleich ist dem der Drähte 5 des Gitters 1. Diese Ausführungsweise der Gitterdrähte (besonders beim Beschleunigungsgitter) erzeugt die Möglichkeit, rasch den Abschnitt 26 zu ersetzen, der aufgrund der Erosion seines Materials während des Betriebs der Quelle abgenutzt und verringert ist, was es gestattet, die Lebensdauer der Gitterfäden durch Erhöhung ihrer Dicke zu erhöhen.In order to reduce the load on the springs 21, the grids are made of two coaxial sections 26 and 27 (Fig. 8 to 10), the outer part 26 of which forms a tube 28 (Fig. 10) and is mounted on the inner section 27 with a soft friction adjustment. If only the wires 6 of the acceleration grid 2 are made of two coaxial sections 26 and 27, then the inner section 27 of such wires has a diameter equal to that of the wires 5 of the grid 1. This design of the grid wires (especially in the acceleration grid) creates the possibility of quickly replacing the section 26 which has become worn due to the erosion of its material. is worn and reduced during operation of the source, which allows to increase the life of the grid threads by increasing their thickness.

Die Inbetriebnahme des hier vorgeschlagenen, ionenoptischen Systems wird auf herkömmliche Weise bewirkt: ein Potential, das der Energie der Ionen im Bündel entspricht, beispielsweise +2 kV, wird am Schirmgitter 1 (Fig. 1) angelegt und ein Potential von -0,2 bis -2 kV wird am Beschleunigungsgitter 2 angelegt, was notwendig ist, um eine Extraktions- Potentialdifferenz zu erzeugen. Das Ausgangsgitter (nicht dargestellt) ist normalerweise in Form eines ringförmigen Gitters oder eines Rahmens ausgebildet und ist an Masse gelegt. In der Entladungskammer der Quelle muß man das Plasmamaterial 129 in den Schlitzen des Schirmgitters 1 anlegen, wo die beschleunigten Ionen ihren Ausgang im ionenoptischen System nehmen. Unter Benutzung der Gitter aus den Drähten 5 und 6, die entsprechend den Figuren 8, 9 und 10 ausgebildet sind, und von Rollen 11, die gemäß Fig. 9 konzipiert sind, erzielt man die spezielle Transparenz für das Beschleunigungsgitter 2 und das Schirmgitter 1 und sorgt dafür, daß die Divergenz des Ionenstrahls die festgelegten Werte nicht verläßt. So ist es, indem man jeden Draht des Schirmgitters durch drei oder mehr Drähte ersetzt, die gemäß einem bestimmten geometrischen Muster angeordnet sind, möglich, auf eine genauere Weise gleichzeitig die Äquipotentialfläche in der Beschleunigungszone und die Begrenzung des Plasmas in der Ionisierungskammer festzulegen.The operation of the ion-optical system proposed here is carried out in a conventional manner: a potential corresponding to the energy of the ions in the bunch, for example +2 kV, is applied to the screen grid 1 (Fig. 1) and a potential of -0.2 to -2 kV is applied to the acceleration grid 2, which is necessary to create an extraction potential difference. The output grid (not shown) is normally in the form of an annular grid or frame and is connected to ground. In the discharge chamber of the source, the plasma material 129 must be applied in the slots of the screen grid 1, where the accelerated ions exit in the ion-optical system. By using the grids made of wires 5 and 6, designed according to Figures 8, 9 and 10, and rollers 11, designed according to Figure 9, the special transparency is achieved for the acceleration grid 2 and the screen grid 1 and it is ensured that the divergence of the ion beam does not leave the specified values. Thus, by replacing each wire of the screen grid with three or more wires arranged according to a certain geometric pattern, it is possible to simultaneously define in a more precise manner the equipotential surface in the acceleration zone and the boundary of the plasma in the ionization chamber.

Wenn es notwendig ist, eine spezielle Form der Oberfläche eines jeden Gitters auszubilden und die Drähte in Übereinstimmung zu bringen, dann führt man eine Regulierung der Einstellung der Lage der Drähte bei der Vorrichtung 9 durch.If it is necessary to form a special shape of the surface of each grid and to bring the wires into alignment, then the adjustment of the position of the wires is carried out using the device 9.

