DE1190590B - Ionenquelle - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. α.:

HOIj

Deutsche Kl.: 21g-21/01

Nummer: 1190590

Aktenzeichen: C19119 VIII c/21 g

Anmeldetag: 3. Juni 1959

Auslegetag: 8. April 1965

Die Erfindung betrifft eine Ionenquelle mit getrennter Ionenerzeugung und Ionenextraktion, bei der die Ionenerzeugung in einem Gefäß aus dielektrischem Material stattfindet, durch dessen eine Seite die eine der beiden Extraktionselektroden (positiv) hindurchführt, welche gleichzeitig zur Gaszufuhr dient, und dessen der genannten gegenüberliegende Seite eine Ionenaustrittsöffnung aufweist, und bei der die außerhalb des den Ionenerzeugungsraum umschließenden Gefäßes angeordnete, negative Extraktionselektrode auf einem Potential von mehreren tausend Volt Gleichspannung liegt. Derartige Ionenquellen sind bekannt. Sie dienen vorwiegend zur Erzeugung von Bündeln von ionisierten Teilchen für Teilchenbeschleuniger, Massenspektrometer, Einheiten zur isotopischen Trennung usw.

Die Extraktionselektrode ist bei den bekannten Ionenquellen entweder innerhalb der Absaugöffnung, d. h. teilweise innerhalb des Entladungsgefäßes, oder unmittelbar vor der Absaugöffnung angeordnet. Beide Ausführungsarten sind mit Nachteilen behaftet. Wenn die Extraktionselektrode innerhalb der Absaugöffnung liegt, besteht die Gefahr, daß sie durch den Ionenbeschuß schnell zerstört wird. Die äußere Anordnung der Extraktionselektrode begünstigt dagegen die nachteilige Rekombination von Ionen an Metalloberflächen.

Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine Ionenquelle derart auszubilden, daß die vorgenannten Nachteile vermieden werden.

Zu diesem Zweck weist das Gefäß gemäß der Erfindung an seiner der positiven Extraktionselektrode gegenüberliegenden Seite einen die Ionenaustrittsöffnung begrenzenden, rohrförmigen Ansatz auf, der von der negativen Extraktionselektrode umgeben ist.

Die gemäß der Erfindung vorgesehene Ausbildung der Ionenquelle beseitigt auf einfache Weise die Nachteile der bekannten Ionenquellen. Die nutzbaren Ionen können die Metalloberfläche der Extraktionselektrode nicht mehr treffen. Weiterhin ergibt sich durch die räumliche Trennung von Extraktionselektrode und Ionenplasma die Möglichkeit, sehr hohe Potentialdifferenzen zwischen Extraktionselektrode und der der Gaseinspeisung dienenden Elektrode anzulegen, ohne sich der Gefahr unerwünschter Entladungen auszusetzen.

Die Ionenquelle eignet sich zur Ionisierung von Gasen, z. B. Wasserstoff, Deuterium, Helium, Stickstoff oder Dämpfen, z. B. von Leichtmetallen, wie Lithium, Natrium. Sie ist vorzugsweise zur Erzeugung von Bündeln von ionisierten Teilchen für die Ionenquelle

Anmelder:

Commissariat ä !'Energie Atomique, Paris

Vertreter:

Dr. phil. W. P. Radt

und Dipl.-Ing. E. E. Finkener, Patentanwälte,

Bochum, Heinrich-König-S'tr. 12

Als Erfinder benannt:
Siegfried Klein, Paris

Beanspruchte Priorität:

Frankreich vom 4. Juni 1958 (767110)

Speisung eines Teilchenbeschleunigers mit hoher Ionenausbeute (in der Größenordnung von etwa 10 mA bei einer Hochfrequenzleistung von etwa 75 W) bestimmt.

Weitere Einzelheiten der Erfindung werden nachfolgend an Hand einer zeichnerischen Darstellung erläutert. Es zeigt

F i g. 1 eine schematische Darstellung einer Ionenquelle in einem Längsschnitt und

Fig. 2 eine mehr ins einzelne gehende Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Ionenquelle, ebenfalls in einem Längsschnitt.

Die in Fig. 1 dargestellte Ionenquelle enthält ein Rohr 1 aus Isolierstoff, z. B. aus Quarz oder Glas (ζ. B. Aluminium- und Natriumborosilikatglas), dessen eines Ende 26 mit dem zu ionisierenden Gas oder Dampf durch eine mit einer Bohrung versehene Elektrode 5 hindurch gespeist wird, welche in der Nähe einer Quarzscheibe 30 liegt (welche die Durchschlagsspannung innerhalb des Rohres 1 vergrößern soll), während das andere Ende 24 des Rohres eine Ausbauchung 2 in Form eines abgeplatteten Bulbus kleiner Abmessungen (z. B. in der Größenordnung von 1 cm³) aufweist.

