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Verfahren zum Trennen elektrisch geladener Teilchen
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Trennen elektrisch geladener Teilchen, insbesondere von Isotopen, unter Verwendung elektrischer Felder, wobei die Teilchen in Wechselfeldern eine Beschleunigung oder Verzögerung und in elektrostatischen Feldern eine Ablenkung erfahren.
Eine möglichst genaue Kernmassenbestimmung ist im Hinblick auf die Kernbindungsenergieberechnung von grundlegendem kernphysikalischem Interesse. Zur Zeit geben vier voneinander unabhängige Methoden die Möglichkeit einer nuklearen Massenbestimmung.
Es sind dies die Massenspektroskopie, die Methode der Kernreaktionen, ss-und Y-Strah- lenspektroskopie und die Mikrowellen- Spektroskopie.
Die Massenspektroskopie unter Benützung kombinierter elektrischer und magnetischer Felder nimmt unter diesen Methoden einen hervorragenden Platz ein. Obwohl in letzter Zeit Fortschritte bei der präzisen Kernmassenbestimmung erzielt wurden, sind noch Unstimmigkeiten vorhanden. Diese ergeben sich beim Vergleich der Resultate der verschiedenen Methoden und auch bei Messungen, welche mit den gleichen Methoden von verschiedenen Seiten ausgeführt wurden.
Es ist auch eine Einrichtung bekannt geworden, die eine Auflösung dadurch bewirkt, dass die Teilchen zuerst Wechselfeldern unterworfen und dann in einem elektrostatischen Feld abgelenkt werden. Es handelt sich dabei um eine Aufeinanderfolge von Platten, an denen abwechselnd ein Hochfrequenzfeld angelegt wird. Es passieren geladene Teilchen an Öffnungen der Platten axial das System, wobei sie alternierend beschleunigenden oder verzögernden elektrischen Feldern ausgesetzt sind. Der Nachteil dieser Anordnung liegt da- lin, dass Teilchen dann und nur dann optimal für den Auswahlvorgang herangezogen werden, wenn die Laufzeit. zwischen den Platten mit der Hochfrequenz an den Platten in übereinstimmung ist. In nachteiliger Weise trifft dies aber auch für Teilchen zu, die ein n-faches der Flugzeit besitzen.
Es kommt also auf diese Weise keinesfalls zur ge, wünschten idealen Auflösung. Fernerhin werden Teilchen, die ausgeschieden werden sollen, im Strom zwischen den Platten hin-und rück- läufige Bewegungen ausführen. Sie werden also im Strom hin- und herpendeln, bis durch andere Effekte, z. B. Raumladung, ein Diffundieren aus dem Strahl erfolgt. Die genannten Pendelbewegungen stören den gesamten Ausscheidungsvorgang und auch das Durchgehen jener Teilchen, die durchgelassen werden sollen. Diese Apparate besitzen ein äusserst schlechtes Auflösungsvermögen, so dass es nicht einmal möglich ist, die Elemente im periodischen System vollkommen zu trennen.
Sie sind praktisch nur dazu verwendbar, in beschränktem Masse Isotopen-Häufigkeitsbe- stimmungen vorzunehmen. Auf keinen Fall eignen sie sich für eine präzise Isotopen- Massenbestimmung.
Im folgenden wird gemäss der Erfindung ein Massenspektrometer vorgeschlagen, das auch frei von magnetischen Feldern ist und daher keine systematischen Fehler besitzt, die dem Magnetfeld zugeschrieben werden müssten. Es ist dadurch gekennzeichnet, dass die Einwirkung von Wechselfeldern und elektrostatischen Feldern abwechselnd mehrmals nacheinander erfolgt. In Fig. 1 ist das Prinzip der Anordnung skizziert, Fig. 2 zeigt eine andere Ausführungsform.
Ein paralleler Ionenstrahl 1 tritt mit konstanter kinetischer Energie unter dem Einschusswinkel IX in einen Plattenkondensator ein. Der Kondensator besteht aus drei parallelen Platten, wobei die äusseren Platten 2 positiv aufgeladen sind, während die mittlere Platte-tatsächlich bestehend aus zwei, mehrere Millimeter voneinander entfernten Platten 3 und 4-geerdet ist (bei 5). In einem solchen System wird ein Strahl./ po- sitiver Ionen in einer Parabel zur geerdeten Platte 3, 4 hin abgelenkt und trifft diese Platte an einer Stelle, die von der kinetischen
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Energie der Ionen, dem Einschusswinkel und de n positiven Ablenkpotential abhängt.