Die spezielle Form eines jeden Gitters kann durch Drehung der exzentrischen Hülsen 16 ausgebildet werden (Fig. 2), während der sich die Drähte in einer Richtung senkrecht zur Ebene des Rahmens verlagern. Die Befestigung der exzentrischen Hülsen 16 in einer neuen Lage wird mit den Keilen 19 bewirkt.The specific shape of each grid can be formed by rotating the eccentric sleeves 16 (Fig. 2), during which the wires are displaced in a direction perpendicular to the plane of the frame. The fastening of the eccentric sleeves 16 in a new position is effected by means of the wedges 19.

Die Übereinstimmung der Schlitze im Schirmgitter 1 und Beschleunigungsgitter 2 wird durch Drehung der Rollen 11 erreicht, wenn diese letztgenannten mit einer gewindeartigen Nut rund um ihre Achsen ausgebildet sind, während sich die Drähte in der Ebene eines jeden Gitters verlagern. Die Befestigung der Rollen in ihrer neuen Lage wird mit Hilfe der Keile 20 bewirkt.The alignment of the slots in the screen grid 1 and the acceleration grid 2 is achieved by rotating the rollers 11, when the latter are provided with a thread-like groove around their axes, while the wires are displaced in the plane of each grid. The fixing of the rollers in their new position is effected by means of the wedges 20.

Die Benutzung beispielsweise eines Kathetometers Km 6 garantiert die geometrische Genauigkeit der ionenoptischen Systemparameter auf beinahe ± 0,01 mm.The use of, for example, a Km 6 cathetometer guarantees the geometric accuracy of the ion-optical system parameters to almost ± 0.01 mm.

Die Möglichkeit zum Durchführen der erwähnten Einstellungen gestattet es, die Funktionsstabilität der Ionenquelle zu erhöhen, denn sie garantiert eine erhöhte Einstellgenauigkeit der Drähte zueinander in jedem Gitter und des angestrebten Wertes des Zwischengitterabstandes 10. Die gegenseitige Lage der Drähte wird während des Systembetriebs aufrechterhalten, was eine stabile und dauerhafte Funktion der Ionenguelle sicherstellt.The ability to perform the above-mentioned adjustments allows to increase the operational stability of the ion source, as it guarantees increased accuracy of adjustment of the wires relative to each other in each grid and the desired value of the inter-grid spacing 10. The relational position of the wires is maintained during the system operation, which ensures stable and long-term operation of the ion source.

Durch ihre hervorragenden Leistungen ist die erfindungsgemäße Drahtgitter-Ionenoptik bei einer weiten Vielfalt von Ionenguellen anwendbar, die die Gasionisierung durch eines der folgenden Verfahren nutzen:Due to its excellent performance, the wire grid ion optics of the invention are applicable to a wide variety of ion sources that utilize gas ionization by one of the following methods:

- Ionisierung durch Elektronenbeschuß (sogenannte Kaufman-Ionenquellen),- Ionization by electron bombardment (so-called Kaufman ion sources),

- Ionisierung durch ein HF-Feld (RIT-(Radiofrequency Ionisation Trusters)-Ionenguellen), oder auch noch- Ionization by an RF field (RIT (Radiofrequency Ionization Trusters) ion sources), or even

- Ionisierung durch zyklotronische, elektronische Resonanz (E.C.R.).- Ionization by cyclotronic electronic resonance (E.C.R.).

Dieses optische System ist besonders anwendbar bei:This optical system is particularly suitable for:

- dem Raumantrieb, wobei herkömmliche, gewölbte Gitter ersetzt werden, oder- the space drive, replacing conventional curved grilles, or

- industriellen Anwendungsfällen Gravieren von Mikroschaltungen, ionische Abtragung, Niederschlag durch Aufdampfen im Vakuum.- industrial applications: engraving of microcircuits, ionic erosion, deposition by vacuum vapor deposition.

