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Elektronenstoß-Ionenquelle mit einer durch die Entladung selbst erregten
Elektronenemission für elektrische Massenfilter Die Erfindung bezieht sich auf eine
Elektronenstoß-Ionenquelle mit einer durch die Entladung selbst erregten Elektronenemission
für elektrische Massenfilter, bei der Magnete und Elektroden vorgesehen sind in
der Art, daß die von ihnen erzeugten Felder eine räumliche und zeitliche Fixierung
des Entladungsplasmas in der Nähe des entladungsseitigen Endes des Extraktionskanals
(der Ionenaustrittsöffnung) bewirken, und eine Ionenquelle nach dem Penningschen
Pendelelektronenprinzip benutzt wird, wobei die magnetischen Feldlinien in Richtung
des extrahierten Ionenstrahles verlaufen.
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Unter Anwendung des Grundverfahrens nach dem deutschen Patent 944
900 sind elektrische Massenfilter entwickelt worden, die unter anderem für Gasanalyse,
Isotopentrennung, Partialdruckmessung, Lecksuche in Vakuumanlagen, Trennung von
Gasgemischen, Spurenanalyse und Messung von Dampfdrücken geeignet sind.
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Es sind bereits Massenfilter mit einer Ionenquelle mit Glühkathode
als Versuchsausführung gebaut worden. Eine solche lonenquelle bedingt eine gewisse
Störanfälligkeit des Massenfilters und eine Beschränkung seiner Anwendung auf Drücke
unterhalb von 10-4 Torr. Es wurde erkannt, daß Messungen im gesamten Gebiet des
Hochvakuums (10-s bis 10-3 Torr) und auch noch in das Gebiet des Feinvakuums (10-3
bis 100) hinein durchführbar sind, wenn Ionenquellen mit selbständiger Entladung,
die keine Glühkathode benötigen, verwendet werden.
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Es sind bereits Ionenquellen mit einer durch die Entladung selbst
erregten Elektronenemission bekannt, bei denen Magnete und Elektroden so angeordnet
sind, daß die von ihnen erzeugten Felder eine räumliche und zeitliche Fixierung
des Entladungsplasmas in der Nähe des entladungsseitigen Endes des Extraktionskanals
bewirken. Es handelt sich hier ausgesprochen um Ionenquellen - meist zur Produktion
von Protonen und Deuteronen -, die vor allem für kernphysikalische Untersuchungen
vorgesehen sind. Ihr Arbeitsbereich liegt zwischen 1.0--' und 10-4 Torr und überdeckt
für den Einsatz in Massenspektrometern nur einen sehr kleinen Druckbereich. Die
Druckproportionalität und Freiheit von Plasmaschwingungen ist keineswegs gegeben.
Außerdem wird durch Raumladungserscheinungen keine gleichmäßige Ionisierung sämtlicher
Gasanteile ermöglicht.
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Weiterhin ist eine Ionenquelle nach dem Penningschen Pendelelektronenprinzip
bekannt, bei der zwei Stabkathoden vorgesehen sind, deren Durchmesser klein ist
gegen die Zylinderanode und deren Achsen in Richtung der Anodenachse verlaufen.
Die bei dieser lonenquelle angewandte Stabkathode dient nicht zur Stabilisierung
eines Plasmas, sondern ist zur Elektronenemission gedacht. Nach dem Anlegen einer
Zündspannung durch den anfänglichen Entladungsstrom wird die Kathode so hoch erhitzt,
daß sie zur Elektronenemission fähig ist. Dann erst erfolgt die geplante Hauptentladung,
die im wesentlichen als Quelle für einen hochintensiven Protonenstrahl dient. Außerdem
liegt die dort verwendete Stabkathode nicht in einem für die Ionenextraktion kritischen
Bereich, sondern ganz abseits davon. Diese bekannte Ionenquelle hat keinen Zusammenhang
mit Massenspektrometern und mit der Plasmafixierung in einer zugehörigen Ionenquelle.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Elektronenstoß-Ionenquelle
mit einer durch die Entladung selbst erregten Elektronenemission für elektrische
Massenfilter zu schaffen, die auch bei höheren Drücken, z. B. bis 10-2 Torr, der
zu untersuchenden Gasgemische anwendbar ist und die für massenspektrometrische Zwecke
notwendigen Anforderungen erfüllt: a) der Ionenstrom soll zeitlich konstant und
frei von Schwankungen sein; b) es soll keine Behinderung des gewünschten Auflösungsvermögens
des nachgeschalteten Spektrometerteils eintreten; c) ein eindeutiger und reproduzierbarer
Zusammenhang soll zwischen Partialdruck und Ionenstrom bestehen.
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Verwendet man zur Erfüllung dieser Anforderungen eine robuste und
zu diesem Zweck mit einer kalten Kathode ausgerüstete Ionenquelle, so ergeben sich
bei der bisherigen Bauart große Schwierigkeiten,
da die hohen Brennspannungen
von einigen 1000 V eine starke Energieinhomogenität der gebildeten Ionen sowie unerwünschte
Entladungsschwankungen bewirken können. Zudem ist für den vorgesehenen Anwendungszweck
eine Ionenquelle erwünscht, die in einem großen Druckintervall von etwa 10-s bis
10-2 Torr verwendbar ist, was mit lonenquellen bekannter Bauart nicht möglich ist.
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Zur Lösung der oben geschilderten Aufgabe und zur Überwindung der
genannten Schwierigkeiten sind erfindungsgemäß an der Penning-Ionenquelle im Massenfilter
zur Plasmafixierung eine oder mehrere nicht zur Glühemission dienende Stabkathoden
vorgesehen, deren Durchmesser klein sind gegen die Zylinderanode, vorzugsweise weniger
als 10% des Anodendurchmessers, und deren Achsen in Richtung der Anodenachse verlaufen.
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Die Stabkathoden können nahe vor dem entladungsseitigen Ende des Extraktionskanals
(Ionenaustrittsöffnung) enden, bei einem axialen Abstand zwischen Stabende und Ionenaustrittsöffnung,
der vorzugsweise gleich dem Stabdurchmesser ist. Außerdem kann einer zentralen Stabkathode
der Extraktionskanal gegenüberstehen.
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Außerdem kann eine Zylinderanode vorgesehen sein, für die das Verhältnis
von Zylinderdurchmesser zu Zylinderhöhe in der Nähe von 1 liegt und deren Stirnkanten
bis dicht (vorzugsweise mit einem Abstand von weniger als 5% des Anodendurchmessers)
an die Kathodenflächen heranreichen.
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Ferner kann eine positive Extraktionsspannung zwischen einer oder
sämtlichen Kathodenflächen und dem Extraktionskanal angelegt sein.
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Die erfindungsgemäße lonenquelle stellt eine eigens für den Einsatz
in Massenspektrometern angepaßte Penning-Ionenquelle dar und hat gegenüber den bekannten
Ionenquellen erhebliche technische Vorteile; die erfindungsgemäß vorgesehene Stabkathode
fixiert das Plasma vor der Austrittsöffnung und verhindert Schwingungen. Die eindeutige
Druckabhängigkeit des Ionenstromes wird hierdurch in weiten Grenzen (10-s bis 10-3
Torr) gewährleistet, während Raumladungseinflüsse zurücktreten. Weiterhin werden
vor der Austrittsöffnung hohe radiale und kleine longitudinale Feldstärken erzeugt.
Die Ionisierungswahrscheinlichkeiten bzw. die Anzeigeströme für verschiedene Gasanteile
sind untereinander vergleichbar, und außerdem ist die lonenenergie in Achsrichtung
auf die erforderlichen kleinen Werte gebracht. Weiterhin kann eine feine Regulierung
der Ionenenergie durchgeführt werden, durch die eine Veränderung der Empfindlichkeit
der Ionenquelle ermöglicht ist.
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Die erfindungsgemäße Ionenquelle ist zudem gegen Gaseinbrüche sehr
widerstandsfähig und hat daher eine große Lebensdauer, da - im Gegensatz zur Verwendung
einer Glühkathode - durch einen Gaseinbruch keine wesentliche Beeinflussung der
Emission der Kathode oder gar deren Zerstörung eintreten kann.
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Die Zylinderanode und die Stabkathode können außer einem kreisförmigen
Querschnitt auch einen rechteckigen, quadratischen, elliptischen, dreieckigen oder
sonstigen Querschnitt aufweisen. Für beide Elektroden, die Stabkathode und die Zylinderanode,
wird in der Regel jedoch der kreisförmige Querschnitt - unter anderem aus Symmetriegründen
-vorzuziehen sein. Ist die einzelne Stabkathode oder die Zylinderanode nicht kreisförmig
im Querschnitt, so beziehen sich die Angaben, die auf den Durchmesser dieser Elemente
Bezug nehmen, sinngemäß auf den mittleren Durchmesser.
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Statt einer einzigen Stabkathode können auch mehrere, vorzugsweise
gleich lange Stabkathoden in enger Verteilung um die Extraktionsöffnung herum, z.
B. auf den Ecken eines Dreiecks, vorgesehen sein. Der einzuhaltende Abstand der
Stabkathoden von dem entladungsseitigen Ende des Extraktionskanals wird bei mehreren
gleich langen Stabkathoden bestimmt durch die Ebene, die durch die freien Enden
der Stabkathoden definiert ist. Sind die Stabkathoden nicht gleich lang, so ist
die längste oder es sind die längsten Stabkathoden maßgebend. Zieht man das entladungsseitige
Ende des Extraktionskanals in den Entladeraum hinein, so bildet der in den Entladeraum
hineinragende Teil des Extraktionskanals zugleich einen Teil oder, anders gesagt,
eine Fortsetzung der Stabkathode.
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Aufbau und Wirkungsweise des Erfindungsgegenstandes seien an Hand
von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher beschrieben. Es zeigt
F i g. 1 der besseren Erläuterung halber die allgemeine Bauweise der Penning-Ionenquelle
in der Abwandlung, die den Ausführungsbeispielen nach F i g. 2 und 10 zugrunde gelegt
ist, F i g. 2 eine Ionenquelle gemäß der Erfindung, versehen mit der neuartigen,
der Plasmafixierung dienenden Stabkathode und einem zur Ionenextraktion dienenden
Kathodenblech, F i g. 3 einen Querschnitt der Ionenquelle nach Fig.2. F i g. 4 und
5 Anordnungen von Stabkathoden mit und ohne zentrale Stabelektroden, F i g. 6 und
7 vom kreisrunden Querschnitt abweichende Querschnittsformen von Stabkathoden, nämlich
eine quadratische und eine elliptische, F i g. 8 den Querschnitt einer Anode nach
F i g. 2, F i g. 9 eine Anode mit quadratischem Querschnitt, F i g. 10 eine Abwandlung
der Ionenquelle gemäß F i g. 2.
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In F i g. 1 bedeutet 1 einen Permanentmagnet; er ist mit dem topfförmigen
Joch 3 verbunden, das die Feldlinien zurückführt. In dem Joch 3 befindet sich eine
Öffnung 4 für den Austritt der Ionen. Mit 5 ist die zylindrische Anode bezeichnet,
der als Kathode die Endflächen 6a, 3 a des Polschuhes 6 bzw. des Joches 3 gegenüberstehen.
An die Anode 5 wird die Betriebsspannung gelegt über die Klemme 7. Diese ist über
eine Zuleitung 7a, die mit Hilfe der isolierenden Durchführung 8 durch das Joch
3 hindurchgeführt ist, mit der Anode 5 elektrisch verbunden. Das Joch 3 und die
mit ihm leitend verbundenen Teile werden vorzugsweise geerdet, wozu das Joch 3 mit
einer Anschlußklemme 9 versehen ist. Mit 20 ist ein Isolator angegeben.
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Die Wirkungsweise der beschriebenen Ionenquelle nach F i g. 1 ist
folgende: Zur Inbetriebnahme der Ionenquelle wird zwischen die Klemmen 7 und 9 eine
Spannung von etwa 1000 bis 5000 V angelegt, mit dem positiven Pol bei 7. Unter dem
Einfluß des dadurch hervorgerufenen elektrischen Feldes zwischen dem Anodenzylinder
5 und den Kathodenflächen 3 a und 6a werden die vorhandenen Elektronen auf den Anodenzylinder
5 beschleunigt. Das axiale Magnetfeld (axial zum Anodenzylinder 5) verhindert jedoch,
daß die Elektroneu
eine nennenswerte radiale Driftgeschwindigkeit
annehmen. Die Elektronen werden vielmehr zu Oszillationen veranlaßt und legen auf
diese Weise große Wegstrecken zurück, so daß auch bei kleinen Gasdrücken (insbesondere
unterhalb 10-3 Torr) eine ausreichende Stoßwahrscheinlichkeit zwischen Elektronen
und Gasmolekülen besteht, wie sie für die Zündung und Aufrechterhaltung einer Entladung
notwendig ist. Die im Zuge dieser Entladung durch Elektronenstoß gebildeten Ionen
werden durch das elektrische Feld in Richtung auf die Kathodenflächen 3a und 6a
beschleunigt und so gezwungen, zu einem Teil durch die Öffnung 4 - die »Extraktionsöffnung«
- auszutreten.
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F i g. 2 zeigt eine Ionenquelle gemäß der Erfindung, versehen mit
der neuartigen, der Plasmafixierung dienenden Stabkathode 12. Die Teile 1, 3, 4,
5, 6, 6a, 7, 8, 9 und 20 entsprechen den gleich bezeichneten Teilen der F i g. 1.
Abweichend ist der Dauermagnet 1 unter Zwischenschaltung einer Isolierplatte 11
mit dem Joch 3 verbunden, also dem Joch 3 gegenüber elektrisch isoliert. Der Weicheisen-Polschuh
6 trägt die Stabkathode 12. Diese ist axial zur zylindrischen Anode 5 und damit
auch zur Extraktionsöffnung 4 orientiert. Der Durchmesser der Stabkathode ist klein
gegen die Zylinderanode 5 (kleiner als 1.0% des Durchmessers der Zylinderanode).
Die Stabkathode 12 endet nahe - vorzugsweise mit einem Abstand, der dem Stabdurchmesser
entspricht - vor der Ionenaustrittsöffnung. Das Kathodenblech 15 trägt in
der Mitte einen nach innen gerichteten rohrförmigen Ansatz 17. Das Kathodenblech
15 wird durch Isolatoren 19 gehaltert. Das Kathodenblech 15 ist elektrisch
durch die Verbindungsleitung 16 mit der Kathodenzuleitung bei Klemme 14 und damit
mit der Kathode 6 verbunden. Aus der Blende 4 ragt ein Blendenrohr 18 in den Entladungsraum.
Die Extraktionsspannung wird zwischen den Kathodenoberflächen 6a und 15 einerseits
und dem topfförmigen Joch 3 andererseits angelegt. Mit 1.9 und 20 sind Isolationsstücke
zur Befestigung des Kathodenbleches bzw. der Anode bezeichnet.
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F i g. 3 zeigt einen Querschnitt der Ionenquelle nach F i g. 2. Dabei
ist 3 wieder das topfförmige Joch, 6 die Kathode, 12 die geschnittene Stabkathode,
16 die im Schnitt dargestellte Verbindungsleitung zum Kathodenblech 15; 13 ist ein
Isolator, und mit 14 ist die Klemme für die Kathodenzuleitung bezeichnet.
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Die F i g. 4 und 5 zeigen Anordnungen von Stabkathoden. In F i g.
4 ist eine zentrale Stabelektrode 12 von drei Stabkathoden 12' umgeben. In F i g.
5 ist eine Anordnung von Stabkathoden 12' dargestellt ohne zentrale Stabelektrode.
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Die F i g. 6 und 7 zeigen vom kreisrunden Querschnitt abweichende
Querschnittsformen von Stabkathoden. In F i g. 6 ist eine quadratische und in F
i g. 7 eine elliptische Querschnittsform von Stabkathoden dargestellt.
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Die F i g. 8 zeigt die Anode 5 mit einem kreisrunden Querschnitt.
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Die F i g. 9 zeigt die Anode 5 mit einem quadratischen Querschnitt.
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In F i g. 10 ist eine Ionenquelle dargestellt, bei der die Stabkathode
12 nur etwa bis in die Mitte des Entladungsraumes ragt und bei der der nach innen
gerichtete rohrförmige Ansatz 17 stark verlängert ist bei wesentlich reduziertem
Innen- und Außendurchmesser. Hierdurch wird die Wirkung der Stabkathode wesentlich
unterstützt.
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Durch die Formgebung der Zylinderanode (Verhältnis von Höhe zu Durchmesser)
und durch den kleinen Abstand von Kathodenoberfläche bzw. Kathodenflächen und Anodenrand
wird die hohe Anodenspannung und die damit verbundene axiale Komponente der Feldstärke
von der Ionenaustrittsöffnung abgeschirmt. Auf diese Weise wird eine unzulässig
hohe axiale Ionengeschwindigkeit verhindert.
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Durch die Anordnung einer Stabkathode und ihren kleinen Abstand von
der Ionenaustrittsöffnung wird eine definierte Potentialfläche in der Nähe dieser
öffnung und damit das Entladungsplasma am gleichen Ort weitgehend festgelegt. Durch
die Anordnung der verhältnismäßig dünnen Stabkathode im Inneren des Anodenzylinders
entsteht eine besonders hohe Feldstärke an der Stabkathode. Als Folge hiervon wird
bewußt eine hohe radiale elektrische Feldstärke in Achsennähe erzeugt. Damit sind
hohe Stoßenergien der ionisierenden Elektronen und eine gleichmäßige Ionisierung
sämtlicher Gaskomponenten gewährleistet. Außerdem wird für eine verschwindend kleine
axiale Ionenenergie in der Nähe der Ionenaustrittsöffnung gesorgt. Die Ionenaustrittsgeschwindigkeit
wird damit fast ausschließlich durch die zwischen Kathodenblech und Masse (Joch)
angelegte Extraktionsspannung gegeben und von der Brennspannung der Ionenquelle
unabhängig gehalten.