DE1100188B

DE1100188B - Ion source

Info

Publication number: DE1100188B
Application number: DEC15041A
Authority: DE
Inventors: Alfred Lerbs
Original assignee: CSF Compagnie Generale de Telegraphie sans Fil SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 1956-06-22
Filing date: 1957-06-21
Publication date: 1961-02-23
Also published as: US2935634A; GB824728A

Description

DEUTSCHESGERMAN

Ionenquellen sind in der Technik bekannt, und die in der Technik am häufigsten verwendeten werden in der Literatur unter dem Namen »Quellen nach Dempster—Nier« geführt. In diesen bekannten lonenquellen entsteht die Ionisation durch den Zusammenstoß zwischen den Elektronen eines von einem magnetischen Feld fokussierten Strahles und den Molekülen eines Gases, das einen abgeschlossenen Raum erfüllt, der die Ionisationskammer bildet. Ein elektrisches Feld senkrecht zur Ausbreitungsrichtung der Elektronen ermöglicht die Abführung der Ionen.Ion sources are known in the art, and those most commonly used in the art are shown in in literature under the name "Sources after Dempster-Nier". In these well-known ion sources, the ionization is created by the collision between the electrons of one of one magnetic field focused beam and the molecules of a gas that make one closed Fulfills space that forms the ionization chamber. An electric field perpendicular to the direction of propagation The electrons allow the ions to be carried away.

In den Ionenquellen dieses Typs kann jedes Elektron nacheinander verschiedenen Gasmolekülen begegnen. Da ein solches Elektron mit jedem Zusammenstoß einen kleinen Teil seiner Energie verliert, haben die aus solchen Zusammenstößen hervorgehenden Ionen notwendigerweise verschiedene Geschwindigkeiten. In ion sources of this type, each electron can encounter different gas molecules one after the other. Since such an electron loses a small part of its energy with each collision, the ions resulting from such collisions necessarily have different velocities.

Bei der vorliegenden Ionenquelle, die aus einem mit dem zu ionisierenden Gas geringen Druckes gefüllten Ionisationsraum, in dem zwei an einer Potentialdifferenz liegende Elektroden zwecks Erzeugung eines senkrecht zu den Elektroden stehenden elektrischen Feldes angeordnet sind, einem Elektronenstrahlerzeugungssystem mit einer Auffanganode, einem magnetischen Feld, das sich senkrecht zu dem elektrischen Feld erstreckt, und einem gegenüber Kathodenpotential negativen Feld, das die erzeugten Ionen aus dem Ionisationsraum herauszieht, besteht, verläuft erfindungsgemäß der Elektronenstrahl senkrecht in dem elektrostatischen wie dem magnetischen Feld und nahe der ersten der beiden Elektroden, die das höhere Potential führt.In the case of the present ion source, the one filled with the low pressure gas to be ionized Ionization space in which two electrodes are at a potential difference for the purpose of generation an electric field perpendicular to the electrodes, an electron gun with a collecting anode, a magnetic field extending perpendicular to the electric field, and one opposite Cathode potential consists of a negative field that pulls the generated ions out of the ionization space, According to the invention, the electron beam runs perpendicularly in the electrostatic as well as the magnetic Field and close to the first of the two electrodes that carries the higher potential.

Mit der vorliegenden Ionenquelle sollen bei einfacher Konstruktion Ionen mit genau gleicher Geschwindigkeit erzielt werden. Die Erzielung eines Ionenstrahles, dessen Teilchen alle streng die gleiche Geschwindigkeit aufweisen, ist besonders wichtig für bestimmte Anwendungen, wie z. B. bei Beschleunigern, Massenspektographen oder Isotopentrennanlagen. With the present ion source, with a simple construction, ions should have exactly the same speed be achieved. Achieving an ion beam whose particles are all strictly the same Having speed is particularly important for certain applications, such as B. with accelerators, Mass spectographers or isotope separation systems.

Deshalb enthält die Ionenquelle elektronenoptische Mittel mit gekreuzten Feldern, die einen linearen Elektronenstrahl zu erzeugen gestatten, sowie einen Ionisationsraum mit gekreuzten Feldern, aus dem die Ionen durch einen Spalt in der negativen Elektrode abgeführt werden.Therefore, the ion source contains electron optical means with crossed fields, which have a linear Allow electron beam to be generated, as well as an ionization space with crossed fields from which the Ions are discharged through a gap in the negative electrode.

Gemäß einer Ausführungsform der Ionenquelle der vorliegenden Art enthält die Ionenquelle zweckmäßig zwei parallele Elektroden, die eben oder gekrümmt sein können und auf verschiedenen Potentialen liegen, so daß senkrecht zu ihnen ein elektrisches Feld besteht. Zusätzlich ist der Raum zwischen den beiden Elektroden einem senkrecht zu dem elektrischen Feld IonenquelleAccording to one embodiment of the ion source of the present type, the ion source expediently contains two parallel electrodes, which can be flat or curved and at different potentials, so that there is an electric field perpendicular to them. In addition, there is the space between the two Electrodes an ion source perpendicular to the electric field

Anmelder:Applicant:

Compagnie Generale de Telegraphie
sans FiI, ParisCompagnie Generale de Telegraphie
sans FiI, Paris

Vertreter: Dr. W. Müller-Bore, Patentanwalt,
Braunschweig, Am Bürgerpark 8Representative: Dr. W. Müller-Bore, patent attorney,
Braunschweig, Am Bürgerpark 8

Beanspruchte Priorität:
Frankreich vom 22. Juni 1956Claimed priority:
France 22 June 1956

Alfred Lerbs, Frankfurt/M.,
ist als Erfinder genannt wordenAlfred Lerbs, Frankfurt / M.,
has been named as the inventor

verlaufenden magnetischen Feld ausgesetzt. Eine elektronenemittierende Kathode und elektronenoptische Mittel ermöglichen die Erzeugung eines laminaren Elektronenstrahles, der senkrecht zu dem elektrostatischen und zum magnetischen Feld und nahe der Elektrode, die das höhere Potential führt, verläuft.exposed to a traveling magnetic field. An electron-emitting cathode and electron-optical Means allow the generation of a laminar electron beam that is perpendicular to the electrostatic and to the magnetic field and near the electrode carrying the higher potential.

Die Beträge der elektrischen und magnetischen Felder werden so ausgewählt und festgelegt, daß sich der Elektronenstrahl in dem genannten Raum parallel zu den beiden Elektroden und senkrecht zu den elekfrischen und magnetischen Feldern mit der gewünschten Geschwindigkeit ausbreitet, und so, daß die Linearität des Strahles im Zuge einer solchen Ausbreitung im wesentlichen aufrechterhalten bleibt. Die Elektrode mit dem niedrigeren Potential ist mit einem länglichen Spalt versehen, um den Ionenstrahl herausleiten und abführen zu können. Schließlich sind noch Mittel vorgesehen, um das zu ionisierende Gas in den Raum zwischen den beiden Elektroden einzulassen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Ionenquelle ist zweckmäßig der Ionisationsraum mit einer Hilfselektrode versehen, die möglicherweise eine Fortsetzung einer der Elektroden des elektronenoptischen Systems sein kann und die eine solche Form hat und auf einem solchen Potential liegt, daß sie gleichzeitig die Fokussierung der Elektronen und der Ionen günstig beeinflußt.The magnitudes of the electric and magnetic fields are selected and determined in such a way that the electron beam propagates in the space mentioned parallel to the two electrodes and perpendicular to the electric and magnetic fields at the desired speed, and so that the linearity of the beam in the course such spread is essentially maintained. The electrode with the lower potential is provided with an elongated gap so that the ion beam can be guided out and carried away. Finally, means are also provided for admitting the gas to be ionized into the space between the two electrodes.
According to a preferred embodiment of the present ion source, the ionization space is expediently provided with an auxiliary electrode, which can possibly be a continuation of one of the electrodes of the electron-optical system and which has such a shape and is at such a potential that it simultaneously focuses the electrons and the Ions favorably influenced.

Die Erfindung ist in der Zeichnung beispielsweise veranschaulicht und im nachstehenden im einzelnen an Hand der Zeichnung beschrieben.The invention is illustrated, for example, in the drawing and in the following in detail Hand outlined drawing.