Für diese industriellen Anwendungen bietet die Draht-Ionenoptik zwei wesentliche Vorteile:For these industrial applications, wire ion optics offers two major advantages:

- die Divergenz des Ionenbündels in einer Ebene parallel zu den Drähten ist sehr gering, was für die Gravuranwendungen von Interesse ist, und- the divergence of the ion bundle in a plane parallel to the wires is very low, which is of interest for engraving applications, and

- die Raumladungskonstante einer Drahtoptik ist sehr hoch, was es gestattet, bei einer gleichen Beschleunigungs- Istspannung eine höhere lonendichte abzuziehen, was für industrielle Anwendungen mit mittlerer Energie (500 eV) von Interesse ist.- the space charge constant of a wire optic is very high, which allows a higher ion density to be extracted at the same actual acceleration voltage, which is of interest for industrial applications with medium energy (500 eV).

Claims

1. Ion optical system for a gas discharge ion source with a screen grid (1) and an acceleration grid (2), each consisting of frames (3 and 4) and a system of parallel wires (5 and 6) which are attached to the frames (3 and 4) by means of springs (21), wherein the frames (3 and 4) of the grids (1 and 2) are assembled via insulators (7) to which they are attached,

characterized in that

it is provided with a displacement device (9) for adjusting the wires in each grid (1 and 2), which comprises rollers (11) arranged transversely with respect to the wires (5 and 6) in each grid (1 and 2) and providing guide elements (12) where the wires (5 and 6) are arranged, the rollers (11) being installed on the frames (3 and 4) of the grids (1 and 2) with the possibility of rotating around their axis and changing their position in space together with the wires (5 and 6).

2. Ion optical system according to claim 1, characterized in that each roller (11) is mounted via a stub shaft hinged to the frame and an opposite stub shaft installed in an eccentric sleeve (16) mounted in the frame so as to be rotatable about its axis.

3. Ion optical system according to claim 1, characterized in that each roller (11) is installed via its shaft stubs in eccentric sleeves (16) which are arranged in the frame so as to be rotatable about their axis, whereby one of the shaft stubs of each roller (11) is hinged to the eccentric sleeve (16).

4. Ion optical system according to claim 1, characterized in that the guide elements (12) of the rollers are designed in the form of a thread (14) whose pitch is equal to the distance between the wires or smaller by an integer factor.

5. Ion optical system according to claim 1, characterized in that the wires (6) of the acceleration grid (2) are designed with a larger diameter than those (5) of the screen grid (1).

6. Ion optical system according to claim 1, characterized in that the wires (5) of the screen grid (1) are arranged at a distance smaller by an integer factor than that of the wires (6) of the acceleration grid (2).

7. Ion optical system according to claim 1, characterized in that the rollers (11) installed on the screen grid (1) are profiled in sections equal to the spacing of the wires (6) of the acceleration grid (2) so that the distance between the wires (5) of the screen grid (1) and the installation plane of the wires (6) of the acceleration grid (2) increases in each section from its edges towards the center.

8. Ion optical system according to claim 7, characterized in that each of the wires (5) of the screen grid (1) is formed by at least three wires arranged according to a specific geometric pattern.

9. Ion optical system according to claim 5, characterized in that the wires (6) of the acceleration grid (2) are formed with two coaxial regions (26, 27), the outer region (26) being in the form of a removable tube (28) which is installed with a slight friction fit on the inner region (27).

10. Ion optical system according to claim 9, characterized in that the inner region (27) of each wire (6) of the acceleration grid (2) has a diameter equal to that of the wires (5) of the screen grid (1).

11. Ion optical system according to claim 1, characterized in that parallel to the rollers (11) the springs (21) for fastening the wires of the gratings (1 and 2) are arranged, installed in at least one row (22) on each side of the frame of the grating and designed in the form of leaf springs (24).

12. Ion optical system according to claim 11, characterized in that the springs (21) are arranged on each side of the frame of the grating in several rows (23), the springs of adjacent rows being displaced relative to one another by a distance which is equal to a multiple of the distance between the guide elements (12) of the rollers (11).