DE1261605B - Thermal ion source with surface ionization - Google Patents
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Description
BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLANDFEDERAL REPUBLIC OF GERMANY
DEUTSCHESGERMAN
PATENTAMTPATENT OFFICE
AUSLEGESCHRIFTEDITORIAL
Int. CL:Int. CL:
HOIjHOIj
Deutsche Kl.: 21g-21/01 German classes : 21g -21/01
Nummer: 1261605Number: 1261605
Aktenzeichen: C 35700 VIII c/2i gFile number: C 35700 VIII c / 2i g
Anmeldetag: 27. April 1965 Filing date: April 27, 1965
Auslegetag: 22. Februar 1968Open date: February 22, 1968
Die Erfindung betrifft eine thermische Ionenquelle mit Oberflächenionisation, bestehend aus einem umschlossenen, von Gas- oder Metalldampf erfüllten Raum, dessen beheizten Wände aus einem Material bestehen, dessen Elektronenaustrittsarbeit größer ist als die Ionisierungsenergie der im Gas oder Metalldampf enthaltenen Atome, Ionenaustrittsöffnungen in einer der Wände und Elektroden vor den Öffnungen zum Extrahieren der Ionen aus dem in dem geschlossenen Raum entstehenden Plasma.The invention relates to a thermal ion source with surface ionization, consisting of an enclosed, filled with gas or metal vapor Room whose heated walls are made of a material with a greater electron work function as the ionization energy of the atoms contained in the gas or metal vapor, ion exit openings in one of the walls and electrodes in front of the openings for extracting the ions from that in the closed Plasma created in space.
Es sind thermische Ionenquellen mit Oberflächenionisation bekannt, bei denen die Ionen durch die Poren eines porösen Körpers oder durch Kapülarkanäle austreten. Der wesentliche Nachteil dieser bekannten Quellen besteht darin, daß trotz relativ hoher Betriebstemperatur nur eine geringe Ionenstromdichte erzielt werden kann.There are thermal ion sources with surface ionization known, in which the ions by the Pores of a porous body or through capillary channels. The main disadvantage of this known Sources consists in the fact that, despite the relatively high operating temperature, only a low ion current density can be achieved.
Ziel der Erfindung ist die Schaffung einer leistungsfähigen thermischen Ionenquelle mit Oberflächenionisation, die einfach aufgebaut ist, eine relativ geringe Heizleistung benötigt und einen Ionenstrahl von hoher Dichte liefern kann.The aim of the invention is to create a powerful thermal ion source with surface ionization, which has a simple structure, requires a relatively low heating power and an ion beam of high density can deliver.
Dies wird bei einer thermischen Ionenquelle der eingangs angeführten Gattung dadurch erreicht, daß
der Durchmesser der Ionenaustrittsöffnungen, ausgedrückt in Metern, gleich oder geringer als 2 R mit
Thermische Ionenquelle
mit OberflächenionisationIn the case of a thermal ion source of the type mentioned at the outset, this is achieved in that the diameter of the ion outlet openings, expressed in meters, is equal to or less than 2 R with a thermal ion source
with surface ionization
= 195 = 195
γ \2 ην γ \ 2 η ν
ist, wobei T die Wandtemperatur in Grad Kelvin und rip die Anzahl der Ionen oder Elektronen pro Kubikmeter des Plasmas ist.where T is the wall temperature in degrees Kelvin and rip is the number of ions or electrons per cubic meter of the plasma.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Ionenquelle ist die Dicke der Wand von derselben Größenordnung wie der Durchmesser der Ionenaustrittsöffnungen. According to a preferred embodiment of the ion source, the thickness of the wall is the same The order of magnitude is the same as the diameter of the ion outlet openings.
Die Erfindung wird im folgenden beispielsweise an Hand der Zeichnung beschrieben; in dieser zeigtThe invention is described below, for example, with reference to the drawing; in this shows
F i g. 1 schematisch ein Ausführungsbeispiel für eine thermische Ionenquelle,F i g. 1 schematically shows an exemplary embodiment for a thermal ion source,
F i g. 2 und 3 Darstellungen zur Erläuterung des Prinzips dieser Ionenquelle undF i g. 2 and 3 representations to explain the principle of this ion source and
F i g. 4 ein Beispiel eines Kurvenbildes, das zur Ausgestaltung und Dimensionierung der Ionenquelle verwendet werden kann.F i g. 4 shows an example of a graph used for the design and dimensioning of the ion source can be used.
Die in F i g. 1 dargestellte Ionenquelle umfaßt eine Ionisationskammer oder einen umschlossenen Raum 1 mit Tantalwänden 2, die beispielsweise mittels eines Heizdrahtes 3 auf eine gewünschte Temperatur gebracht werden kann.The in F i g. The ion source shown in FIG. 1 comprises an ionization chamber or an enclosed one Room 1 with tantalum walls 2, for example by means of a heating wire 3 to a desired temperature can be brought.
Anmelder:Applicant:
CSF - Compagnie GeneraleCSF - Compagnie Generale
de Telegraphie sans FiI, Parisde Telegraphie sans FiI, Paris
Vertreter:Representative:
Dr. W. Müller-Bore, Dipl.-Ing. H. Gralfs
und Dr. rer. nat. G. Manitz, Patentanwälte,
8000 München 22, Robert-Koch-Str. 1Dr. W. Müller-Bore, Dipl.-Ing. H. Gralfs
and Dr. rer. nat. G. Manitz, patent attorneys,
8000 Munich 22, Robert-Koch-Str. 1
Als Erfinder benannt:
Raymond Le Bihan,
Daniel Maugis, ParisNamed as inventor:
Raymond Le Bihan,
Daniel Maugis, Paris
Beanspruchte Priorität:Claimed priority:
Frankreich vom 27. April 1964 (972 401)France of April 27, 1964 (972 401)
Der umschlossene Raum 1 steht über einen Kanal 4 mit einem Caesiumbehälter 5 in Verbindung, der ebenfalls durch in der Figur nicht gezeigten geeigneten Mittel auf eine erwünschte Temperatur gebracht werden kann.The enclosed space 1 is connected to a cesium container 5 via a channel 4, which is also brought to a desired temperature by suitable means not shown in the figure can be.
Die obere Wand des umschlossenen Raums ist teilweise mit Öffnungen versehen, die mit Gittern 6 bedeckt sind.The upper wall of the enclosed space is partially provided with openings, which are covered with grids 6 are.
Eine Extraktionselektrode 7, die über dem umschlossenen Raum angeordnet ist und an die mittels einer nicht dargestellten Spannungsquelle ein negatives Potential in bezug auf den umschlossenen Raum angelegt ist, weist Öffnungen auf, die den Gittern 6 gegenüberliegen.An extraction electrode 7, which is arranged above the enclosed space and to which by means a voltage source, not shown, has a negative potential with respect to the enclosed space is applied, has openings which are opposite to the grids 6.
Beim Betrieb dringt der Caesiumdampf, der beim Erhitzen des Vorratsbehälters 5 erzeugt wird, in den umschlossenen Raum 1 ein, dessen Wände auf einer hohen Temperatur, beispielsweise zwischen 1400 und 22000K gehalten werden, und die Caesiumatome werden in Elektronen und positiven Ionen zerlegt. Diese Erscheinung, welche als »Oberflächenionisation« oder »Kontaktionisation« bekannt ist, führt zur Ausbildung eines Plasmas im Inneren des umschlossenen Raumes 1.During operation, the cesium vapor that is generated when the storage container 5 is heated penetrates into the enclosed space 1, the walls of which are kept at a high temperature, for example between 1400 and 2200 ° K, and the cesium atoms are broken down into electrons and positive ions. This phenomenon, known as “surface ionization” or “contact ionization”, leads to the formation of a plasma inside the enclosed space 1.
Das Plasma, welches Elektronen, positive Ionen und einen gewissen Anteil an neutralen Atomen umfaßt, ist jedoch nicht in Berührung mit den WändenThe plasma, which includes electrons, positive ions and a certain proportion of neutral atoms, however, it is not in contact with the walls
809 509/260809 509/260
daß tatsächlich der Ionenstrom nicht durch die Dicke der Gitter beeinflußt wird. Andererseits ist es klar, daß dicke Gitter (tiefe Löcher) Druckverluste hervorrufen, die bei dünnen Gittern (nicht tiefe Löcher) 5 praktisch nicht vorhanden sind, so daß es bei dünnen Gittern ausreicht, das den Metalldampf liefernde Reservoir auf eine niedrigere Temperatur zu erhitzen als bei dicken Gittern.that actually the ion current does not go through the thickness the grid is affected. On the other hand, it is clear that thick grids (deep holes) cause pressure losses, which are practically non-existent with thin grids (not deep holes) 5, so that it is with thin Grids are sufficient to heat the reservoir supplying the metal vapor to a lower temperature than with thick bars.
In dem beschriebenen Beispiel sind Caesium undIn the example described are cesium and
des umschlossenen Raumes 1, da sich zwischen den Wänden und dem Plasma eine hauptsächlich aus Ionen bestehende Schicht oder Umhüllung ausbildet, falls die Wände aus einem Material bestehen, dessen Elektronenaustrittsarbeit größer ist als die Ionisierungsenergie der im Gas oder Metalldampf enthaltenen Atome. Die Ionendichte (Anzahl der Ionen pro Einheitsvolumen) ist also in der den Wänden benachbarten Umhüllung beträchtlich höher als in demof the enclosed space 1, since between the walls and the plasma a mainly from Ions existing layer or envelope forms, if the walls are made of a material, its The work function of the electrons is greater than the ionization energy contained in the gas or metal vapor Atoms. The ion density (number of ions per unit volume) is therefore that of the neighboring walls Serving considerably higher than in that
Plasma, welches den übrigen Teil des umschlossenen io Tantal erwähnt, anstatt Caesium können auch andere Raumes einnimmt. Metalle verwendet werden, die leicht ionisierbar sindPlasma, which mentions the remaining part of the enclosed tantalum, instead of cesium can also be other Takes up space. Metals are used that are easily ionizable
Die F i g. 2 und 3 zeigen, was geschieht, wenn der (Kalium, Lithium, Rubidium, Natrium usw.), und
Radius der lonenaustrittsöffnung die Dicke der das Tantal kann durch andere Metalle ersetzt wer-Ionenumhüllung
überschreitet oder nicht überschrei- den, die eine hohe Austrittsarbeit aufweisen (WoIftet.
In den Figuren ist das Plasma mit dem Bezugs- 15 ram, Molybdän, Rhenium usw.). Bei einem umzeichen
8 bezeichnet, die Wand des umschlossenen schlossenen Wolframraum, der auf 1800° K erhitzt
Raumes ist mit 2 und die Ionenhülle, welche durch
die Zeichen + angedeutet ist, ist mit der Bezugs-. zahl 9 bezeichnet.The F i g. 2 and 3 show what happens when the (potassium, lithium, rubidium, sodium, etc.), and radius of the ion exit opening exceeds the thickness of the tantalum can be replaced by other metals or does not exceed the ion envelope, which has a high work function (WoIftet. In the figures, the reference plasma is ram, molybdenum, rhenium, etc.). With a umzeichen 8, the wall of the enclosed, closed tungsten space, which is heated to 1800 ° K, is designated with 2 and the ion shell, which passes through
the sign + is indicated is with the reference. number 9 denotes.
Bei der Ausführungsform nach F i g. 2 ist der Ra- 20 bei 1900° K zu extrahieren,
dius der in der Wand 2 vorgesehenen Öffnung größer Die Extraktionsöffnungen können einen Querais
die Dicke der Umhüllung 9. In dieser Öffnung schnitt von beliebiger Form aufweisen: kreisförmig,
umgeben die Ionen der Umhüllung 9 einen Teil des quadratisch, rechteckig, dreieckig usw., und die Git-Plasmas
8. Andererseits, nämlich im Fall der F i g. 3, ter können durch Netze von parallelen Drähten erwo
der Öffnungsradius gleich der Dicke der Umhül- 25 setzt werden, die durch enge Zwischenräume getrennt
lung 9 ist, durchströmen nur die Ionen der Umhül- sind. In allen Fällen wird die Ionenextraktion durchIn the embodiment according to FIG. 2 the Ra- 20 is to be extracted at 1900 ° K,
dius of the opening provided in the wall 2 larger. The extraction openings can have a querais the thickness of the envelope 9. In this opening cut of any shape: circular, the ions of the envelope 9 surround part of the square, rectangular, triangular, etc., and the Git plasmas 8. On the other hand, namely in the case of FIG. 3, through networks of parallel wires where the opening radius is equal to the thickness of the envelope, which is separated by narrow spaces, only the ions of the envelope flow through. In all cases, the ion extraction is carried out
Durchgänge oder Kanäle bewirkt, deren Breite das Doppelte der Dicke der Ionenumhüllung nahe den Wänden des isothermen Hohlraumes nicht überschreitet. Causes passages or channels whose width is twice the thickness of the ion cladding near the Walls of the isothermal cavity does not exceed.
wird, ist es bei Anwendung des erfindungsgemäßen Prinzips also möglich, eine Ionendichte in der Größenordnung von 500 mA/cm2 und mehr als 1 A/cm2 When the principle according to the invention is applied, it is therefore possible to achieve an ion density of the order of magnitude of 500 mA / cm 2 and more than 1 A / cm 2
lung die Öffnung, ohne daß irgendein Teil des Plasmas mitgezogen wird. Daher ist die mittlere Dichte des Ionenstromes und der Ionisationsgrad im Falle der F i g. 3 viel höher als in dem Falle der F i g. 2.ment the opening without losing any part of the plasma is dragged along. Hence the mean density of the ion current and the degree of ionization in the case the F i g. 3 much higher than in the case of FIG. 2.
Die Öffnungen der Gitter 6 (F i g. 1) erhalten einen Radius, der gleich oder geringer als die Dicke R der Ionenumhüllung ist.The openings of the grids 6 (FIG. 1) are given a radius which is equal to or less than the thickness R of the ion cladding.
Die Dicke R kann durch die obenerwähnte FormelThe thickness R can be expressed by the above-mentioned formula
= 195= 195
np n p
3535
vorbestimmt werden; dabei ist der Wert von n„ durch die Beziehungto be predetermined; where the value of n is “ through the relationship
3 11 610 V1 3 11 610 V 1
np = 1,415 ^ ψ n p = 1.415 ^ ψ
4040
gegeben, wobei ng die Dichte des Metalldampfes in dem geschlossenen Raum vor der Ionisation, T die Temperatur des umschlossenen Raumes und Vj das Ionisationspotential des Metalldampfes ist. Die benutzten Einheiten sind die des internationalen Systems (M.K.S.A.).given, where n g is the density of the metal vapor in the closed space before ionization, T is the temperature of the enclosed space and Vj is the ionization potential of the metal vapor. The units used are those of the international system (MKSA).
F i g. 4 zeigt eine graphische Darstellung, in der die Dicke R, in Mikron, der Ionenschicht in einem umschlossenen Tantalraum gegen die Temperatur T1 (in Grad Kelvin) eines Caesiumvorratsbehälters für verschiedene Temperaturen T des Tantals dargestellt ist. Aus dieser Darstellung ist zu ersehen, daß beispielsweise für Tantalwände, die auf 1600° K erhitzt sind, und einem Caesiumvorratsbehälter mit 425° K, die Dicke der lonenumhüllung 20 μ beträgt. Unter diesen Umständen werden Extraktionsöffnungen verwendet, deren Durchmesser 40 μ nicht überschreitet, wodurch Ionenströme in der Größenordnung von 40 mA/cm2 erhalten werden.F i g. 4 shows a graph in which the thickness R, in microns, of the ion layer in an enclosed tantalum space is shown against the temperature T 1 (in degrees Kelvin) of a cesium storage container for various temperatures T of the tantalum. From this illustration it can be seen that, for example, for tantalum walls that are heated to 1600 ° K, and a cesium storage container with 425 ° K, the thickness of the ion envelope is 20 μ . Under these circumstances, extraction openings whose diameter does not exceed 40 μ are used, whereby ion currents in the order of 40 mA / cm 2 are obtained.
Die Dicke der Gitter 6 ist vorzugsweise von derselben Größenordnung wie der Durchmesser oderThe thickness of the grids 6 is preferably of the same order of magnitude as the diameter or
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- 1965-04-27 DE DEC35700A patent/DE1261605B/en active Pending
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| FR1327142A (en) * | 1961-04-10 | 1963-05-17 | Du Pont | Process for the polymerization of ethylenically unsaturated compounds and catalyst for this process |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| FR1402020A (en) | 1965-06-11 |
| US3355615A (en) | 1967-11-28 |
| GB1033447A (en) | 1966-06-22 |
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