109' 527/466109 '527/466

1 iOO1 iOO

Fig. 1 ist ein Schnitt längs der Linie I-I der Fig. 2 ' und zeigt eine Ionenquelle gemäß dem Stand der Technik;Fig. 1 is a section along line I-I of Fig. 2 ' and shows a prior art ion source;

Fig. 2 zeigt dieselbe Ionenquelle im Schnitt längs der Linie H-II der Fig. 1;Fig. 2 shows the same ion source in section along the line H-II of Fig. 1;

Fig. 3 ist ein Schnitt längs der Linie HI-III der Fig. 4 durch eine Ionenquelle gemäß der vorliegenden Erfindung;FIG. 3 is a section along the line HI-III of FIG. 4 through an ion source according to the present invention Invention;

Fig. 4 zeigt einen Schnitt längs der Linie IV-IV der Fig. 3;Fig. 4 shows a section along the line IV-IV of Fig. 3;

Fig. 5 ist ein Schnitt ähnlich dem der Fig. 4 durch eine andere Ausführungsform der Ionenquelle gemäß der Erfindung;FIG. 5 is a section similar to that of FIG. 4 through another embodiment of the ion source according to FIG the invention;

Fig. 6 ist ein Schnitt ähnlich dem der Fig. 4 und 5 und stellt eine weitere Ausführungsform der Ionen- *5 quelle gemäß der Erfindung dar;Fig. 6 is a section similar to that of Figs. 4 and 5 and shows another embodiment of the ion * 5 source according to the invention;

Fig. 7 ist eine Teilansicht und zeigt die Elektrode 21 der Fig. 6;Fig. 7 is a partial view showing the electrode 21 of Fig. 6;

Fig. 8 ist in kleinerem Maßstab ein Schnitt ähnlich -dem der Fig. 3 durch eine noch andere Ausführungsform der Ionenquelle gemäß der Erfindung;FIG. 8 is, on a smaller scale, a section similar to that of FIG. 3 through yet another embodiment the ion source according to the invention;

Fig. 9 ist ein Schnitt ähnlich Fig. 8 durch eine nochmals andere Ausführungsform der Ionenquelle gemäß der Erfindung;FIG. 9 is a section similar to FIG. 8 through yet another embodiment of the ion source according to the invention;

Fig. 10 zeigt einen Schnitt längs der Linie X-X der Fig. 11 durch eine weitere, abgewandelte Ausführungsform der Ionenquelle gemäß der Erfindung; schließlich ist10 shows a section along the line X-X in FIG. 11 through a further modified embodiment of the ion source according to the invention; in the end is

Fig. 11 ein Schnitt längs der Linie XI-XI der Fig. 10.11 shows a section along the line XI-XI in FIG. 10.

Nunmehr wird auf die Zeichnungen Bezug genommen. In ihnen sind für gleiche Teile in sämtlichen verschiedenen Ansichten gleiche Bezugsnummern verwendet. Reference is now made to the drawings. In them are equal parts in all Like reference numerals are used throughout different views.

Die Fig. 1 und 2 der Zeichnungen stellen eine Ionenquelle gemäß dem Stand der Technik dar, und zwar ■den bisher am häufigsten benutzten Typ, nämlich eine Ionenquelle nach Dempster—Nier. Es handelt sich um die schematische Darstellung einer Ionenquelle jener Art mit verschiedenen im Inneren einer (nicht gezeigten) Hülle angeordneten Elementen. In die Hülle wird ein Gas unter schwachem Druck, beispielsweise von der Größenordnung 10~~² mm Quecksilbersäule eingebracht.1 and 2 of the drawings illustrate a prior art ion source, namely the type most commonly used to date, namely a Dempster-Nier ion source. It is a schematic representation of an ion source of that type with various elements arranged inside a shell (not shown). A gas is introduced into the envelope under low pressure, for example of the order of magnitude of 10 ~ ² mm of mercury.

Im einzelnen bezeichnet die Bezugsnummer 1 eine Kathode, die einen Elektronenstrahl 2 emittiert. Die Elektrode 3 ist eine Fokussierungselektrode, während ■die Elektrode 4 eine Beschleunigungselektrode ist. Eine Sammelanode 5 ist gegenüber den Elektroden 3 und 4 angebracht, während eine Elektrode 6 vor der Anode 5 dazu dienen soll, die Sekundäremission von •der Anode 5, die möglicherweise den Betrieb der Ionenquelle stören konnte, zu unterdrücken. Die Elektroden 3, 4 und 6 weisen Öffnungen auf, die den Durchtritt eines im wesentlichen zylindrischen und linearen Elektronenstrahles gestatten.Specifically, the reference numeral 1 denotes a cathode which emits an electron beam 2. the Electrode 3 is a focusing electrode, while electrode 4 is an accelerating electrode. A collecting anode 5 is attached opposite the electrodes 3 and 4, while an electrode 6 in front of the Anode 5 is intended to reduce the secondary emission from • the anode 5, which may be the operation of the Ion source could interfere to suppress. The electrodes 3, 4 and 6 have openings that the Allow a substantially cylindrical and linear electron beam to pass through.

Die ebenen oder flachen Elektroden 7 und 8, die im wesentlichen senkrecht zu den obenerwähnten Elektroden angeordnet sind, begrenzen den Ionisationsraum. Sie ermöglichen die Herstellung eines für das Absaugen der Ionen geeigneten elektrischen Feldes in •diesem Ionisationsraum. Die Elektrode 9, die sich etwa parallel zu der Elektrode 8 erstreckt, gestattet den Aufbau eines elektrischen Feldes zwischen den beiden Elektroden 8 und 9, das den Ionenstrahl beschleunigt. Die Elektrode 7 ist mit einer Öffnung 10 für den Einlaß des zu ionisierenden Gases versehen. Die Elektroden 8 und 9 haben öffnungen 11 bzw. 12 für die Entnahme des Ionenstrahles. Ein magnetisches Feld B im Sinne der theoretischen Ausbreitungsrichtung des Elektronenstrahles 2 dient dazu, letzteren zu fokussieren. The planar or flat electrodes 7 and 8, which are arranged essentially perpendicular to the electrodes mentioned above, delimit the ionization space. They enable the creation of an electrical field suitable for the suction of the ions in this ionization space. The electrode 9, which extends approximately parallel to the electrode 8, allows an electric field to be built up between the two electrodes 8 and 9, which field accelerates the ion beam. The electrode 7 is provided with an opening 10 for the inlet of the gas to be ionized. The electrodes 8 and 9 have openings 11 and 12, respectively, for removing the ion beam. A magnetic field B in the sense of the theoretical direction of propagation of the electron beam 2 is used to focus the latter.

Die Arbeitsweise einer solchen Ionenquelle ist wie folgt;The operation of such an ion source is as follows;

Auf ihrem Wege durch den von den Elektroden 4, 7, 6 und 8 abgesteckten Ionisationsraum treffen die Elektronen auf Gasmoleküle auf, und es kommt dadurch zur Bildung positiver Ionen, die in Richtung des zwischen den Platten 7 und 8 bestehenden elektrischen Feldes transportiert werden. Die auf diese Weise erzeugten Ionen werden durch die Spalte 11 und 12 in Richtung auf das angeschlossene Nutzgerät abgeführt. On their way through the ionization space defined by electrodes 4, 7, 6 and 8, they meet Electrons on gas molecules, and this leads to the formation of positive ions, which are directed in the direction of the between the plates 7 and 8 existing electric field are transported. That way The ions generated are discharged through the gaps 11 and 12 in the direction of the connected utility device.

Die in den Fig. 1 und 2 gezeigte Ionenquelle weist zahlreiche Unzulänglichkeiten und Nachteile auf, unter anderem folgende:The ion source shown in FIGS. 1 and 2 has numerous shortcomings and disadvantages, including other:

1. Sie benötigt eine große Anzahl von Elektroden auf jeweils verschiedenem Potential.1. It requires a large number of electrodes, each with a different potential.

2. Die elektronenoptischen Mittel sind unzureichend. Messungen im Laboratorium, durchgeführt bei Abwesenheit des zu ionisierenden Gases, haben gezeigt, daß lediglich etwa 15°/σ der von der Kathode 1 emittierten Elektronen an der Anode 5 wiedergefunden werden können. Das weist darauf hin, welch ein beträchtlicher Teil der Elektronen letztlich verlorengeht.2. The electron optical means are insufficient. Measurements in the laboratory, carried out at Absence of the gas to be ionized have shown that only about 15 ° / σ of the Cathode 1 emitted electrons can be found again at the anode 5. That indicates what a considerable part of the electrons is ultimately lost.

