Kaufman 離子源是最早出現、最基本的離子源,原理結構如圖1所示,陰極(Cathode)、陽極(Anode)、柵極(Grids)、放電室圓筒構成氣體放電室(Discharge Chamber),柵極構成離子光學系統。放電室筒外設置磁鐵,通過磁路使磁力線穿過放電室,磁力線從陽極向柵極方向發散并布滿柵極,柵極極靴收集磁力線回到磁鐵。

圖1 Kaufman 離子源工作原理

       陰極材料由電子發射性能較好的難熔金屬W或Ta構成,發射的原初電子密度由燈絲的溫度(即陰極電流)控制。熱陰極在陽極電場作用下發射電子,由于陽極前有磁力線橫過,陰極發射的絕大部分原初電子不能直接打到陽極,只有沿著磁力線可直達陽極的小部分原初電子和大量的低能、回旋半徑較大的麥氏電子才能被陽極吸收。原初電子被限制在陰極平面、與陽極直接相交的磁力線和屏柵圍成的邊界內,這個區域稱為原初電子區。陰極發射的原初電子可在此進行有效的電離過程,因此等離子體也基本限制在這個區域內。

      放電室中產生的離子向所有的邊界擴散,并且在等離子體與柵極附件形成弓形離子鞘,經柵極離子光學系統加速引出放電室形成離子束。

       Kaufman離子源具有較寬的工作狀態,在Ar作為工作氣體時,陰極燈絲具有較長壽命和較穩定的工作狀態。但是燈絲的消耗會對基片帶來污染,而使用氧氣和反應氣體時,兼容性差,燈絲壽命和穩定性會大大下降,同時產生的C、F 沉積構成的絕緣層會導致離子源不能正常工作。