Entstehung des Ionenstrahls

Das Plasma bildet sich in den Ionenquellen gemäß Bild 502 im Druckbereich von 10-2 bis 10-4 mbar aus. Ladungsträger – Ionen und Elektronen – sind im Plasma in etwa gleicher Zahl vorhanden, nach außen ist das Plasma als Ganzes neutral. Im Inneren des Plasmas herrscht aufgrund der Teilchendichte zwischen den Ladungsträgern eine enorme Feldstärke von 108 V/cm. Die am Extraktionsspalt angelegte Hochspannung ruft eine um Größenordnungen geringere Feldstärke hervor (Bild 601). Dieses Feld kann die Ionen nicht extrahieren. Ionen und Elektronen werden jedoch in eine Übergangsschicht abgegeben, mit der sich das Plasma umgibt.Neutralteilchen und Elektronen müssen ständig nachgeführt werden, um die aus dem Plasma austretenden Ladungsträger nachzuliefern.
Ionenstrahl 601
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Entstehung des Ionenstrahls in Plasmaquellen

In der Übergangsschicht (rot) nimmt die Ladungsträgerdichte und damit die Feldstärke zwischen den Ladungsträgern nach außen hin soweit ab, bis schließlich das Extraktionsfeld stark genug ist, um die Ionen von einer Potenzialfläche abzusammeln. Die Form dieser Potenzialfläche bildet sich im Wechselspiel von Plasma und Feldverteilung im Extraktionsspalt aus. Von dieser Emissionsfläche (grün) startet der Ionenstrahl. Er divergiert nach Durchlaufen eines Crossovers mit dem Öffnungswinkel.

Den erreichbare Ionenstrom I + bestimmen Plasmaparameter wie Ionendichte N+ und Elektronentemperatur Te sowie Parameter des Extraktionsspalts wie Spaltabstand d und Spannung U.

Der linke Teil von Bild 602 illustriert das Verhalten von emittierender Potenzialfläche und Öffnungswinkel des Ionenstrahls, wenn die Extraktionsspannung U über dem Spalt zwischen 28 und 10 kV verändert wird: bei hohen Spannungswerten ist die Potentialfläche stark gekrümmt, das Crossover befindet sich in kurzem Abstand vom Ionenextraktionsloch. Mit abnehmender Spannung durchläuft der Öffnungswinkel ein Minimum und der Ionenstrom nimmt ab.

Die Größe des Öffnungswinkels des Strahlkegels, den eine Anlage aufnehmen kann (Akzeptanzwinkel), ist durch die Quermaße von Linsen und Vakuumleitungen begrenzt und daher auch der nutzbare Ionenstrom.

Der Öffnungswinkel des Strahls ändert sich außer mit der Extraktionsspannung auch mit der Teilchensorte, d.h. mit dem Verhältnis A/q. Für Plasma-Ionenquellen hat der Zusammenhang zwischen Öffnungswinkel des Strahls und dem Ähnlichkeitsparameter p eine Form wie rechts in Bild 602 dargestellt. Dabei hängt p, wie in der Formel rechts angedeutet in definierter Weise von der Ionenart A/q und den Parametern des Extraktionsspalts ab.

Ionenextraktion 602
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Optimierung der Ionenextraktion

Dieser Zusammenhang erlaubt die experimentelle Strommaximierung einer Ionenstrahlanlage. Dazu kann man, wie im linken Teil des Bildes, den Öffnungswinkel des Strahls in Abhängigkeit von Strom und Spannung messen und den erlaubten Bereich für p aus dem Bereich des erlaubten Öffnungswinkels des Strahls bestimmen. Für andere Teilchenarten kann man dann aus dem zugelassenen Bereich für p den möglichen Bereich von Strom, Spannung und Extraktionsabstand rechnerisch unter Verwendung der angegebenen Formel bestimmen. Praktisch läuft die Maximierung darauf hinaus, den Extraktionsabstand der gewünschten Teilchenart anzupassen.

Zur experimentellen Optimierung der Ionenextraktion bzw. zur  Simulation der Strahlformierung an der Plasmagrenze s. Literaturverzeichnis [PiRaTy1970],  [Be1999].