3. Die kombinierte Wirkung der elektrischen und magnetischen Felder erteilt den Elektronen eine langsame schraubenförmige Bewegung mit einer bestimmten Querkomponente. Daher ergibt sich für den gesamten Strahl eine Tendenz, von seiner ursprünglichen Ausbreitungsrichtung abzuweichen, wodurch der Durchtritt der Elektronen durch die in der Platte 6 vorgesehene Öffnung problematisch wird. Gewöhnlich vermindert man die Bedeutung der schraubenförmigen Bewegung der Elektronen dadurch, daß man die Intensität des elektrischen Feldes zwischen den Platten 7 und 8 herabsetzt.3. The combined effect of the electric and magnetic fields gives the electrons a slow helical movement with a certain transverse component. Hence it arises for the entire beam a tendency of his original direction of propagation deviate, thereby allowing the passage of electrons due to the opening provided in the plate 6 becomes problematic. Usually one diminishes the importance of the helical motion of the electrons by looking at the intensity of the electric field between the plates 7 and 8 decreases.

4. Die Herabsetzung der Intensität des elektrischen Feldes aus den unter 3 genannten Gründen erhöht die nachteilige Wirkung des magnetischen Fokussierungsfeldes auf die Ionenbahnen. In der Tat werden die Ionenbahnen dadurch in Richtungen senkrecht zu den Spalten 11 und 12 gekrümmt, und anstatt durch die Spalte 11 und 12 hindurchzutreten, laufen die Ionen Gefahr, auf die Elektroden 8 und 9 aufzutreffen.4. The reduction in the intensity of the electric field is increased for the reasons mentioned under 3 the adverse effect of the magnetic focusing field on the ion trajectories. As a matter of fact the ion trajectories are thereby curved in directions perpendicular to the columns 11 and 12, and instead of passing through gaps 11 and 12, the ions run the risk of hitting the electrodes 8 and 9 apply.

5. Die schraubenförmige Bewegung des Strahles 2 ist, obgleich von geringer Amplitude, für die Tatsache verantwortlich, daß sich die Elektronen des Strahles nicht sämtlich auf dem gleichen Potential befinden und die erzeugten Ionen deshalb nicht die gleiche kinetische Energie aufweisen. Die erzeugten Ionen haben also nicht gleiche Geschwindigkeit. Es kommt noch hinzu, daß ein Elektron nacheinander verschiedene Ionisationen verursachen kann; da die Energie des Elektrons dabei mit jedem Zusammenstoß abnimmt, ist es auch deshalb nicht möglich, einen Strahl monokinetischer Ionen zu erhalten. 5. The helical movement of the beam 2, although of small amplitude, is for the fact responsible that the electrons in the beam are not all at the same potential and the generated ions therefore do not have the same kinetic energy. The ions generated do not have the same speed. There is also a Electron can cause different ionizations one after the other; there the energy of the electron decreases with each collision, it is therefore not possible to obtain a beam of monokinetic ions.

6. Das aus oben angedeuteten Gründen unerläßliche Vorhandensein der gegenüber der Anode 5 negativen Elektrode 6 ist im Betrieb der Ionenquelle eine Ursache für Instabilität.6. The indispensable presence of the negative compared to the anode 5 for the reasons indicated above Electrode 6 is a cause of instability during operation of the ion source.

Entsprechend dem Gesagten ist die Ausbeute bei der Ionenquelle nach Dempster·—Nier ausgesprochen schlecht, und die erzeugten Ionen haben unterschiedliche Geschwindigkeiten.In accordance with what has been said, the yield with the ion source is pronounced according to Dempster-Nier bad, and the generated ions have different speeds.

Gemäß der in Fig. 3 und 4 gezeigten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind drei Elektroden 20, 21 und 22 im wesentlichen zueinander parallel angeordnet. Die Elektrode 20 ist mit einer öffnung versehen, auf der ein röhrenförmiger Ansatz 23 aufsitzt. Die Elektroden 21 und 22 haben enge längliche Spalte 24 und 25, deren Achsen parallel sind und die in ein und derselben Symmetrieebene des Systems liegen. Die Elektrode 20 bildet mit der Anode 26 ein einheitliches Stück. Die Elektrode 21 setzt sich in einem kleinen Teil 27 fort, das mit der Elektrode 21 selbst etwa einen rechten Winkel bildet. Von dem Teil 27 geht, wiederum etwa rechtwinklig, ein weiteres Teil 28 aus. In diesem ist eine trogförmige Ausbuchtung 29 vorgesehen, deren Querschnitt aus Fig. 3 ersichtlich ist und längs deren sich eine Kathode 30 erstreckt, die einen in den Ionisationsraum eintretenden Elektronenstrahl 31 emittiert. Der Ionisationsraum selbst ist durch die Elektroden 20, 21 und 26 umrissen. Eine Elektrode 32, die als Beschleunigungs- und Fokussierungselektrode dient, ist in Verlängerung der Elektrode 20 vorgesehen, aber elektrisch von dieser isoliert und so angeordnet, daß sie der Elektrode 28 gegenübersteht. According to the embodiment of the present invention shown in FIGS. 3 and 4, there are three electrodes 20, 21 and 22 are arranged essentially parallel to one another. The electrode 20 is provided with an opening, on which a tubular extension 23 rests. The electrodes 21 and 22 have narrow elongated gaps 24 and 25, whose axes are parallel and which lie in one and the same plane of symmetry of the system. the Electrode 20 forms a unitary piece with anode 26. The electrode 21 settles in a little Part 27 continues, which forms approximately a right angle with the electrode 21 itself. From part 27 goes again approximately at right angles, another part 28 from. In this a trough-shaped bulge 29 is provided, the cross section of which can be seen in FIG. 3 and along which a cathode 30 extends, which an electron beam 31 entering the ionization space is emitted. The ionization space itself is outlined by electrodes 20, 21 and 26. An electrode 32, which acts as an accelerating and focusing electrode serves, is provided as an extension of the electrode 20, but is electrically isolated from this and arranged to face electrode 28.

Die Anordnung befindet sich in einer dichten Hülle. Eine Spannungsquelle 33 gestattet, die verschiedenen Elektroden auf den notwendigen Potentialen zu halten. Mit dem Potential der Kathode 30 als Bezugspotential liegen die Elektroden 20 und 26 auf einem positiven Potential von der Größenordnung einiger hundert Volt. Die Beschleunigungs- und Fokussierungselektrode 32 wird auf einem positiven Potential gehalten, das geringer als das der Elektroden 20 und 26 ist, aber von derselben Größenordnung. Die Elektroden 21,27 und 28, die alle untereinander verbunden sein können, werden auf ein Potential gelegt, das im wesentlichen dem Kathodenpotential gleich ist, während die Elektrode 22 stark negativ gehalten wird. Ein Magnet von irgendeiner geeigneten Konstruktion, der entweder ein Permanentmagnet oder ein Elektromagnet sein kann und dessen Polschuhe in Fig. 4 schematisch durch die Bezugsnummern 34 und 35 angedeutet sind, sorgt für ein magnetisches Feld B, das senkrecht sowohl zu dem elektrischen Feld steht, das auf Grund des Potentialunterschiedes zwischen den Elektroden 20 und 21 im Ionisationsraum vorhanden ist, als auch senkrecht zur Ausbreitungsrichtung des Elektronenstrahles 31, der zustande kommt, nachdem der emittierte Strahl unter der Einwirkung der elektrischen und magnetischen Felder in dem Raum zwischen den Elektroden 32 und 28 einen Halbbogen einer Zykloide beschrieben hat.The arrangement is in a tight envelope. A voltage source 33 allows the various electrodes to be kept at the necessary potentials. With the potential of the cathode 30 as a reference potential, the electrodes 20 and 26 are at a positive potential of the order of a few hundred volts. The accelerating and focusing electrode 32 is held at a positive potential which is less than that of electrodes 20 and 26, but of the same order of magnitude. The electrodes 21, 27 and 28, which can all be connected to one another, are placed at a potential which is essentially the same as the cathode potential, while the electrode 22 is kept strongly negative. A magnet of any suitable construction, either a permanent magnet or an electromagnet can be and its pole pieces in Fig. 4 are schematically indicated by the reference numbers 34 and 35, provides for a magnetic field B which is perpendicular to both the electric field due to the potential difference between the electrodes 20 and 21 in the ionization space, as well as perpendicular to the direction of propagation of the electron beam 31, which comes about after the emitted beam under the action of the electric and magnetic fields in the space between the electrodes 32 and 28 Has described semicircle of a cycloid.

Durch die Potentiale der Elektroden 27, 28 und 32 werden die notwendigen elektronenoptischen Felder der Ionenquelle gebildet.The necessary electron-optical fields are created by the potentials of the electrodes 27, 28 and 32 formed by the ion source.