Das Rohr 1 ist zum Teil in einem gleichachsigen Hohlraumresonator R, ζ. Β. aus Kupfer, untergebracht, welcher durch einen das Rohr teilweise umgebenden inneren Hohlleiter 7, eine äußere leitende, mit dem Leiter 7 gleichachsige Hülle 6 (Außenleiter) und zwei Metallplatten 8 und 34 gebildet wird, welche den Hohlraumresonator an den Stirnseiten schließen, wobei die erste Platte 8 nur

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mit der Hülle 6 und die zweite Platte 34 gleichzeitig mit dem Innenleiter 7 und der Hülle 6 verbunden ist.

Dieser Hohlraumresonator R wird von einem Oszillator 9 gespeist, welcher kapazitiv über Kondensatoren 12, 16 und 18 mit dem Innenleiter 7 gekoppelt ist.

Ein Hochvakuum in der Größenordnung von 10~^s bis 10~⁴ mm Hg wird in dem Rohr 1 sowie in der dieses Rohr von dem Teilchenbeschleuniger A trennenden Extraktionskammer E durch eine Vakuumpumpe P aufrechterhalten. In der Kammer £ ist eine Extraktionselektrode 51 angeordnet, welche dem Bulbus 2 benachbart ist, aber außerhalb des Rohres 1 liegt und dessen rohrförmigen Ansatz umgibt. Diese Elektrode ist in bezug auf die durchbohrte Elektrode 5 zur Einführung des zu ionisierenden Gases oder Dampfes auf ein hohes negatives Potential T₂ (z. B. in der Größenordnung von 5000 V) gebracht, so daß zwischen diesen beiden Elektroden 5 und 51 ein elektrostatistisches Feld entsteht, welches die positiven Ionen in F i g. 1 von rechts nach links beschleunigt und aus dem Rohr 1 herausführt.

Die Ionen, welche im wesentlichen in dem Bulbus 2 erzeugt werden, welcher an der Stelle liegt, an welcher das Hochfrequenzfeld in dem Hohlraumresonator R seinen Höchstwert hat, und welche durch die Extraktionselektrode 51 in Form eines Bündels / aus dem Rohr 1 herausgeführt und beschleunigt werden, werden von einer Beschleunigungselektrode 52 erfaßt, welche von einem Isolator 53 gehalten und von einem Leiter 54 auf ein Potential T₁ gebracht wird, welches zwischen dem der Elektrode 51 und dem des Gehäuses 55 des Teilchenbeschleunigers Λ, welches geerdet sein kann (Potential T₀), liegt, wobei die Potentiale T₃ (Potential der Elektrode 5), T₂, T₁ und T₀ abnehmende Werte haben. Die Elektrode 52 leitet die Ionen durch ihre mittlere öffnung 56 unmittelbar zu der öffnung 58 des Teilchenbeschleunigers Λ.

Die Ionenquelle nach Fig. 2 weist ein Rohr 1 auf, das im allgemeinen aus Glas oder Quarz besteht und dessen eines Ende 24 eine Ausbauchung 2 in Form eines abgeplatteten Bulbus kleinerer Abmessungen enthält, der beispielsweise ein Volumen in der Größenordnung von 1 cm³ hat.

Das andere konische Ende 26 des Rohres 1 trägt die Vorrichtung T zur Speisung mit dem zu ionisierenden Gas oder Dampf. Diese Vorrichtung enthält eine Kammer 27 mit zwei rohrförmigen Endstücken 28 und 29, von denen das eine das Ende 26 des Rohres 1 und das andere eine durchbohrte Elektrode 5 aufnimmt; durch die Elektrode 5 wird das zu ionisierende Gas oder vorher verdampfte Element eingeführt. In der Kammer 27 ist eine Quarzscheibe 30 zur Vergrößerung der Durchschlagsspannung der Gasatmosphäre innerhalb der Ionenquelle angeordnet.

Der größere Teil des Rohres 1 befindet sich in einem koaxialen Hohlraumresonator R, der durch einen das Rohr 1 umgebenden Innenleiter 7 und eine äußere leitende Hülle 6 (Außenleiter) gebildet wird. Eine an den Außenleiter 6 zur Herstellung der elektrischen Verbindung angelötete Metallplatte 8 verschließt eine Seite des Außenleiters 6. Diese Platte 8 enthält ein zentrales Loch 31 für den Durchtritt der in dem Bulbus 2 erzeugten Ionen, die das Rohr 1 in Richtung des Pfeiles / verlassen. Torische Gummidichtungen 32 und 33 sind zwischen der Platte 8 und dem Bulbus 2 sowie zwischen der Platte und der Wand 25 der Absaugkammer £ angeordnet. Die andere Stirnseite der Hülle 6 des Resonators ist in gleicher Weise durch eine angelötete Metallplatte 34 verschlossen. In der Mitte der Platte 34 befindet sich ein Loch zur Aufnahme einer Muffe 35, in die die rohrförmigen Teile 1 und 7 eingesteckt sind. Die Teile 6, 7, 8, 34 und 35 bestehen aus einem elektrisch gut leitenden Werkstoff, z. B. Kupfer.

