DE1190590B - Ion source - Google Patents
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Description
DEUTSCHESGERMAN
PATENTAMTPATENT OFFICE
AUSLEGESCHRIFTEDITORIAL
Int. α.:Int. α .:
HOIjHOIj
Deutsche Kl.: 21g-21/01German class: 21g-21/01
Nummer: 1190590Number: 1190590
Aktenzeichen: C19119 VIII c/21 gFile number: C19119 VIII c / 21 g
Anmeldetag: 3. Juni 1959 Filing date: June 3, 1959
Auslegetag: 8. April 1965Opening day: April 8, 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.The invention relates to an ion source with separate ion generation and ion extraction, at which the ion generation takes place in a vessel made of dielectric material, through one of which Side that one of the two extraction electrodes (positive) passes through, which is used to supply gas at the same time serves, and the opposite side of which has an ion outlet opening, and in the case of the negative one arranged outside the vessel surrounding the ion generation space Extraction electrode is at a potential of several thousand volts DC. Such Ion sources are known. They are mainly used to generate bundles of ionized particles for particle accelerators, mass spectrometers, units for isotopic separation, etc.
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.In the known ion sources, the extraction electrode is either inside the suction opening, d. H. partially within the discharge vessel, or directly in front of the suction opening arranged. Both types of embodiment have disadvantages. When the extraction electrode lies within the suction opening, there is a risk that it will be quickly destroyed by the ion bombardment will. The external arrangement of the extraction electrode, on the other hand, favors the disadvantageous recombination of ions on metal surfaces.
Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine Ionenquelle derart auszubilden, daß die vorgenannten Nachteile vermieden werden.The aim of the present invention is to design an ion source such that the aforementioned Disadvantages are avoided.
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.For this purpose, the vessel according to the invention has the positive extraction electrode on its opposite side a tubular extension delimiting the ion exit opening which is surrounded by the negative extraction electrode.
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.The formation of the ion source provided according to the invention is eliminated in a simple manner the disadvantages of the known ion sources. The usable ions can hit the metal surface of the extraction electrode no longer meet. Furthermore, the spatial separation of the extraction electrode results and ion plasma the possibility of very high potential differences between extraction electrodes and to apply the electrode serving for the gas feed without exposing oneself to the risk of undesired discharges.
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 IonenquelleThe ion source is suitable for ionizing gases, e.g. B. hydrogen, deuterium, helium, nitrogen or steaming, e.g. B. of light metals such as lithium, sodium. It is preferably for generation of bundles of ionized particles for the ion source
Anmelder:Applicant:
Commissariat ä !'Energie Atomique, ParisCommissariat ä! 'Energie Atomique, Paris
Vertreter:Representative:
Dr. phil. W. P. RadtDr. phil. W. P. Radt
und Dipl.-Ing. E. E. Finkener, Patentanwälte,and Dipl.-Ing. E. E. Finkener, patent attorneys,
Bochum, Heinrich-König-S'tr. 12Bochum, Heinrich-König-S'tr. 12th
Als Erfinder benannt:
Siegfried Klein, ParisNamed as inventor:
Siegfried Klein, Paris
Beanspruchte Priorität:Claimed priority:
Frankreich vom 4. Juni 1958 (767110)France of June 4, 1958 (767110)
Speisung eines Teilchenbeschleunigers mit hoher Ionenausbeute (in der Größenordnung von etwa 10 mA bei einer Hochfrequenzleistung von etwa 75 W) bestimmt.Feeding a particle accelerator with a high ion yield (in the order of magnitude of approx 10 mA at a high frequency power of about 75 W).
Weitere Einzelheiten der Erfindung werden nachfolgend an Hand einer zeichnerischen Darstellung erläutert. Es zeigtFurther details of the invention are given below on the basis of a graphic representation explained. It shows
F i g. 1 eine schematische Darstellung einer Ionenquelle in einem Längsschnitt undF i g. 1 shows a schematic representation of an ion source in a longitudinal section and
Fig. 2 eine mehr ins einzelne gehende Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Ionenquelle, ebenfalls in einem Längsschnitt.2 shows a more detailed illustration of an exemplary embodiment of an ion source, also in a longitudinal section.
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.The ion source shown in Fig. 1 includes a tube 1 made of insulating material, for. B. made of quartz or glass (ζ. B. aluminum and sodium borosilicate glass), one end 26 of which is fed with the gas or vapor to be ionized through an electrode 5 provided with a bore, which is located in the vicinity of a quartz disk 30 (which to increase the breakdown voltage within the tube 1), while the other end 24 of the tube has a bulge 2 in the form of a flattened globe of small dimensions (e.g. in the order of 1 cm 3 ).
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 nurThe tube 1 is partly in an equiaxed cavity resonator R, ζ. Β. made of copper, which is formed by an inner waveguide 7 partially surrounding the tube, an outer conductive sheath 6 (outer conductor) coaxial with the conductor 7 and two metal plates 8 and 34, which close the cavity resonator at the end faces, the first Plate 8 only
509 538/328509 538/328
mit der Hülle 6 und die zweite Platte 34 gleichzeitig mit dem Innenleiter 7 und der Hülle 6 verbunden ist.connected to the sheath 6 and the second plate 34 simultaneously to the inner conductor 7 and the sheath 6 is.
Dieser Hohlraumresonator R wird von einem Oszillator 9 gespeist, welcher kapazitiv über Kondensatoren 12, 16 und 18 mit dem Innenleiter 7 gekoppelt ist.This cavity resonator R is fed by an oscillator 9 which is capacitively coupled to the inner conductor 7 via capacitors 12, 16 and 18.
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.A high vacuum in the order of magnitude of 10 ~ s to 10 ~ 4 mm Hg is maintained in the pipe 1 and in the extraction chamber E separating this pipe from the particle accelerator A by a vacuum pump P. In the chamber £ an extraction electrode 51 is arranged, which is adjacent to the globe 2, but lies outside the tube 1 and surrounds its tubular extension. This electrode is brought with respect to the pierced electrode 5 for the introduction of the gas or vapor to be ionized to a high negative potential T 2 (z. B. in the order of 5000 V), so that between these two electrodes 5 and 51 an electrostatic Field arises, which the positive ions in Fig. 1 accelerates from right to left and leads out of tube 1.
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.The ions, which are essentially generated in the bulb 2, which is located at the point at which the high-frequency field in the cavity resonator R has its maximum value, and which are guided out and accelerated by the extraction electrode 51 in the form of a bundle / out of the tube 1 , are detected by an acceleration electrode 52, which is held by an insulator 53 and brought by a conductor 54 to a potential T 1 , which is between that of the electrode 51 and that of the housing 55 of the particle accelerator Λ, which can be grounded (potential T 0 ), where the potentials T 3 (potential of electrode 5), T 2 , T 1 and T 0 have decreasing values. The electrode 52 directs the ions through its central opening 56 directly to the opening 58 of the particle accelerator 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.The ion source according to FIG. 2 has a tube 1 which is generally made of glass or quartz and one end 24 of which contains a bulge 2 in the form of a flattened bulb of smaller dimensions, which has a volume of the order of 1 cm 3 , for example.
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.The other conical end 26 of the tube 1 carries the device T for feeding with the gas or steam to be ionized. This device contains a chamber 27 with two tubular end pieces 28 and 29, one of which receives the end 26 of the tube 1 and the other receives a pierced electrode 5; the gas to be ionized or the previously vaporized element is introduced through the electrode 5. A quartz disk 30 is arranged in the chamber 27 to increase the breakdown voltage of the gas atmosphere within the ion source.
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.The greater part of the tube 1 is located in a coaxial cavity resonator R, which is formed by an inner conductor 7 surrounding the tube 1 and an outer conductive sheath 6 (outer conductor). A metal plate 8 soldered to the outer conductor 6 to establish the electrical connection closes one side of the outer conductor 6. This plate 8 contains a central hole 31 for the passage of the ions generated in the globe 2, which leave the tube 1 in the direction of the arrow /. Toric rubber seals 32 and 33 are arranged between the plate 8 and the globe 2 and between the plate and the wall 25 of the suction chamber £. The other end face of the shell 6 of the resonator is closed in the same way by a metal plate 34 soldered on. In the middle of the plate 34 there is a hole for receiving a sleeve 35 into which the tubular parts 1 and 7 are inserted. The parts 6, 7, 8, 34 and 35 consist of a material with good electrical conductivity, e.g. B. Copper.
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.In the suction chamber E there are the extraction electrode 51, which is held by an insulator 59 in the vicinity of the globe 2 but is outside the tube 1, and the cup-shaped acceleration electrode 52, which is carried by the insulator 53 and with its opening 56 den picks up central part of the discharged and accelerated ion beam by the electrode 51. The periphery of this bundle is restrained by the outer wall 57 of the electrode 52 so that only the central portion of the bundle / aperture 58 of the accelerator A reaches. A toroidal seal 60 is arranged between the wall 61, the chamber E and the wall 55 of the accelerator 1.
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.A pumping device P communicates with the chamber E through the line 62 to maintain a vacuum in the tube 1 on the order of 10 " s to 10 ^ mm Hg.
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.The above ion source works as follows: The gas to be ionized or the vapor to be ionized arrives through the electrode 5 and is essentially ionized in the bulge 2 in the form of a flattened bulb, which is located in a zone of maximum high-frequency field strength. The ionization is initiated in this bulge and takes place with great intensity, so that a very strong bundle / is created which contains a relatively high proportion of ions. The ions generated in this way are then subjected to an acceleration field by the suction or extraction electrode 51 and the acceleration electrode 52, which guides them to the use device, e.g. a particle accelerator A. The acceleration electrode takes approximately 50 to 80%, preferably 75%, of the total in the original bundle ions present.
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.The arrangement of the electrode 51 in the suction chamber E on the outside of the tubular extension on the globe offers numerous advantages: it protects the electrode 51 against ion bombardment, which would destroy it more or less quickly, as is the case with ion sources with one in the insulating tube lying discharge electrode is the case; it prevents the usable ions from reaching metal surfaces on electrode 51 which would encourage their reunification; it allows potential differences to be applied between the electrode 5 and the electrode 51 without the risk of breakdown, which are so high that the electrode 51 also plays the role of an acceleration electrode, which allows the omission of at least one of the electrodes normally used for this in the known devices with ion source and accelerator .
Eine derartige Ionenquelle gestattet die Herstellung von Wasserstoffatomionen (Protonen) unterSuch an ion source allows the production of hydrogen atom ions (protons) under
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. excellent conditions, as there is no metal surface, which causes secondary electron emission which would neutralize the protons by uniting with them on the Way of the actually used ions is present. One obtains ion bundles which are under the Hydrogen ions contain at least 70% protons.
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.The invention can of course be modified. So you can z. B. instead of letting the potentials decrease in the order T 2 , T 1 and T 0 , make the potential T 1 smaller than the potential T 0 in order to achieve an additional electrostatic focusing of the ion beam.
Claims (1)
Annalen der Physik, Bd. 14, 1954, 6. Folge, S. 33 bis 53;HeIv. Phys. Acta, Vol. 30, 1957, H. 4, p. 292;
Annalen der Physik, Vol. 14, 1954, 6th episode, pp. 33 to 53;
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