Es ist bekannt, daß Elektronen sich auf zylindrischen Bahnen bewegen, wenn sie sich in einem Raum ausbreiten, in dem einander schneidende oder kreuzende elektrische und magnetische Felder vorhanden sind. Die Geschwindigkeit ihrer Driftbewegung istIt is known that electrons move in cylindrical orbits when they are in space spread, in which intersecting or crossing electric and magnetic fields exist are. The speed of their drifting movement is

dabei V₀ = -=, d.h., sie ist proportional dem Verhältniswhere V ₀ = - =, that is, it is proportional to the ratio

der Intensität des elektrischen zu der Intensität des magnetischen Feldes. Es ist ferner bekannt, daß die Form der Elektronenbahnen und damit die Amplitude der relativen Bewegung von der Geschwindigkeit und der Richtung abhängt, mit denen die Elektronen in ■den von den homogenen elektrischen und magnetischen Feldern erfüllten Raum eintreten. Wenn insbesondere •die Elektronen des Strahles an dem Punkte 36 mit einer Geschwindigkeit V₀ = — und unter senkrechterthe intensity of the electric to the intensity of the magnetic field. It is also known that the shape of the electron trajectories and thus the amplitude of the relative movement depends on the speed and the direction with which the electrons enter the space filled by the homogeneous electric and magnetic fields. If in particular • the electrons of the beam at the point 36 with a velocity V ₀ = - and below perpendicular

Richtung sowohl zum magnetischen Feld B als auch zum elektrischen Feld E ankommen, ist die Amplitude der relativen Bewegung des laminaren Elektronenstrahles 31 Null. Das bedeutet also, daß sich unter diesen Bedingungen eine Bahn ergibt, die völlig eben ist und parallel zu der Elektrode 20 im lonisationsraum verläuft.Arriving direction both to the magnetic field B and to the electric field E , the amplitude of the relative movement of the laminar electron beam 31 is zero. This means that under these conditions a path results which is completely flat and runs parallel to the electrode 20 in the ionization space.

ίο Die Spannungen der Elektroden 28 und 32 werden vorher in einer Weise festgelegt, daß diese Bedingungen erfüllt werden.ίο The voltages of electrodes 28 and 32 are determined beforehand in such a way that these conditions are met.

Die Lage der linearen Elektronenbahn wie auch die Lage des Punktes 36 zwischen den Elektroden 20 und 21 werden durch die folgende Beziehung bestimmt:The position of the linear electron path as well as the position of the point 36 between the electrodes 20 and 21 are determined by the following relationship:

B = 1,68 B = 1.68

Hierin ist B in Gauß einzusetzen, V in Volt und D Here, B is to be inserted in Gauss, V in volts and D

so und d in Zentimeter. Die Abstände D und d sind in Fig. 3 eingezeichnet, D ist der Abstand zwischen der positiven Elektrode 20 und der Äquipotentiallinie Null, die mit der Elektrode 21 zusammenfällt, wenn diese auf dem Potential der Kathode 30 liegt, wie es hier der Fall ist. V ist das Potential der Elektrode 20 gegenüber der Kathode und d ist der Abstand des Strahles 31 von der Elektrode 20. Das Potential der Äquipotentiallinie des Ionisationsraumes, längs deren sich der Elektronenstrahl ausbreitet, ist durch die folgende Gleichung gegeben:so and d in centimeters. The distances D and d are shown in Fig. 3, D is the distance between the positive electrode 20 and the equipotential line zero, which coincides with the electrode 21 when this is at the potential of the cathode 30, as is the case here. V is the potential of the electrode 20 with respect to the cathode and d is the distance between the beam 31 and the electrode 20. The potential of the equipotential line of the ionization space, along which the electron beam propagates, is given by the following equation:

1-.Ä-1-.Ä-

■ V.■ V.

Zweckmäßig wird das Verhältnis -— relativ kleinThe ratio is expediently relatively small

gwählt, z. B. zu einem Betrag von weniger als 0,5. Die Werte des elektrischen und magnetischen Feldes und die Spannung der Elektrode 32 werden daraufhin so in Rechnung gesetzt, daß sich ein laminarer Elektronenstrahl ergibt, der den lonisationsraum parallel zu der Elektrode 20 genau im Abstand d von dieser und mit der in der Ebene 36 erreichten Geschwindigkeit durchsetzt. Wie an anderer Stelle bemerkt, ist der Wert des magnetischen Feldes nicht irgendein beliebiger Wert. Er wird durch die Gleichung (1) geliefert, wenn die Intensität des elektrischen Feldes und der Abstand d zwischen dem Elektronenstrahl und der positiven Elektrode vorher festgelegt sind. Es versteht sich natürlich von selbst, daß der Wert des magnetischen Feldes B auch vorher festgelegt werden kann. In diesem Falle wird der Wert des elektrischen Feldes so eingeregelt, daß man den gewünschten Abstand d erhält.selected, e.g. B. to an amount less than 0.5. The values of the electric and magnetic field and the voltage of the electrode 32 are then taken into account in such a way that a laminar electron beam is produced which traverses the ionization space parallel to the electrode 20 exactly at a distance d therefrom and at the speed reached in the plane 36 interspersed. As noted elsewhere, the value of the magnetic field is not just any arbitrary value. It is given by the equation (1) when the intensity of the electric field and the distance d between the electron beam and the positive electrode are predetermined. It goes without saying, of course, that the value of the magnetic field B can also be determined beforehand. In this case, the value of the electric field is adjusted so that the desired distance d is obtained.

Charakteristische Werte, die experimentell ermittelt wurden und hier lediglich zum Zwecke der Erläuterung wiedergegeben sind, sind die folgenden:Characteristic values determined experimentally and are reproduced here for illustrative purposes only, are the following:

V = V = 150VoIt150VoIt B =B = 53 Gauß,53 Gauss, D =D = 0,5 cm,0.5 cm, d = d = 0,20 cm,0.20 cm, V_n =V _n = 90 Volt.90 volts.

Je höher der Wert des elektrischen Feldes ist, desto mehr werden die Ionen beschleunigt und desto schneller werden sie aus dem lonisationsraum herausgezogen. Die Wirkungsweise der Ionenquelle der vorliegenden Art, wie sie in den Fig. 3 und 4 dargestellt ist, ist die folgende:The higher the value of the electric field, the more the ions are accelerated and the faster they are pulled out of the ionization room. The mode of operation of the ion source of the present The manner shown in Figures 3 and 4 is as follows:

Das zu ionisierende Gas wird unter schwachem Druck durch den röhrenförmigen Stutzen 23 in denThe gas to be ionized is under low pressure through the tubular connector 23 into the

Ionisationsraum eingeführt. Die durch den Zusammenstoß mit den Elektronen ionisierten Moleküle werden durch das elektrische Feld, speziell durch jenes, das zwischen den Elektroden 21 und 22 besteht, beschleunigt, und ein Ionenstrahl wird in dem unterhalb der Elektrode 22 angeordneten Nutz- oder Arbeitsraum 37 aufgefangen, nachdem er durch die Spalte 24 und 25 der Elektroden 21 bzw. 22 hindurchgetreten ist.Ionization space introduced. The molecules become ionized by the collision with the electrons accelerated by the electric field, especially by that which exists between electrodes 21 and 22, and an ion beam is generated in the useful or working space 37 arranged below the electrode 22 collected after it has passed through the gaps 24 and 25 of the electrodes 21 and 22, respectively.

Das magnetische Feld ist senkrecht zu der Richtung des Elektronenstrahles.'Sein Betrag wird, wie oben erläutert, so gewählt, daß die Bahn des Strahles auf einen gewünschten Abstand d von der Elektrode 20 zu liegen kommt, der relativ klein ist. Es ist ganz offensichtlich, daß ein solcher Zustand nur dann streng verwirklicht werden kann, wenn der laminare Strahl keine zu große Dicke hat. Dies ist der Grund, warum ein linienförmiger (linearer) Heizfaden verwendet wird, der sich über die ganze in Fig. 3 erscheinende Abmessung der Elektrode 28 erstreckt, aber lediglich einen kleinen Querschnitt 30 hat, wie er in Fig. 3 gezeigt ist. Wenn eine Kathode benutzt würde, die in Richtung parallel zur Elektrode 28, gemessen in Fig. 3, genügende Ausdehnung hat, könnte die oben in Gleichung (1) formulierte Bedingung nur für einen Teil der von der Kathode emittierten Elektronen verwirklicht werden, beispielsweise für die von dem mittleren Teil der Kathode emittierten Elektronen. Für Elektronen, die von außenliegenden Teilen der Kathode ausgehen, könnte diese Bedingung indessen nicht mehr realisiert werden. Es würden sich zykloidische, in einer Ebene pendelnde Elektronenbahnen ergeben.The magnetic field is perpendicular to the direction of the electron beam. As explained above, its magnitude is chosen so that the path of the beam comes to lie at a desired distance d from the electrode 20, which is relatively small. It is quite obvious that such a state can only be strictly realized if the laminar jet is not too thick. This is the reason why a line-shaped (linear) filament is used which extends over the entire dimension of the electrode 28 which appears in FIG. 3, but has only a small cross section 30, as is shown in FIG. If a cathode were used which had sufficient extension in the direction parallel to the electrode 28, measured in FIG electrons emitted from the central part of the cathode. For electrons emanating from external parts of the cathode, however, this condition could no longer be realized. Cycloidal electron paths oscillating in one plane would result.

Die Theorie, durch Experiemente bestätigt, weist auf vielfältige Vorteile hin, die die vorliegende Anordnung gegenüber einer Ionenquelle nach Dempster—Nier bietet. Nur einnige wenige seien nachstehend genannt.The theory, confirmed by experiments, indicates many advantages that the present arrangement compared to an ion source according to Dempster-Nier offers. Only a few are mentioned below.

a) Die Elektronenbann 31 durchsetzt den Ionisierungsraum parallel zu der positiven Elektrode 20 und in unmittelbarer Nachbarschaft derselben. Heraus ergibt sich folgendes: Alle erzeugten Ionen treten durch den Spalt 24 mit gleicher Geschwindigkeit hindurch.a) The electron spell 31 penetrates the ionization space parallel to the positive electrode 20 and in the immediate vicinity thereof. The result is the following: All ions generated pass through the gap 24 through at the same speed.

Ein Elektron, das infolge Zusammenstoßes mit einem Gasmolekül an einem Ionisationsvorgang Teil hat, verliert einen Teil seiner Energie. Seine Geschwindigkeit wird dadurch herabgesetzt, und es befindet sich dann nicht mehr auf der elektrischen Äquipotentiallinie, die einer geradlinigen Bahn entsprechen würde. Die geradlinig gedachte Bezugsbahn des Elektrons ist gegen die Anode 20 hin um einen Wert verschoben, der proportional der Energie ist, die das Elektron verloren hat. Es beginnt darauf sofort eine zykloidische Bahn und wird, da es sich in der Nähe der positiven Elektrode 20 befindet, mit größter Wahrscheinlichkeit von dieser eingefangen werden, ohne Zeit gehabt zu haben, ein zweites Gasmolekül zu ionisieren. Dasselbe gilt um so mehr für die bei der Ionisation freigesetzten Elektronen. Man kann daher mit einem stärkeren Strom arbeiten, ohne die Stabilität des Entladungsphänomens zu vermindern. An electron that takes part in an ionization process as a result of a collision with a gas molecule Part loses part of its energy. Its speed is thereby reduced, and it is then no longer on the electrical equipotential line, that of a straight line Bahn would correspond. The linear reference path of the electron is towards the anode 20 shifted towards a value that is proportional to the energy that the electron has lost. It A cycloidal path immediately begins and, as it is close to the positive electrode 20 are most likely to be caught by them without having had time having to ionize a second gas molecule. The same is all the more true for those in ionization released electrons. You can therefore work with a stronger current without the To reduce the stability of the discharge phenomenon.

Die Nähe der Anode 20 zu der Elektronenbahn 31 erleichtert die Einregelung und Einstellung der elektronenoptischen Felder sehr. Es genügt, für diese Einstellung die Anode 26 von der Anode 20 zu trennen und bei Abwesenheit von Ionisation den größten Strom aufzusuchen.The proximity of the anode 20 to the electron path 31 facilitates adjustment and adjustment of the electron-optical fields very much. It is sufficient for this setting to remove the anode 26 from the anode 20 and seek the largest current in the absence of ionization.

b) Die Anzahl der auf verschiedenen Potentialen liegenden Elektroden ist vermindert.b) The number of electrodes at different potentials is reduced.

c) Das magnetische Feld wirkt nach wie vor auf die Ionenbahnen ein, indem es sie krümmt, aber:
die Intensität des magnetischen Feldes ist gegenüber jenem Wert, den sie notwendigerweise in einer Elektronenquelle nach Dempster—Nier würde haben müssen, wo gewöhnlich magnetische Induktionen zwischen 150 und 250 Gauß verwendet werden, erheblich herabgesetzt, beispielsweise auf etwa 50 Gauß. Der Einfluß des magnetischen Feldes ist daher in der vorliegenden Ionenquelle weniger bemerkbar. Das ist um so mehr der Fall, als das elektrische Feld eine relativ viel größere Intensität hat als in einer Ionenquelle nach Dempster—Nier.
Da das magnetische Feld senkrecht zu der Ebene der Fig. 3 gerichtet ist, krümmt es die Ionenbahnen in der Ebene dieser Figur, d. h. parallel zu den Spalten 24 und 25 und nicht senkrecht zu diesen, also derart, daß die Ionen nach wie vor durch die Spalte hindurchtreten können, ohne Gefahr zu laufen, von den Elektroden 21 und 22 eingefangen zu werden. Der Effekt ist überdies weniger ausgeprägt, und der Massenunterschied, der aus ihm resultiert, ist praktisch vernachlässigbar. c) The magnetic field still acts on the ion trajectories by bending them, but:
the intensity of the magnetic field is considerably lower than that which it would necessarily have to have in a Dempster-Nier electron source, where magnetic inductions between 150 and 250 Gauss are usually used, for example to about 50 Gauss. The influence of the magnetic field is therefore less noticeable in the present ion source. This is all the more the case as the electric field has a relatively much greater intensity than in an ion source according to Dempster-Nier.
Since the magnetic field is directed perpendicular to the plane of FIG. 3, it curves the ion trajectories in the plane of this figure, ie parallel to the columns 24 and 25 and not perpendicular to them, so in such a way that the ions continue to pass through the Gaps can pass through without running the risk of being trapped by the electrodes 21 and 22. Moreover, the effect is less pronounced and the difference in mass that results from it is practically negligible.

d) Da der Elektronenstrahl 31 relativ dünn ist, können alle Elektronen, die in dem Strahl vorhanden sind, genau die gleiche Geschwindigkeit haben.d) Since the electron beam 31 is relatively thin, all electrons that are present in the beam can be are at exactly the same speed.

e) Das elektrische Feld hat gegenüber dem magnetischen Feld eine Intensität, die beträchtlich größer ist als in einer Ionenquelle nach D^mp s ter— Nier. Die Entnahme und Abführung der Ionen wird dadurch erleichtert und der Einfluß des magnetischen Feldes auf die Ionenbahnen verringert. e) The intensity of the electric field is considerably greater than that of the magnetic field is than in an ion source after D ^ mp s ter— Kidney. The removal and discharge of the ions is facilitated and the influence of the magnetic field on the ion trajectories.

f) Die Gefahr einer von der Anode ausgehenden Sekundäremission ist nicht mehr vorhanden, da die Anode mit der positiven Elektrode der Röhre vereinigt ist. Als Folge davon ist die Betriebsstabilität der Vorrichtung wesentlich erhöht. f) There is no longer any risk of secondary emissions emanating from the anode, since the anode is associated with the positive electrode of the tube. As a result, the operational stability of the device is significantly increased.

Schließlich bietet die vorliegende Ionenquelle noch die folgenden Vorteile:Finally, the present ion source offers the following advantages:

Bedeutende Ionsationsrate, das ist ein großes Verhältnis der Anzahl der erzeugten Ionen zu der Anzahl der pro Zeiteinheit verbrauchten Gasmoleküle. Daraus ergibt sich ein geringer Verbrauch an zu ionisierendem Gas;Significant rate of ionization, that is a large ratio of the number of ions generated to the Number of gas molecules consumed per unit of time. This results in lower consumption of gas to be ionized;

Hohe elektrische Ausbeute. Diese ist definiert als das Verhältnis der Intensität des Ionenstrahles zu der der Quelle zugeführten Leistung. Alle von der Kathode emittierten Elektronen erreichen den Ionisationsraum;High electrical output. This is defined as the ratio of the intensity of the ion beam to the power supplied to the source. All electrons emitted by the cathode reach the Ionization room;

Geringe Streuung der Ionengeschwindigkeiten auf Grund der geradlinigen Elektronenbahnen;
Einfache Herstellung;
Große Stabilität im Betrieb und
.Steigerung der Pumpgeschwindigkeit als Ergebnis des erstgenannten Punktes.
Die Fig. 3 und 4 stellen lediglich eine Ausführungsform der Ionenquelle gemäß der Erfindung dar. Die anderen Figuren, die nachstehend ausführlicher beschrieben werden, zeigen verschiedene Verbesserungen der vorstehend beschriebenen Kombination in Gestalt von Anordnungen und Formgebungen, die an den Elektroden des -Systems zusätzlich angebracht werden können und die in der Lage sind, die bemerkenswerten obenerwähnten Eigenschaften noch weiter zu steigern. Fig. 5, die Ansicht eines Schnittes ähnlich Fig. 4, zeigt gegenüber Fig. 4 eine Verbesserung, die darinLow spread of the ion velocities due to the straight electron trajectories;
Easy to manufacture;
Great stability in operation and
. Increase in pumping speed as a result of the first point mentioned.
3 and 4 show only one embodiment of the ion source according to the invention. The other figures, which are described in more detail below, show various improvements of the combination described above in the form of arrangements and shapes which are additionally attached to the electrodes of the system and which are able to further enhance the remarkable properties mentioned above. FIG. 5, a view of a section similar to FIG. 4, shows an improvement over FIG. 4, which therein

besteht, die Elektrode 21 mit Seitenteilen 38 und 39 auszurüsten. Die Äquipotentiallinien des elektrischen Feldes in den Räumen 20-21 und 21-22 sind in dieser Figur gestrichelt eingezeichnet. Die genannten Räume liegen zwischen den Elektroden 20 und 21 bzw. 21 und 22. Aus Fig. 5 geht ganz klar hervor, daß das Vorhandensin der Seitenteile 38 und 39 bei jeweils richtigen Polaritäten der verschiedenen Elektroden in dieser Ausführungsform die Fokussierung der Elektronen in dem Raum 20-21 und die Fokussierung der Ionen in dem Raum 21-22 begünstigt.consists of equipping the electrode 21 with side parts 38 and 39. The equipotential lines of the electric Field in the rooms 20-21 and 21-22 are shown in dashed lines in this figure. The mentioned rooms lie between the electrodes 20 and 21 or 21 and 22. From Fig. 5 it is clear that the presence of the side parts 38 and 39 with the correct polarities of the various electrodes in this Embodiment the focusing of the electrons in the space 20-21 and the focusing of the Ions are favored in the space 21-22.

Gemäß den in den Fig. 6 und 7 gezeigten Verbesserungen hat die Elektrode 21 an Stelle eines einzelnen länglichen Spaltes, der sich parallel zu der Richtung des Elektronenstrahles erstreckt, eine ganze Reihe paralleler langgestreckter Spalte. Die Unterteilungen 40 zwischen aufeinanderfolgenden Spalten 24 werden durch aufgehängte oder ausgespannte Drähte verwirklicht oder mit Hilfe von schmalen Plättchen, die beispielsweise aus Graphit hergestellt sind. Das elektrische Feld zwischen den Elektroden 20 und 21 ist in dieser Ausführungsform weit mehr homogen und dient weit besser der Fokussierung des Elektronenstrahls. Wenn Plättchen 40 verwendet werden, deren Höhe von der Mitte der Elektrode aus nach deren Kanten hin ansteigt, kann man eine Elektrode 21 erhalten, die eine im wesentlichen ebene Oberseite hat und eine Unterseite, die zylindrisch ist, wie in Fig. 6 gezeigt. Die Verteilung der Äquipotentiallinien des im Ionisationsraum bestehenden elektrischen Feldes zwischen den Elektroden 20 und 21 ist derart, daß ein größerer Elektronenstrahl verwendet werden kann, der gleichzeitig auch ausgezeichnet fokussiert ist. Hierdurch wird ein dichterer Ionenstrahl möglich. Die PlättchenAccording to that shown in Figs. 6 and 7 improvements, the electrode 21 instead of a single elongated slit extending parallel to the direction of the electron beam, a series of parallel elongate column. The subdivisions 40 between successive columns 24 are realized by suspended or stretched wires or with the aid of narrow plates made, for example, of graphite. The electric field between the electrodes 20 and 21 is much more homogeneous in this embodiment and is used much better to focus the electron beam. If platelets 40 are used, the height of which increases from the center of the electrode towards its edges, one can obtain an electrode 21 which has a substantially flat top and a bottom which is cylindrical, as shown in FIG. The distribution of the equipotential lines of the electric field existing in the ionization space between the electrodes 20 and 21 is such that a larger electron beam can be used, which at the same time is also excellently focused. This enables a denser ion beam. The platelets

40 stehen dem Durchtritt der Ionen nicht im Wege, und die Form der Oberflächen bezüglich der Elektroden 20 und 21 begünstigt die Fokussierung des Ionenstrahles in der Höhe der in der Elektrode 22 vorgesehenen öffnung 25.40 do not stand in the way of the passage of the ions, and the shape of the surfaces with respect to the electrodes 20 and 21 favors the focusing of the ion beam at the level of that provided in the electrode 22 opening 25.

Die Fig. 8 und 9 zeigen zwei andere Verbesserungen der vorliegenden Ionenquelle, die sich von der Ausführungsform nach Fig. 3 in Form und Konstruktion der elektronenoptischen Mittel unterscheiden. Bei der Konstruktion der elektronenoptischen Mittel entsprechend Fig. 3 ist das elektrische Feld in Höhe der Kathode relativ schwach, wie auch, als Folge davon, der Elektronenstrom. Für bestimmte Anwendungen kann es jedoch sehr wohl wünschenswert sein, größere Strahlintensitäten zu haben. Die Konstruktionen und Formgebungen der in den Fig. 8 und 9 dargestellten elektronenoptischen Mittel kommen solchen Bedürfnissen entgegen.Figures 8 and 9 show two other improvements of the present ion source which differ from the embodiment of Figure 3 in the shape and construction of the electron optical means. In the construction of the electron-optical means according to FIG. 3, the electric field at the level of the cathode is relatively weak, as is, as a consequence, the flow of electrons. However, for certain applications it may very well be desirable to have greater beam intensities. The constructions and shapes of the electron optical means shown in FIGS. 8 and 9 meet such needs.

In Fig. 8 ist der Fortsatz 41 der Elektrode 21 mit der trogförmigen Ausbuchtung 29, die den Kathodenheizfaden 30 aufnimmt, der Elektrode 20 genähert, anstatt von der Elektrode 32 abgewandt zu sein wie in Fig. 3, wo der Elektrodenteil 27 die Funktion des Teiles 41 innehatte. Die elektronenoptische Wirkung wird im Prinzip durch die Orientierung an der Ausgangsstelle des Elektronenstrahles erzielt.In Fig. 8 the extension 41 of the electrode 21 is with the trough-shaped bulge 29, which the cathode filament 30, the electrode 20 is approached instead of facing away from the electrode 32 as in 3, where the electrode part 27 performed the function of part 41. The electron-optical effect is achieved in principle by the orientation at the exit point of the electron beam.

In Fig. 9 ist die trogförmige Ausbuchtung 42, die den Kathodenheizfaden 30 aufnimmt, in dem Fortsatz 43 der, wie oben erwähnt, stark negativen Elektrode 22 untergebracht. Der Fortsatz 41 der Elektrode 21 ist mit einer Öffnung 44 von beliebiger, dem Elektronenstrahl 31 angepaßter Gestalt versehen. Die ElektrodeIn FIG. 9, the trough-shaped bulge 42, which receives the cathode heating filament 30, is in the extension 43 of the, as mentioned above, housed strongly negative electrode 22. The extension 41 of the electrode 21 is provided with an opening 44 of any shape adapted to the electron beam 31. The electrode

41 dient als Fokussierungs- und Beschleunigungselektrode für den Elektronenstrahl 31. Elektronenoptische Mittel dieser Konstruktion sind besonders dazu geeignet, aus der Elektrode30Strömegroßer Intensität zu ziehen.41 serves as a focusing and accelerating electrode for the electron beam 31. Electron-optical Means of this construction are particularly suitable for drawing high intensity currents from electrode 30.

Die Fig. 10 und 11 endlich zeigen eine zweckmäßige Ausführungsform der vorliegenden Ionenquelle mit kreisbogenförmig gebogenen Umrissen. Diese Ausführungsform enthält an Stelle zweier ebener oder flacher Elektroden 20 und 21 zwei Elektroden 50 und 51, die in Schnittebenen parallel in der Ebene der Fig. 10 während des weitaus größten Teiles ihrer Ausdehnung die Form von Kreisbögen aufweisen. Die Elektrode 50 ist mit einem röhrenförmigen StutzenFinally, FIGS. 10 and 11 show an expedient one Embodiment of the present ion source with outlines curved in the shape of a circular arc. This embodiment instead of two planar or flat electrodes 20 and 21 contains two electrodes 50 and 51, which in sectional planes parallel to the plane of FIG. 10 during the vast majority of their extent have the shape of arcs of a circle. The electrode 50 has a tubular neck

ίο 53 versehen, um das zu ionisierende Gas einlassen zu können. Die Elektrode 51 hat eine Öffnung 54 für den Durchtritt der Ionen. Die Elektrode 22 der Fig. 3 ist in eine Elektrode 52 ganz besonderer Gestalt umgewandelt, welche aus einem Kasten besteht, in dessen Oberteil eine öffnung 55 vorgesehen ist und dessen Boden von einem Loch 65 durchbrochen ist Die Elektroden 50 und 51 und der Oberteil der Elektrode 52 werden von drei Teilen koaxialer Zylinder mit kreisförmigem Grundriß gebildet. Die gemeinsame Achse dieser Zylinder ist durch einen Punkt in der öffnung 65 gegeben. Eine Elektrode 58, die in irgendeiner geeigneten Weise, beispielsweise durch Hartlötung, mit der Elektrode 51 fest verbunden ist und eine in Querrichtung verlaufende trogförmige Ausbuchtung 59 für den Kathodenheizfaden 60 trägt, stellt eine erste Elektrode der zu der Ionenquelle gehörenden elektronenoptischen Mittel dar. Die zweite Elektrode der elektronenoptischen Mittel wird von dem Ausläufer 67 der Elektrode 50 gebildet, dessen Krümmung eine geeignete Modifizierung erfahren hat. Mit der Elektrode 50 ist, beispielsweise durch Hartlötung, eine Anode 56 fest verbunden. Die Elektrode 51 ist zusätzlich mit hervorstehenden Teilen 57, 62, 63 und 64 ausgerüstet. Magnete, die Permanentmagnete sein können und von denen lediglich Teile der Polschuhe bei 67 und 68 in Fig. 11 gezeigt sind, sind in ihrer Form der Ausbildung der Elektroden 50 und 51 angepaßt, so daß in dem durch diese beiden Elektroden 50 und 51 definierten Raum ein homogenes magnetisches Feld besteht, das senkrecht zur Zeichenebene der Fig. 10 verläuft. Eine Batterie 66 oder eine geeignete andere Spannungsquelle ist vorgesehen, um die verschiedenen für den Betrieb der Vorrichtung notwendigen Spannungen bereitzustellen.ίο 53 provided to let in the gas to be ionized can. The electrode 51 has an opening 54 for the ions to pass through. The electrode 22 of FIG. 3 is converted into an electrode 52 of a very special shape, which consists of a box in which Upper part an opening 55 is provided and the bottom is pierced by a hole 65 The electrodes 50 and 51 and the top of the electrode 52 are made of three parts of coaxial cylinders with circular Floor plan formed. The common axis of these cylinders is through a point in the opening 65 given. An electrode 58, in any suitable manner, such as by brazing, with the electrode 51 is firmly connected and a trough-shaped bulge 59 running in the transverse direction for carries the cathode filament 60, represents a first electrode of the electron-optical belonging to the ion source Means. The second electrode of the electron-optical means is formed by the extension 67 of the electrode 50, the curvature of which has been appropriately modified. With the electrode 50, an anode 56 is firmly connected, for example by brazing. The electrode 51 is also with protruding parts 57, 62, 63 and 64 equipped. Magnets that can be permanent magnets and of which only parts of the pole pieces are shown at 67 and 68 in Fig. 11, are in their shape of training of electrodes 50 and 51 adapted so that in the defined by these two electrodes 50 and 51 Space there is a homogeneous magnetic field which runs perpendicular to the plane of the drawing in FIG. A battery 66 or other suitable voltage source is provided to provide the various for to provide the necessary voltages for the operation of the device.

Die Elektrode 51 befindet sich auf einem schwach negativen Potential gegenüber der Kathode 60. Die Elektrode 50 liegt auf positivem Potential und die Elektrode 52 auf einem stark negativen.The electrode 51 is at a weakly negative potential with respect to the cathode 60. The Electrode 50 is at a positive potential and electrode 52 is at a strongly negative potential.

Da die Elektroden 50 und 51 zueinander parallel sind, ist es ganz offensichtlich, daß in dem von den beiden Elektroden umgrenzten Raum, ,sofern zwischen ihnen ein Potentialunterschied vorhanden ist, ein elektrisches Feld besteht, das zu diesen Elektroden an allen Punkten senkrecht gerichtet ist und dessen Äqui-Since the electrodes 50 and 51 are parallel to each other, it is quite evident that in the one of the The space between the two electrodes, if there is a potential difference between them, is an electrical one Field which is directed perpendicular to these electrodes at all points and whose equi

§5 potentialflächen zu den Elektrodenoberflächen parallel sind. Nichts hindert also daran, daß ein laminarer, von der Kathode 60 emittierter Elektronenstrahl 61 den durch die Elektroden 50 und 51 abgegrenzten Ionisationsraum durchsetzt und dabei ständig zu diesen Elektroden parallel bleibt. Wie oben im einzelnen ausgeführt, genügt es einfach, daß der Elektronenstrahl 61 in den Ionisationsraum mit geeigneter Geschwindigkeit und Richtung hineingeschossen wird. Wenn diese Bedingungen erfüllt sind, kann, sich der Strahl in unmittelbarer Nachbarschaft zu der Elektrode 50 so lange ausbreiten, bis er auf die Sammelanode 56 auftrifft. Die auf Grund der Ionisation entstehenden Ionen folgen dann den elektrischen Feldlinien und werden, da die Elektroden 50, 51 und 52 Teile koaxialer Zylinder sind, deren gemeinsame§5 potential areas are parallel to the electrode surfaces. So there is nothing to prevent a laminar, Electron beam 61 emitted from cathode 60 that delimited by electrodes 50 and 51 Penetrated ionization space and thereby constantly remains parallel to these electrodes. As detailed above carried out, it is simply sufficient that the electron beam 61 in the ionization space with a suitable speed and direction is shot into. If these conditions are met, the Spread the beam in the immediate vicinity of the electrode 50 until it hits the collecting anode 56 hits. The ions produced as a result of the ionization then follow the electric field lines and, since the electrodes 50, 51 and 52 are parts of coaxial cylinders, their common

109 527/466109 527/466

Achse bei 65 liegt, durch den Potentialunterschied zwischen den Elektroden 51 und 52 beschleunigt, sämtlich in Richtung auf den Punkt in der Öffnung 65 zusammenlaufen, der als Konzentrationspunkt oder Schnittpunkt bezeichnet werden mag. Die vorstehen- den Teile 57, 62, 63 und 64 gestatten außerdem, die Fokussierung zu verbessern oder wenigstens etwaige entgegenstehende Einflüsse zu vermindern.Axis is at 65, due to the potential difference accelerated between electrodes 51 and 52, all towards the point in the opening 65 converge, which may be referred to as the point of concentration or the point of intersection. The above Parts 57, 62, 63 and 64 also make it possible to improve the focus, or at least some to reduce opposing influences.

Die soeben besprochene Ausführungsform der vorliegenden Ionenquelle ist also besonders günstig, da sie zusätzlich zu all den Vorteilen, die oben bei der Untersuchung der Wirkungsweise der in Fig. 3 und 4 erläuterten Ausführungsform erwähnt worden waren, außerdem eine Fokussierung des Ionenstrahles auf einen Punkt in der Öffnung 65 ermöglicht. Der Ort dieses Punktes kann aucK in' den Nut- oder Arbeitsraum gelegt sein. Nach Überschreiten dieses Schnittpunktes kann der dann divergierende Ionenstrahl nach Belieben des Benutzers in einen parallel gebündelten Strahl oder einen konvergierenden Strahl mittels geeigneter ionenoptischer Mittel umgeformt werden. Wenn er z. B. in einem Massenspektographen Anwendung finden soll, kann man mit Hilfe normaler optischer Mittel erreichen, daß das Abbild des Schnittpunktes auf dem Detektor erscheint. Auf diese Weise erzielt man gleichzeitig eine große Intensität des Ionenstrahles und ein großes Auflösungsvermögen.The embodiment of the present invention just discussed Ion source is therefore particularly cheap as it, in addition to all of the advantages mentioned above with the Investigation of the mode of operation of the embodiment explained in FIGS. 3 and 4 had been mentioned, also enables the ion beam to be focused on a point in the opening 65. The place this point can also be placed in the groove or working space. After crossing this point of intersection the then diverging ion beam can be bundled into a parallel one at will of the user Beam or a converging beam can be reshaped by means of suitable ion-optical means. If he z. B. should be used in a mass spectrometer, you can use normal optical means achieve that the image of the intersection appears on the detector. In this way one achieves a high intensity of the ion beam and a high resolution at the same time.

Ein anderer Vorteil dieser Ausführungsform liegt darin, daß sich die für die Aufrechterhaltung des Vakuums im Arbeitsraum notwendige Pumpleistung beträchtlich reduzieren läßt. Dies folgt aus der Tatsache, daß die Ionisationsquelle bei dieser Ausführungsform mit dem Arbeitsgerät durch eine öffnung 65 von relativ kleiner Abmessung in Verbindung steht, während bei den bekannten Ionenquellen diese Verbindung nicht anders als über Spalte von mehr oder weniger großen Ausmaßen zustande kam.Another advantage of this embodiment is that it helps to maintain the vacuum Can reduce the necessary pumping power in the work area considerably. This follows from the fact that the ionization source in this embodiment with the tool through an opening 65 of relative small dimension is in connection, while in the known ion sources this connection it came about no differently than through gaps of more or less large dimensions.

Es versteht sich natürlich von selbst, daß die vorliegende Ionenquelle nicht auf die speziellen, hier erläuterten und beschriebenen Ausführungsformen beschränkt ist, die lediglich erläuternde Bedeutung haben. Insbesondere kann, wenn eine große Intensität des Ionenstroms verlangt wird, jener Fall von besonderem Interesse sein, daß Konstruktionen, vergleichbar den in Fig. 10 und 11 beschriebenen, verwendet werden, aber zusammen mit einem Elektronenstrahl, der sehr groß ist, und daß die Elektrode 51 mit den Verbesserungen der Fig. 6 und 7 ausgerüstet ist, wobei die Ionen nach Verlassen des Ionisationsraumes sämtlich längs einer Linie fokussiert werden.It goes without saying, of course, that the present Ion source is not limited to the specific embodiments explained and described here which are only for explanatory purposes. Especially can when a great intensity the ion current is required, that case of particular interest that constructions, comparable those described in Figs. 10 and 11 can be used, but together with an electron beam, which is very large, and that the electrode 51 is equipped with the improvements of FIGS. 6 and 7, wherein the ions are all focused along a line after leaving the ionization space.

Claims

PATENTANSPBÜCHE;Patent claims;

1, Ionenquelle, bestehend aus einem mit dem zu ionisierenden Gas geringen Druckes gefüllten Ionisationsraum, in dem zwei an einer Potentialdifferenz liegende Elektroden zwecks Erzeugung eines senkrecht zu den Elektroden stehenden elektrischen Feldes angeordnet sind, einem Elektronenstrählerzeugungssystem mit einer Auffanganöde, einem magnetischen Feld, das sich senkrecht zu dem elektrischen Feld erstreckt, und schließlich aus einem gegenüber Kathodenpotential negativen Feld, das die erzeugten Ionen aus dem Ionisationsraum herauszieht, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektronenstrahl senkrecht zu dem elektrostatischen wie dem magnetischen Feld und nahe1, ion source, consisting of an ionization space filled with the low pressure gas to be ionized, in which two electrodes lying at a potential difference for the purpose of generating one are arranged perpendicular to the electrodes standing electric field, an electron beam generation system with a catchment area, a magnetic field that is perpendicular to the electric field extends, and finally from a negative with respect to the cathode potential Field that pulls the generated ions out of the ionization space, characterized in that that the electron beam is perpendicular and close to the electrostatic as well as the magnetic field

1212th

der ersten der beiden Elektroden, die das höhere Potential führt, verläuft.,the first of the two electrodes, which carries the higher potential, runs.,

2. Ionenquelle, dadurch gekennzeichnet, daß zwecks Abziehens der Ionen die zweite Elektrode, die an dem niedrigeren Potential liegt, mit einer Öffnung versehen ist und daß eine dritte Elektrode parallel zu der zweiten angeordnet ist, die au einem der zweiten Elektrode gegenüber negativen Potential liegt und ebenfalls mit öffnungen zwecks Durchlaß der Ionen versehen ist.2. Ion source, characterized in that for the purpose of extracting the ions, the second electrode, which is at the lower potential is provided with an opening and that a third electrode is arranged parallel to the second, which is negative on one of the second electrode opposite Potential lies and also with openings for the purpose Passage of the ions is provided.

3. Ionenquelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und die zweite Elektrode eben sind.3. Ion source according to claim 1 or 2, characterized in that the first and the second electrode are even.

4. Ionenquelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und die zweite Elektrode in der der Ausbreitungsrichtung des Elektronenstrahles und dem elektrostatischen Feld gemeinsamen Ebene kreisförmig gebogen sind.4. Ion source according to claim 1 or 2, characterized in that the first and the second electrode in the direction of propagation of the electron beam and the electrostatic field in common Plane are curved in a circle.

5. Ionenquelle nach Anspruch 2 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß auch die dritte Elektrode in der der Ausbrei tungs richtung des Elektronenstrahles und dem elektrostatischem Feld gemeinsamen Ebene wie die beiden ersten Elektroden kreisförmig gebogen ist und daß diese Elektrode die eine Seite einer kastenartigen Anordnung bildet und daß dieser Elektrode eine ebene Elektrode in Strahlrichtung der Ionen gegenüberliegt, die mit einer Öffnung für die Ionen versehen ist.5. Ion source according to claim 2 or 4, characterized in that the third electrode in the direction of propagation of the electron beam and the electrostatic field Level like the first two electrodes is curved in a circle and that this electrode which forms one side of a box-like arrangement and that this electrode is a flat electrode opposite in the beam direction of the ions, which is provided with an opening for the ions.

6. Ionenquelle nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Elektrode rechteckig ausgebildet ist und sich in Ausbreitungsrichtung des Elektronenstrahles erstreckt und seitlich durch senkrecht zu dem elektrischen Felde angeordnete Teile abgeschlossen ist.6. Ion source according to claim 3, characterized in that that the second electrode is rectangular and extends in the direction of propagation of the electron beam and laterally through arranged perpendicular to the electrical field Parts is complete.

7. Ionenquelle nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die öffnung in der zweiten Elektrode ein Spalt ist, der sich parallel zur Richtung des Elektronenstrahles erstreckt.7. Ion source according to one or more of the preceding claims, characterized in that that the opening in the second electrode is a gap which is parallel to the direction of the electron beam extends.

8. Ionenquelle nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Elektrode eine Vielzahl paralleler Spalte hat, die sich in Strahlrichtung erstrecken und durch leitende Wände voneinander getrennt sind.8. Ion source according to claim 7, characterized in that the second electrode has a plurality parallel gaps extending in the beam direction and separated by conductive walls are separated.

9. Ionenquelle nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Elektrode an der dem Elektronenstrahl abgewandten Seit« eine konkave Außenfläche hat.9. Ion source according to one or more of the preceding claims, characterized in that that the second electrode is concave on the side facing away from the electron beam Has external surface.

10. Ionenquelle nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Elektronenstrahlerzeugungssystem ein zur Ablenkung des Elektronenstrahles angeordnetes Magnetfeld, eine langgestreckte Kathode und eine Anode enthält und daß die Kathode sich innerhalb eines Wehneltzylinders erstreckt, der auf der dem Elektronenstrahl abgewandten Seite liegt, und daß dieser Zylinder einen Teil einer in Richtung der Kathode langgestreckten ebenen Elektrode bildet, die auf Kathoden- bzw. auf einem niedrigeren Potential als Kathodenpotential liegt und außerdem mit der zweiten bzw. dritten Elektrode verbunden ist.10. Ion source according to one or more of the preceding claims, characterized in that that the electron gun is arranged to deflect the electron beam Magnetic field that contains an elongated cathode and an anode and that the cathode itself extends within a Wehnelt cylinder on the side facing away from the electron beam lies, and that this cylinder is part of a plane elongated in the direction of the cathode Forms electrode which is at the cathode or at a lower potential than the cathode potential and is also connected to the second and third electrodes, respectively.

In Betracht gezogene Druckschriften:
USA.-Patentsehriften Nr. 2 507 652,Considered publications:
U.S. Patent Documents No. 2,507,652,

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