DE1922871A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Ionenerzeugung - Google Patents

Description

«O-14.55OP 5.5.1969

Dipl.-In?. L.mprocht München 22, Stolnadorfttr. 10

Commissariat a !'Energie Atomique, Paris (Prankreich)

Verfahren und Vorrichtung zur Ionenerzeugung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ionenerzeugung, eine das Verfahren anwendende Ionenquelle und einen Massenspektrographen, der diese Quelle benutzt, bei der die Ionen durch das Auftreffen eines Laserstrahls erzeugt werden.

Es ist bereits bekannt, einen Ladungsträgerstrahl aus einer Plasmawolke abzusaugen, die von einem geeignet erregten Target ausgestoßen wird, wobei die Anfangsverteilung des Ionisationsgrads der chemiechen Elemente, die das Target bilden, genau definiert ist. Es ist jedoch bisher nicht gelungen, die Ionen aus diesem Plasma unter Beibehaltung der Anfangsverteilung des Ionisationsgrades abzusaugen. Es war bisher auch nicht möglich, die unterschiedlichen Ursachen der Ionisation der verschiedenen Elemente zu eliminieren, z. B. verschiedene parasitäre Effekte elektrischer Entiadungen·

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Es ist daher Aufgabe der Erfindung, die vorstehend genannten Nachteile der bekannten Verfahren zur Ionenerzeugung zu überwinden.

Ein Verfahren zur Ionenerzeugung, bei dem aus einem Target ein Plasma erzeugt wird, das anschließend mehreren aufeinanderfolgenden elektrischen Feldern ausgesetzt wird, ist gemäß der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß die das Plasma bildenden Teilchen getrennt werden, indem den aufeinanderfolgenden elektrischen Feldern zunehmende Amplituden gegeben werden, so daß die Elektronen gebremst und durch Elektroden eingefangen werden,-und daß anschließend durch W ein letztes elektrisches Feld der ionenangereicherte Strahl auf die Austrittsöffnung fokussiert wird.

Das elektrische Fokussierungsfeld kann durch eine Ringelelektrode erzeugt werden, die gleichachsig zu dem ionenangereicherten Strahl liegt.

Das Plasma kann erzeugt werden, indem das Target mit einem Laserstrahl bestrahlt wird.

Durch die Erfindung wird ferner eine Ionenquelle angegeben, bei der das vorstehend genannte Verfahren angewendet wird. Diese Quelle ist gemäß der Erfindung gekennzeichnet durch ein Gehäuse, durch ein metallisches Target am Boden eines Metallzylinders, wobei sich gleichachsig zu dem Target und dem Metallzylinder eine Absauglochplatte, deren vorzugsweise kreisförmige Öffnung mit einem Gitter versehen ist, eine Vorbeschleunigungsplatte mit einer Gitteröffnung, eine einen Ring·tutzen bildende Fokussierungelektrode und. eine Begrenzungsplatte mit einem Spalt anschließen, und durch eine Einrichtung zur Erregung des Targets zur Erzeugung des Plasmas.

Um ein Plasma aus dem Target zu erzeugen, können ver-

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scli±edene bekannte Verfahren verwendet werden. Beispielswelse kann das Target mit Ionen beschossen werden (Zerstäubung oder Pulverisierung); oder es kann eine Hochfrequenzentladung zwischen zwei Elektroden gezündet werden; schließlich ist es auch möglich, die Erregung mit einem Laserstrahl vorzunehmen.

Im vorliegenden Fall wird das Plasma durch Bestrahlen des Targets mit einem Laserstrahl erzeugt. Die Einrichtung zur Erregung des Targets hat ein gegen das Gehäuse der Quelle abgedichtetes Fenster und eine ebenso an dem Gehäuse befestigte Linse, um den Strahl auf das Target über ein Gitterfenster des Metallzylinders, an dessen Boden sich das Target befindet, über einen Planspiegel zu fokussieren.

Eine Hauptanwendung einer derartigen Quelle besteht im Bau eines Massenspektrographen, der genaue Isotopenoberflächenuntersuchungen ermöglicht.

Eine derartige Massenspektrograph-Vorrichtu g hat einen Laser, eine Ionenquelle der ebenflceschriebenen Art, ein Pumpsystem, das an das Gehäuse der,Ionenquelle angeschlossen ist, ein Magnetablenksystem für den Ionenstrahl von der Quelle und eine Einrichtung zur Registrierung auf photographische Platten.

Zur genaueren Erläuterung der Erfindung sollen eine Ionenquelle, die das Verfahren gemäß der Erfindung anwendet und ein Spektrograph beschrieben werden, der eine derartige Quelle benutzt. In der Zeichnung zeigen:

Figo 1 eine Schnittansicht entlang einer Symmetrieebene durch die Achse der Ionenquelle gemäß der Erfindung, deren Target durch einen Laserstrahl erregt wird;

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Fig. 2 eine Schnittansiclit der gleichen Quelle in einer zu der ersten Schnittebene senkrechten Ebene ; und

Fig. 3 schematisch einen Massenspektrographen mit der Ionenquelle von FIg₀ 1 und 2_O

Eine Quelle 2 befindet sich in einem Gefäß h, das im wesentlichen durch einen Zylinder 6 gebildet wird, in den mehrere Rohre 8-10 (Fig. 1) und 9-11 (Fig. 2) mit zu der Achse des ersten Rohrs senkrechter Achse münden, wobei P der obere Teil durch eine Isolierplatte 16 verschlossen ist, die Isolierdurchführungen 18 trägt, durch die Hochspannungsleitungen 20 verlaufen, die die Elektroden der Quelle versorgen_o

Das Rohr 8 schließt das Gehäuse k der Quelle an eine (nicht abgebildete) Pumpeinrichtung 7^ an. Das Rohr 10 ist durch einen lösbaren Boden 22 verschlossen, der die Einführung des Targets erlaubt, das untersucht werden soll.

Im beschriebenen Ausführungsbeispiel wird ein Target 15 durch einen Laserstrahl erregt, dessen Auftreffen sowohl . neutrale Atome in Form eines Dampfes als auch positive und negative Ladungen erzeugt, die ein Plasma bilden. Die Einrichtung zur Erregung des Targets soll später beschrieben werden.

Das Target 15 bildet den Boden eines Metallzylinders 2k, Die Elektroden der Quelle sind sämtlich koaxial zu der Anordnung 15, Zk angeordnet. Eine kreisförmige Absaugplatte 26 ist mit einer Öffnung versehen, die ebenfalls kreisförmig ist und ein Gitter 28 aufweist, wobei der Öffnung eine steuerbare Blende 30 zugeordnet ist. Das Gitter hat den Zweck, das elektrische Feld so homogen wie möglich in der Nähe der Quellenachse zu machen, insbesondere, da die

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Dichten der positiven und negativen Ladungen wichtig sind, trägt das Gitter zur Trennung der Jonen von den Elektronen bei.

Die Quelle hat ferner eine Vorbeschleunigungsplatte 32, die einen großen Spalt aufweist, der mit einem Gitter versehen ist. Diese zweite Elektrode unterstützt die Wirkung der Absaugplatte und hat den Zweck, einen Überschlag und eine Entladung zu vermeiden, indem nicht die gesamte Beschleunigungsspannung an den Elektroden angelegt wird, die sich in dem Bereich befinden, der von dem Dampf erreicht wird, der durch das Target nach der Bestrahlung mit dem Laserstrahl ausgestoßen wird.

Eine Fokussierungselektrode 3k wird durch einen Stutzen gebildet, an dem koaxial außen ein Ring angebracht ist.

Eine letzte Elektrode wird durch eine Beschleunigungsplatte 36 gebildet, die den Spalt zur Begrenzung des Strahls od«r den Objektspalt aufweist.

An den Elektroden der Quelle sind stabilisiert· Potentiale angelegt, während die Begrenzungsplatte 36 geerdet ist, und an dem Target ist das positivst· Potential über einer Reihe von Zellen angelegt, die an stabilisierende Kapazitäten angeschlossen sind. Anschlüsse an dieser Reih· von Zellen erlauben die Versorgung der Absaugelektrode 26, der Vorbeschleunigungselektrode 32 und der Beschleunigungsoder Begrenzungselektrode 36·

Die Fokussierungselektrode 3k wird über eine zweite Reihe von Zellen auf einem Potential gehalten, das positiv gegenüber dem der Vorbeschleunigungselektrode 32 ist· Auch hier wird eine Stabilisierung durch eine Kapazität erreicht.