In der Absaugkammer E befinden sich die Extraktionselektrode 51, die von einem Isolator 59 in der Nähe des Bulbus 2 gehalten wird, aber außerhalb des Rohres 1 liegt, und die schalenförmige Beschleunigungselektrode 52, die von dem Isolator 53 getragen wird und mit ihrer öffnung 56 den mittleren Teil des von der Elektrode 51 abgeführten und beschleunigten Ionenbündels aufnimmt. Der Umfang dieses Bündels wird von der Außenwand 57 der Elektrode 52 zurückgehalten, so daß nur der mittlere Teil des Bündels / die Öffnung 58 des Beschleunigers A erreicht. Eine torische Dichtung 60 ist zwischen der Wand 61, der Kammer E und der Wand 55 des Beschleunigers 1 angeordnet.

Eine Pumpeinrichtung P steht mit der Kammer £ durch die Leitung 62 in Verbindung, um in dem Rohr 1 ein Vakuum in der Größenordnung von 10"^s bis lO^mm Hg aufrechtzuerhalten.

Die obige Ionenquelle arbeitet folgendermaßen: Das zu ionisierende Gas oder der zu ionisierende Dampf kommt durch die Elektrode 5 an und wird im wesentlichen in der Ausbauchung 2 in Form eines abgeplatteten Bulbus ionisiert, welcher sich in einer Zone maximaler Hochfrequenzfeldstärke befindet. Die Ionisierung wird in dieser Ausbauchung eingeleitet und erfolgt mit großer Intensität, so daß ein sehr kräftiges Bündel/ entsteht, welches einen verhältnismäßig hohen Ionenanteil enthält. Die so erzeugten Ionen werden dann durch die Absaugoder Extraktionselektrode 51 und die Beschleunigungselektrode 52 einem Beschleunigungsfeld unterworfen, welches sie zu der Benutzungsvorrichtung leitet, z.B. einem TeilchenbeschleunigerA. Die Beschleunigungselektrode entnimmt ungefähr 50 bis 80%, vorzugsweise 75%, der gesamten in dem ursprünglichen Bündel vorhandenen Ionen.

Die Anordnung der Elektrode 51 in der Absaugkammer E an der Außenseite des rohrförmigen Ansatzes an dem Bulbus bietet zahlreiche Vorteile: sie schützt die Elektrode 51 gegen einen Ionenbeschuß, welcher sie mehr oder weniger schnell zerstören würde, wie dies bei Ionenquellen mit einer in dem Isolierrohr derselben liegenden Abfuhrelektrode der Fall ist; sie verhindert, daß die benutzbaren Ionen Metallflächen an der Elektrode 51 erreichen, welche ihre Wiedervereinigung begünstigen würden; sie gestattet ohne Durchschlaggefahr Potentialdifferenzen zwischen der Elektrode 5 und der Elektrode 51 anzulegen, welche so hoch sind, daß die Elektrode 51 ebenfalls die Rolle einer Beschleunigungselektrode spielt, was den Fortfall wenigstens einer der normalerweise hierfür in den bekannten Vorrichtungen mit Ionenquelle und Beschleuniger benutzten Elektroden gestattet.

Eine derartige Ionenquelle gestattet die Herstellung von Wasserstoffatomionen (Protonen) unter

ausgezeichneten Bedingungen, da keine Metallfläche, welche eine sekundäre Elektronenemission erzeugen könnte, welche die Protonen durch Vereinigung mit diesen neutralisieren würde, auf dem Weg der tatsächlich benutzten Ionen vorhanden ist. Man erhält so Ionenbündel, welche unter den Wasserstoff ionen wenigstens 70% Protonen enthalten.

Die Erfindung kann natürlich abgewandelt werden. So kann man z. B., anstatt die Potentiale in der Reihenfolge T₂, T₁ und T₀ abnehmen zu lassen, das Potential T₁ kleiner als das Potential T₀ machen, um eine zusätzliche elektrostatische Fokussierung des Ionenbündels zu erzielen.

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Ionenquelle mit getrennter Ionenerzeugung und Ionenextraktion, bei der die Ionenerzeugung in einem Gefäß aus dielektrischem Material stattfindet, durch dessen eine Seite die eine der beiden Extraktionselektroden (positiv) hindurchführt, welche gleichzeitig zur Gaszufuhr dient, und dessen der genannten gegenüberliegende Seite eine Ionenaustrittsöffnung aufweist, und bei der die außerhalb des den Ionenerzeugungsraum umschließenden Gefäßes angeordnete, negative Extraktionselektrode auf einem Potential von mehreren tausend Volt Gleichspannung liegt, dadurch gekennzeichnet, daß das Gefäß an seiner der positiven Extraktionselektrode gegenüberliegenden Seite einen die lonenaustrittsöffnung begrenzenden, rohrförmigen Ansatz aufweist, der von der negativen Extraktionselektrode umgeben ist.

   In Betracht gezogene Druckschriften:

   HeIv. Phys. Acta, Bd. 30, 1957, H. 4, S. 292;
   Annalen der Physik, Bd. 14, 1954, 6. Folge, S. 33 bis 53;

   Elektrotechnik und Maschinenbau, Bd. 74, 1957, ao H. 5, S. 99 bis 101;

   The Rev. of Scient. Instr., Vol. 25, 1954, Nr. 10, S. 989 bis 995.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen