DE1179309B

DE1179309B - Hochfrequenz-Ionenquelle

Info

Publication number: DE1179309B
Application number: DEC18925A
Authority: DE
Inventors: Siegfried Klein
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 1958-05-03
Filing date: 1959-05-02
Publication date: 1964-10-08
Also published as: US2969480A; FR73679E; CH354865A; LU37242A1; US2977495A; DE1190590B; CH354173A; GB882367A; LU37149A1; FR1209092A; GB882366A

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Internat. Kl.: HOIj

Deutschem.: 21g-21/01

Nummer: 1179 309

Aktenzeichen: C18925 VIII c / 21 g

Anmeldetag: 2. Mai 1959

Auslegetag: 8. Oktober 1964

Die Erfindung betrifft eine Hochfrequenz-Ionenquelle zur Erzeugung von Bündeln von ionisierten Teilchen, wie sie beispielsweise zur Weiterbehandlung in Teilchenbeschleunigern, Massenspektrometern, Anordnungen zur isotopischen Trennung usw. benutzt werden.

Bei den bekannten Hochfrequenz-Ionenquellen erfolgt die Ionisierung der Teilchen durch ein elektrisches Hochfrequenzfeld in einer im allgemeinen aus Quarz oder Glas, insbesondere Aluminium- und Natriumborsilikatglas, bestehenden Kammer. Es sind ferner Mittel zur Erzeugung eines Hochvakuums in der Kammer, zur Anlegung einer hohen Gleichspannung an die beiden Enden der Kammer und zur Speisung eines Endes der Kammer mit dem zu ionisierenden gasförmigen Stoff vorgesehen.

Es ist auch bereits bekannt, derartige Hochfrequenz-Ionenquellen als Hohlraumresonator auszubilden. Vorzugsweise handelt es sich hierbei um einen koaxialen Hohlraumresonator mit einem ao Außenleiter und einem innerhalb desselben liegenden Hohlleiter, wobei Innenleiter und Außenleiter an einem Ende kurzgeschlossen und am anderen Ende offen sind. Bei einem solchen Hohlraumresonator ist das eigentliche Entladungsgefäß am offenen Ende desselben angeordnet. Da an der offenen Seite das elektrische Feld in dem Resonator einen optimalen Wert hat, bildet es ein besonderes Problem, Überschläge zwischen dem Innen- und Außenleiter des Hohlraumresonators zu vermeiden.

Bei einer bekannten Hochfrequenz-Ionenquelle ist das offene Ende des Koaxialresonators durch ein kleines Entladungsgefäß aus Glas abgeschlossen. Hierbei ist der Abstand zwischen Innen- und Außenleiter so groß gewählt, daß eine unerwünschte Entladung zwischen den benachbarten Enden der Leiter verhindert wird. Der hierdurch entstehende relativ lange Weg für die Ionisationselektronen erfordert jedoch ein zusätzliches magnetisches Feld, um die Elektronen daran zu hindern, von ihren im wesentliehen parallel zur Achse des Resonators verlaufenden Bahnen abzuweichen. Bei dieser bekannten Ionenquelle ist das zusätzliche magnetische Feld am Ende des Hohlraumresonators notwendig, um eine zufriedenstellende Ionisationsausbeute zu erzielen.

Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, einen Hohlraumresonator für eine Ionenquelle derart auszubilden, daß die Nachteile der bekannten Einrichtungen vermieden werden, wobei insbesondere eine erhebliche Steigerung der Konzentration des Hochfrequenzfeldes an der offenen Seite des Resonators Hochfrequenz-Ionenquelle

Anmelder:

Commissariat ä l'Energie Atomique, Paris

Vertreter:

Dr. W. P. Radt und Dipl.-Ing. E. E. Finkener,

Patentanwälte, Bochum, Heinrich-König-Str. 12

Als Erfinder benannt:
Siegfried Klein, Paris

Beanspruchte Priorität:

Frankreich vom 3. Mai 1958 (764 698)

angestrebt wird, um dadurch bei gleicher Leistung eine Steigerung der Ionenausbeute zu erzielen.

Es wird bei der Erfindung von einer Hochfrequenz-Ionenquelle ausgegangen, die aus einem Rohr aus dielektrischem Material besteht, bei der Einrichtungen zur Erzeugung eines Hochvakuums in dem Rohr, Einrichtungen zum Anlegen einer hohen Gleichspannung an die beiden Enden des Rohres, Einrichtungen zum Zuführen des zu ionisierenden gasförmigen Stoffes an einem Ende des Rohres vorgesehen sind und die einen Hohlraumresonator enthält, der aus einem Außenleiter und einem innerhalb desselben sowie koaxial zu diesem angeordneten Innenleiter aufgebaut ist, wobei die beiden Leiter an einem Ende kurzgeschlossen, dagegen am anderen Ende offen sind.

Bei einer derartigen Hochfrequenz-Ionenquelle besteht die Erfindung darin, daß das Rohr an dem der Gaszufuhr abgewandten Ende eine Ausbauchung in Form einer abgeplatteten Zwiebel oder Knolle aufweist und die Ausbauchung am offenen Ende des Koaxial-Hohlraumresonators an dem Ort stärkster Konzentration der elektrischen Feldlinien angeordnet ist, daß der Innenleiter das Rohr an diesem anliegend von dem Ende, an dem das Gas einströmt, bis zur Ausbauchung umgibt, daß der Außenleiter durch zwei elektrisch leitende Platten abgeschlossen ist, von denen die eine an dem kurzgeschlossenen Ende des Hohlraumresonators an dem Innenleiter befestigt ist und diesen trägt und die andere an dem offenen Ende des Hohlraumresonators mit einer zentralen Öffnung für den Austritt der Ionen versehen ist und von dem Ende des Innenleiters, an

409 690/236

wird. Die Teile 3 und 4 sind aus einem gegen Ionenbeschuß beständigen Metall hergestellt, wie z. B. Platin, rostfreier Stahl oder Aluminium.

Das andere konische Ende 26 des Rohres 1 trägt 5 die Vorrichtung T zwecks Speisung mit dem zu ionisierenden Gas oder Dampf, welche in Form einer Kammer 27 ausgebildet ist, die an dem einen Ende 26 eine konische öffnung 28 und an dem anderen Ende eine hohle Elektrode 5 hat, durch welche, wie

welchem die Ausbauchung liegt, einen Abstand von der Größenordnung der Dicke der Ausbauchung hat. Um eine weitere Vergrößerung der Intensität des Hochfrequenzfeldes zu erreichen, sieht die Erfindung ferner vor, daß der Hohlraumresonator mittels kapazitiver Kopplung durch die Hochfrequenzstromquelle erregt wird. Nach einem weiteren Kennzeichen der Erfindung besteht die Hochfrequenzstromquelle aus einer Oszillatorröhre mit einer Kathode, einem

Steuergitter und einer Anode, wobei die beiden io durch den Pfeil F dargestellt, das zu ionisierende Gas

letzten Röhrenbauteile je mit einer der Belegungen eingeführt wird. In der Kammer 27 befindet sich eine

von drei Kondensatoren verbunden sind, deren andere Quarzscheibe 29 zwecks Erhöhung der Durchschlags-

Belegungen mit dem inneren Hohlleiter verbunden spannung.

sind, wobei ein einziges Blatt eines Dielektrikums je- Der größte Teil des Rohres 1 steckt in einem

weils zwischen den beiden Belegungen der drei Kon- 15 Koaxialleitungsresonator R, welcher aus einem das

densatoren angeordnet ist. Das dielektrische Blatt ist Rohr umgebenden Innenleiter 7 und einem Außen-

nach der weiteren Erfindung ein Glimmerblatt mit leiter 6 besteht. Eine bei 30 an den Außenleiter 6 an-

einer Dicke von etwa 0,1 mm. gelötete Metallplatte 8 schließt den Außenleiter 6

Der wesentliche Vorteil der gemäß der Erfindung seitlich ab. Die Platte 8 hat eine Bohrung 31 für den angewendeten Ausbauchung des Rohres am offenen 20 Durchtritt der in der ringförmigen Erweiterung 2 erEnde des Hohlraumresonators ist darin zu sehen, zeugten Ionen, welche das Rohr 1 in Richtung des daß es hierdurch überhaupt erst möglich ist, eine Pfeiles / verlassen. Vakuumdichtungen 32 und 33 sehr große Spannungsdifferenz zwischen den beiden aus Gummi sind zwischen der Platte 8 und der ringbenachbarten Enden der Leiter des Hohlraumresona- förmigen Erweiterung 2 sowie zwischen der Platte 8 tors einzustellen. Auf diese Weise erhält man auf 25 und der Wand 25 angeordnet. In gleicher Weise wird einem eng begrenzten Raum ein außerordentlich das andere Ende des Außenleiters 6 durch eine starkes Hochfrequenzfeld, wodurch die Ionisierung Metallplatte 34 verschlossen, welche bei 30 a an den der Teilchen wesentlich begünstigt wird. Die sich Außenleiter 6 angelötet ist und in ihrer Mitte zur radial zur Längsachse des Hohlraumresonators er- Aufnahme einer Muffe 35 ausgebohrt ist, in welche streckende Ausbuchtung aus dielektrischem Material 30 die rohrförmigen Teile 1 und 7 eingesteckt sind. Die verhindert in einfacher Weise jede unerwünschte Ent- Teile 6, 7, 8, 34, 35 sind aus gut leitenden Stoffen, ladung zwischen den beiden Leitern des Resonators. wie z. B. Kupfer.

Infolge der geringen Ausdehnung der Ionisierungs- Bei P dargestellte Pumpeinrichtungen stehen mit

zone wird die Anwendung eines zusätzlichen Magnet- dem Raum 50 und über die öffnungen 4 a des Teils 4

feldes überflüssig, da ein Abweichen der Teilchen 35 mit dem Entladungsgefäß 1 in Verbindung und halten

auf der kurzen Wegstrecke praktisch nicht eintritt. ein Vakuum in der Größenordnung von 10~³ bis

Die Hochfrequenz-Ionenquelle gemäß der Erfin- 10~⁴ mm Hg in dem Teil des Entladungsgefäßes 1

dung eignet sich besonders zur Ionisierung von aufrecht, in dem die Ionisierung stattfindet. Der elek-

Gasen, z. B. Wasserstoff, Deuterium, Helium, Stick- irische Teil der Ionenquelle wird an Hand der F i g. 2

stoff, oder Dämpfen, z. B. Leichtmetallen, wie Litium 40 erläutert.

und Natrium. Sie ist vorzugsweise zur Erzeugung Der Hochfrequenzgenerator hat eine Oszillatorvon Bündeln von ionisierten Teilchen für die Spei- röhre 9, die gemäß einer Dreipunktschaltung geschalsung eines Teilchenbeschleunigers mit hoher Ionen- tet ist. Sie arbeitet bei einer Frequenz in der Größenausbeute (in der Größenordnung von etwa 10 mA Ordnung von 150 MHz und liefert eine Leistung von bei einer Hochfrequenzleistung von etwa 75 W) be- 45 etwa 75 bis 100 W. Die Oszillatorröhre 9 kann z. B. stimmt. eine Tetrode sein, deren Anode 11 aus der Leitung

Weitere Einzelheiten der Erfindung werden an 10 mit der Anodenspannung +HT₁ gespeist wird,

Hand zeichnerisch dargestellter Ausführungsbeispiele deren Schirmgitter 14 durch die Leitung 13 mit der

erläutert. Schirmgitterspannung +HT., gespeist wird, deren

F i g. 1 ist eine Schnittansicht einer bevorzugten 50 Kathode 38 durch die Drähte 39 mit Heizspannung

Ausführungsform einer Ionenquelle gemäß der Er- versorgt wird, und die Leitung 19, die mit der einen findung ohne die Einrichtungen zur elektrischen Speisung derselben;

F i g. 2 zeigt die elektrische Speisung der Ionenquelle nach Fig. 1;

F i g. 3 zeigt schematisch den Hohlraumresonator und die Art seiner Erregung;

F i g. 4 zeigt das Ersatzschaltbild für den Hohlraumresonator.

Die in F i g. 1 dargestellte Ionenquelle hat ein 60 seits über einen Widerstand 17 von einigen tausend rohrförmiges Entladungsgefäß 1, welches im allge- Ohm und den Stab 44 mit dem Kondensator 18 vermeinen aus Glas oder aus Quarz besteht und dessen bunden, welcher durch den Leiter 44 a mit der Leieines Ende 24 eine ringförmige Erweiterung 2 auf- tung 19 verbunden ist, d. h. hochfrequenzmäßig mit weist, welche z. B. ein Volumen in der Größen- der Kathode der Oszillatorröhre. Schließlich wird die Ordnung von einem Kubikzentimeter hat. Das Ende 65 Anodenspannung durch den Stab 37 an den Konden-24 des Rohres stützt sich an einem Ring 3 ab, wel- sator 12 angelegt.

eher von einem in einer Vertiefung 25 α einer leiten- Diese drei Kondensatoren 12, 16, 18 dienen zum

den Wand 25 gehaltenen konischen Teil 4 getragen Abblocken der verschiedenen an den Elektroden der

Heizleitung 39 verbunden ist, an dem negativen Pol —HT der Anodenspannungen liegt. Drosselspulen 40 verhindern den Rückfluß der durch die Röhre 9 er-55 zeugten Hochfrequenzströme, während Kondensatoren 41, 42 den unmittelbaren Übertritt des Gleichstroms in die Leitung 19 verhindern. Das Steuergitter 15 der Röhre 9 ist einerseits unmittelbar durch den Stab 43 mit dem Kondensator 16 und anderer-

Claims

5 6

Oszillatorröhre liegenden Gleichspannungen. Das Patentansprüche:

Dielektrikum zwischen den Belegungen dieser Kon-

densatoren ist ein einziges Glimmerblatt 36 für alle 1. Hochfrequenz-Ionenquelle, bestehend aus

drei Kondensatoren mit einer Dicke von etwa einem Rohr aus einem dielektrischen Material,

0,1 mm. 5 Einrichtungen zur Erzeugung eines Hochvakuums

Mit Hilfe der Cu-Stäbe 20, 21, 22, die mit dem in dem Rohr, Einrichtungen zum Anlegen einer

Innenleiter 7 und den Belegungen der Kondensatoren hohen Gleichspannung an die beiden Enden des

12, 16, 18 verbunden sind, wird die Hochfrequenz- Rohres, Einrichtungen zum Zuführen von einem

spannung auf den Koaxialleitungsresonator über- zu ionisierenden gasförmigen Stoff an das eine

tragen. Die Abschirmung 23 des HF-Generators io Ende des Rohres und aus einem Hohlraumreso-

kann geerdet werden. nator, der aus einem Außenleiter und einem

Zum Absaugen der Ionen wird zwischen der Elek- innerhalb desselben und koaxial zu diesem ange-

trode 5 (positiver Pol +HT₀) und der Platte 8 (nega- ordneten Innenleiter aufgebaut ist und bei dem

tiver Pol -HT₀) eine hohe Gleichspannung angelegt. diese beiden Leiter an einem Ende kurzgeschlos-

Die Schaltelemente und Spannungen der Fig. 2 15 sen und am anderen Ende offen sind, dadurch

können folgende Werte haben: gekennzeichnet, daß das Rohr(l) an dem

der Gaszufuhr abgewandten Ende (24) eine Aus-

1 + /UU V bauchung (2) in Form einer abgeplatteten Zwie-

₂ +1500 V bei oder Knolle aufweist und diese Ausbauchung

-HT OV ao am offenen Ende des Koaxial-Hohlraumresona-

41 ι 500 pF ^{tors an} de^m O^rt stärkster Konzentration der elek-

42 6 οπή _op irischen Feldlinien angeordnet ist, daß der Innen-

_ . _- ^._TT leiter (7) das Rohr (1) an diesem anliegend von

^Frecl^ueilz ^{150 MHz} dem Ende, an dem das Gas einströmt, bis zur

17 20 000 Ohm ₂₅ Ausbauchung umgibt, daß der Außenleiter (6)

+HT₀ +20 000 V durch zwei elektrisch leitende Platten (8, 34) ab-

-HT +15 000 V geschlossen ist, von denen die eine an dem kurz-⁰ geschlossenen Ende des Hohlraumresonators an Der in der vorher beschriebenen Weise zu Schwin- dem Innenleiter befestigt ist und diesen trägt und gungen angeregte Koaxialleitungsresonator zeigt 30 die andere an dem offenen Ende des Hohlraumeinen Feldlinienverlauf 46, wie er in F i g. 3 darge- resonators mit einer zentralen öffnung für den stellt ist. In dem Gebiet S zwischen dem freien Ende Austritt der Ionen versehen ist und von dem des Innenleiters 45 und der gegenüberliegenden Wand Ende (45) des Innenleiters, an welchem die Ausdes Außenleiters hat die elektrische Feldstärke ein bauchung (2) liegt, einen Abstand (d) von der Maximum. An dieser Stelle ist auch die Kapazität 35 Größenordnung der Dicke (e) der Ausbauchung des Koaxialleitungsresonators konzentriert, während hat.

sich die Induktivität auf die gesamten übrigen Teile 2. Ionenquelle nach Anspruch 1, dadurch gedes Koaxialleitungsresonators verteilt. kennzeichnet, daß der Hohlraumresonator (R) F i g. 4 zeigt das Ersatzschaltbild für den Koaxial- mittels kapazitiver Kopplung durch die Hochleitungsresonator, der als eine Parallelschaltung einer 40 frequenzstromquelle (9) erregt wird. Induktivität L mit einer Kapazität C, die am Ort S 3. Ionenquelle nach Anspruch 2, dadurch gekonzentriert ist, dargestellt werden kann. G ist der kennzeichnet, daß die Hochfrequenzstromquelle HF-Generator zur Erregung dieses Parallelresonanz- (9) aus einer Oszillatorröhre mit einer Kathode kreises. Diese Ionenquelle arbeitet folgendermaßen: (38), einem Steuergitter (15) und einer Anode Das zu ionisierende Gas oder der zu ionisierende 45 (11) besteht, welche beiden letzten Röhrenbau-Dampf kommt durch die Elektrode 5 in das Ent- teil mit je einer der Belegungen von drei Kondenladungsgefäß und wird im wesentlichen in der ring- satoren (12,16,18) verbunden sind, deren andere förmigen Erweiterung 2, die sich am Ort der größten Belegungen mit dem inneren Hohlleiter (7) verFeldstärke S befindet, ionisiert. Der Ionisierungsgrad bunden sind, wobei ein einziges Blatt eines Dibeträgt wenigstens 70 °/o. Das ionisierte Gas wird nun 50 elektrikums (36) jeweils zwischen den beiden mit Hilfe der Absaugspannung und von Fokussie- Belegungen der drei Kondensatoren angeordrungselektroden in bekannter Weise als Strahl / aus net ist.

der Ionenquelle herausgebracht. 4. Ionenquelle nach Anspruch 3, dadurch ge-

Der hohe Ionisierungsgrad des Gases oder Dampfes kennzeichnet, daß das dielektrische Blatt ein

am Ort der ringförmigen Erweiterung 2 wird erreicht 55 Glimmerblatt mit einer Dicke von etwa 0,1 mm ist.

durch die Konzentration der Kraftlinien des elek-

trischen Feldes in dem Gebiets und infolge der geringen Verluste eines Hohlraumresonators bei In Betracht gezogene Druckschriften: Höchstfrequenzen im Vergleich zu den Schwing- »Helv. Phys. Acta«, Bd. 30, 1957, H. 4, S. 292 kreisen mit konzentrierten Schaltelementen. Die Ein- 60 bis 296;

leitung der Ionisierung kann ebenfalls leicht erfolgen, »The Rev. of Scient. Instr.«, Vol. 19, 1948, Nr. 12,

da infolge der geringen Verluste eine starke Span- S. 905 bis 910;

nungsüberhöhung auftritt. Ein weiterer sehr wesent- M. v. Ardenne, »Tabellen der Elektronenphysik, licher Vorteil dieser Ionenquelle besteht darin, daß Ionenphysik und Ubermikroskopie«, Bd. I, 1956, die Ionisierungszone^ der Absaugzone benachbart ist. 65 Berlin, S. 538, H. III.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

409 690/236 9.64 © Bundesdruckerei Berlin