Es soll jetzt die Arbeitsweise der Quelle beschrieben werden:

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Die Abgabe der positiven Ionen und der Elektronen durch das Auftreffen des Laserstrahls auf das Target ist mit dem Austreten eines sehr starken, kurzzeitigen Elektronenstrahls aus dem Target verbunden. Das erzeugte Plasma, dessen Ausweitung durch den vom Metallzylinder 2h gebildeten Äquipotentialkäfig erleichtert wird, hat daher positives Vorzeichen, enthält aber noch einen hohen Elektronenanteil, dessen Vorhandensein bedeutend nachteiliger ist als das eines Dampfes. Diese Effekte machen eine besonders sorgfältige Einstellung der Hochspannungsversorgung erforderlich.

fc Das Potential der Absaugplatte wird so eingestellt,

daß der größte Teil der Elektronen einer resultierenden Kraft unterliegt, die die Elektronen von der Achse wegbewegt, so daß sie durch die Absaugplatte eingefangen werden und nicht durch sie laufen. Dieses Potential muß also sorgfältig eingestellt werden, um unter dem Einfluß des elektrischen Feldes eine Verschiebung der Elektronen und der Ionen in entgegengesetzter Richtung und damit eine Entladung in dem Dampf zu vermeiden. Der Einbau einer derartigen Quelle in einen Spektrographen wäre unmöglich, die Anfangsverteilung des Ionieationsgradde der Ionen wäre gestört·

Die Vorbeschleunigungsplatte muß nicht unbedingt vor- ψ handen sein, jedoch kann eine derartige Elektrode die Wirkung der Absaugplatte unterstützen. Sie sammelt in diesem Fall die meisten Elektronen, die durch die Platte 26 gelaufen sind.

Bei der praktischen Erprobung hat sich herausgestellt, daß die Form der Fokussierungselektrode 3h aufgrund der erhaltenen Untersuchungsergebnisse vorzugsweise ringförmig sein sollte. Sie hat die Aufgabe, den Dlvergenzraumwinkel des Strahls der einfallenden Ionen zu verringern und seine genaue Beschleunigung bei minimaler Divergenz zu ermöglichen,

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Es ist bereits erwähnt worden, daß diese Elektrode auf einem Potential liegt, das bedeutend positiver als das der Vorbeschleunigungsplatte 32 ist. Sie übt daher auf die Ionen eine Abstoßungskraft aus. Zusammenfassend ist zu sagen, daß die Resultierende der leicht fokussierenden Kraft, die auf die Ionen in Höhe der Vorbeschleunigungsplatte 32 ausgeübt wird, und der Abstoßungskraft durch die Elektrode 3** eine Fokussierung der Ionen zur Achse bewirkte

Die Begrenzungsplatte 36 schließlich, die geerdet ist und daher relativ zum Target die höchste Potentialdifferenz aufweist, begrenzt die Form des Strahls und wählt den Teil des Strahls aus, der den Spalt durchläuft, der in ihr ausgespart ist. Da allein dieser Teil ausgenutzt wird, hat die Öffnung der Vorbeschleunigungsplatte eine Rechteckform, die in ihrer Höhe die nicht zu nutzenden Bereiche des Strahls unterdrückt und damit auch die Effekte der Raumladung verringert. Im Gegensatz dazu sind für die Absaugplatte und die Fokussierungselektrode rotationssymmetrische Öffnungen vorgesehen, um zu vermeiden, daß eine Fokussierung entlang einer Achse nicht die Fokussierung entlang einer dazu senkrechten Achse zur FoJgp hat.

Es soll jetzt die Scknittansicht von Fig. 2 entlang einer Ebene senkrecht zu der ersten Schnittebene beschrieben werden. Die meisten der in Fig. 2 abgebildeten Bauteile sind bereits in Fig. 1 abgebildet. In Fig. 2 sind zwei noch nicht in Fig. 1 abgebildete Teile des Gehäuses 6 abgebildet, nämlich die Rohre 9 und 11 mit zu den Achsen des Gehäuses und der Rohre 8 und 10 senkrechten Achsen.

Diese Gehäuseteile enthalten ein optisches System 38 zur Einstrahlung des Laserstrahls und eine Einrichtung ^O zur Justierung des Targets 15.

Das optische System hat ein Fenster U2, das am Ende des

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Rohres 9 befestigt ist, und eine Halterung kk für eine Linse k6, die die Fokussierung eines Laserstrahls kB auf das Target 15 ermöglicht. Der Einfall des Laserstrahls auf das Target wird durch einen versilberten Spiegel 50 und ein Gitterfenster 5k des Metallzylinders Zk ermöglicht.

Das Target 15 ist an einem Probenhalter 56 mit einer Zahnstange 58 befestigt. Der Probenhalter 56 wird in einer Halterung 60 gehalten,, Das Target kann von vorn nach hinten und umgekehrt zu der Ebene von Fig. 2 durch Drehung eines Zahnrads 62 verschoben werden, das die Zahnstange»58 verschiebt, wenn ein Steuerarm 6k für die Lage des Targets gedreht wird.

Eine Hauptanwendung der Ionenquelle von Fig. 1 und 2 ist ihr Einbau in einen Massenspektrographen wie den in Fig. 3 abgebildeten.

Dieser Massenspektrograph hat einen Rubinlaser 66, eine Ionenquelle 68 mit einem durch einen Laserstrahl erregten Target, wobei die Ionenquelle gleich der in Fig. 1 und 2 beschriebenen Quelle ist, eine magnetische Ablenkeinrichtung 70 für die Ionen, eine Samme1- und photοgraphische Registriereinrichtung 72 sowie eine Pumpeinrichtung 7k, die an das Gehäuse der Ionenquelle angeschlossen ist.

Der Rubinlaser 66, der durch verdampfenden flüssigen Stickstoff gekühlt ist, arbeitet getriggert und weist einen rotierenden Spiegel auf.

Die Quelle 68 ist bereite oben beschrieben worden. Die Magnetablenkeinrichtung für die Ionen 70 bildet ein magnetisches Prisma mit einem Öffnungswinkel von 60°₀ Sie weist einen Elektromagnet 78 auf, der mit Polstücken 80 versehen ist, die zwischen sich ein Röhrchen 76 umfassen, das von dem Ionenstrahl von der Quelle durchlaufen wird. Eine Blende befindet

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sich, an der Eintrittsöffnung des Prismas und begrenzt die "Öffnung des Ionenstrahle. Eine noch engere andere Blende fängt einen seitlichen Abschnitt des Ionenstrahls auf, der das magnetische Prisma verläßt.

Die Ladungsmengen, die durch die Begrenzungsplatte und durch letztere Blende aufgefangen werden, werden gleichzeitig durch einen Zweistrahl-Oszillographen gemessen.

Die durch die letzte Blende durchgelassenen Ionen werden von einer photographischen Platte 82 der Sammel- und Registriereinrichtung 72 aufgefangen. Diese Platte verläuft tangential zur Brennebene des Spektrographen. Der Einfall der Ionen auf die empfindliche Schicht der photographischen Platte äußert sich nach der Entwicklung dieser Schicht in einer Schwärzung, die proportional zu der auf das Target gefallenen Ionenmenge ist. Die erhaltene Form der Schwärzungsstreifen gibt die des Objektspalts wieder. Jeder Streifen entspricht einem Verhältnis von m/e.

Ein derartiger Spektrograph ist praktisch erprobt worden. Der verwendete Laser lieferte in einem Zeitintervall von h /u see einige Lichtimpuls·, deren Gesamtenergie 0,2 J erreichen konnte· Die Linse k6 erlaubte die Fokussierung des Laserstrahls auf die Oberfläche des Targets der Quelle in einer Brennweite von 43 mm.

Di· hauptsächlichen Bauteile der Quell· hatten folgend· Abmessungens

Die Absaugplatt· 26 hatt· eine Kreisöffnung, di· mit einem Gitter 28, da» «in· Transparenz von 85 % aufwies, und mit einer Blend· 30 versehen war, deren Innendurchmesser 2 bis 10 mm betrug.

Di· Vorbeschleunigunffsplatte 32 hatte einen Spalt mit

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den Abmessungen 8 χ 15 mm , während der Innendurchmesser der Fokussierungselektrode ebenso wie ihre Länge 5 - 15 betrug. Der Begrenzungsspalt der Begrenzungsplatte hatte

2 ungefähr die Abmessungen 1 χ 10 mm _o

Die Spannungen, die an die verschiedenen Elektroden des Strahlerzeugers angelegt werden, hatten etwa folgende Wette:

Target ι 8,5 kV

Absaugplatte: 8,5 - 8,3 kV Vorbeschleunigungsplatte ι 8,3 - 7,5 kV Fokussierungselektrode: 8,5 - 7»5 kV Begrenzungsplatte: 0

Mit dieser Quelle wurde ein Strahl beschleunigter Ionen erhal'ten und mit einer mittleren Intensität von 200 /uA fokussiert. Die Ionenquelle wurde mit einem Massenspektrometer einfacher Fokussierung und Registrierung durch photographische Platten verwendet.

Der Massenspsktrograph zeigte folgende Betriebswerteι Der registrierte Massenbereich, definiert als das Verhältnis der an den beiden Enden der Platte empfangenen Massen, betrug 1,6, während das Auflösungsvermögen 200 betrug.

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Claims (12)

Patentansprüche

1. Verfahren zur Erzeugung von Ionen, bei dem aus eine« Target ein Plasma erzeugt wird, das anschließend mehreren aufeinanderfolgenden elektrischen Feldern ausgesetzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die das Plasma bildenden Teilchen getrennt werden, indem den aufeinanderfolgenden elektrischen Feldern zunehmende Amplituden gegeben werden, so daß die Elektronen gebremst und von Elektroden eingefangen werden, und daß anschließend durch ein letztes elektrisches Feld des ionenangereicherte Strahl auf die Austritteöffnung fokussiert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrische Fokussierungefeld durch eine Ringelelektrode erzeugt wird, die gleichachsig zu dem ionenangereicherten Strahl liegt.

3· Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Plasma durch Bestrahlung des Targets mit einem Laserstrahl erzeugt wird.

4. Ionenquelle zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein Gehäuse {k) (Fig· 1), durch ein metallisches Target (15) am Boden eines Metallzylinders (2h), wobei sich gleichachsig zu dem Target und dem Metallzylinder eine Absauglochplatte (26), deren kreisförmige Öffnung mtt einem Gitter (28) versehen ist, eine Vorbeschleunigungsplatte (32) mit einer Gitteröffnung, eine einen ringförmigen Stutzen bildende Fokussierungselektrode (3*0 und eine Begrenzungselektrode (36) mit einem Spalt anschließen, und durch eine Einrichtung zur Erregung des Targets zur Erzeugung dos Plasraae«

5. Ionenquelle nacfe Anep:rael2 k₉ dadtsreli gekennzeichnet, daß der Metallzylinder (zk) Rechteckquerechnitt hat.

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6. Ionenquelle nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Metallzylinder Kreisquerschnitt hat.

7· Ionenquelle nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Metallzylinder (24) ein Gitterfenster (54) trägt • (Fig. 2).

8. Ionenquelle nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, , daß der Metallzylinder (24) vollkommen aus Gittermaterial besteht.

9. Ionenquelle nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, fc daß die Absauglochplatte (26) eine verstellbare Blende trägt.

10. Ionenquelle nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Erregung des Targets (15) einen Laser und eine Einrichtung zur Fokussierung des Laserstrahls auf das Target hat„

11. Ionenquelle nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Fokussierung des Laserstrahls auf das Target (15) ein gegen das Gehäuse (4) abgedichtetes Fenster (42), eine ebenso an dem Gehäuse befestigte Linse (46) und einen Planspiegel (50) hat (Fig. 2).

ψ

12. Massenspektrograph mit einer Ionenquelle nach Anspruch 4 oder einem der Ansprüche 5 bis 11, gekennzeichnet durch einen Laser (66), durch ein Pumpsystem (74), das an das Gehäuse der Quelle (68) angeschlossen ist, durch ein Magnet ablenksystem (78) für den Ionenstrahl von der Quelle und durch eine Einrichtung zur Agistrierung auf einer photographischen Platte (72) (Fig. 3).

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