In den geerdeten Platten 3, 4 sind an den Auftreffstelle Schlitze 6 vorgesehen, durch die der Ionenstrahl in das andere Feldsystem übertreten kann, wo er spiegelbildlich abgelenkt wird. Zwischen den beiden geerdeten Platten 3,4, im Raumbereich der Schlitze 6, befinden sich weitere Drei-Plattensysteme (Modulatoren M. ?, M2, M3), deren mittlere Platten 7 an einem geeigneten Hochfrequenzpotential liegen, während die beiden äusseren Platten 8, 9 jeweils geerdet sind. Ionen, die durch das Hochfrequenzfeld Energie gewinnen, werden nach der zweiten Ablenkung die geerdete Platte 3 bzw. 4 an einer andern Stelle treffen als die Ionen, die keinen Energiegewinn aufzuweisen haben. Die folgenden Schlitze 6 werden so angeordnet, dass nur Ionen mit maximalem Energiegewinn passieren können.
Nach Fig. 1 kann man aus der Bewegunggleichung einfach ableiten, dass die Flugzeit zwischen den einzelnen Modulatoren abhängig ist vom Plattenabstand a, vom Einfallswinkel ec, von der Masse des zu separierenden Isotopes, von der Beschleunigungsspannung und von der Ablenkspannung und schliesslich noch von der elektrischen Ladung und von dem Energiegewinn, der im Modulator erzielt wird.
Aus Fig. 1 ersieht man auch, dass bei Beschränkung auf drei Modulatoren auf den Strecken x, und X2 gleiche Flugzeiten erreicht werden, wenn man das Ablenkpotential oder die Distanz a an einer Ablenkplatte entsprechend korrigiert. Natürlich müssen die dadurch neu bedingten x-Koordinaten und damit die verschiedene Geometrie der Schlitzanordnung berücksichtigt werden. Für die Strecke x ist nur die Geometrie des Schlitzes beim Kollektor C wesentlich, nicht jedoch die Flugzeit.
Da an den Modulatorplatten eine deutlich veränderliche Hochfrequenzspannung angelegt ist, der Ionenstrahl aber mit konstanter Intensität und Energie zeitlich unabhängig in den Modulator eintritt, erfolgt eine Energieverschiebung in dem Intervall, das durch das Hochfrequenzpotential gegeben ist. Die Ionen, die im Modulator maximal Energie gewinnen. werden eine grössere Flugweite zurücklegen, als die Ionen, die weniger oder gar nicht beschleunigt werden. Schliesslich wird die Hälfte der Ionen aber verzögert werden und dadurch eine noch kürzere Flugweite erreichen. Sind die aufeinanderfolgenden Schlitze für maximalen Energiegewinn im Modulator ausgelegt, so können den folgenden Modulator nur Ionen erreichen, die den optimalen Energiegewinn erzielt haben. Alle andern Ionenanteile werden dadurch ausgeschieden.
Durch mathematische Ableitung lässt sich zeigen, dass zwischen maximalem Energiegewinn und der richtigen Phasenbedingung des näch. sten Modulators ein Zusammenhang besteht.
Das Auflösungsvermögen des Instrumentes hängt von der Flugzeit zwischen den zwei Modulatoren und der Flugzeit innerhalb eines Modulators ab. überdies wird das Auflösungsvermögen durch die Anzahl aufeinanderfol- gender Modulatoren gesteigert. An einem praktischen Beispiel lauten die Betriebsbedingungen :
Bei einer Beschleunigungsspannung VB = 1000 V und d = 5 mm erhält man für die Masse M = 1 8, 2 MHz und für M = 300 475 KHz.
Wesentliche Vorteile des vorliegenden Instrumentes gegenüber den bekannten Geräten können in der Vermeidung des Magnetfeldes erblickt werden bzw. in der Möglichkeit, die Abstände der folgenden Modulatorplatten untereinander so einstellen zu können, dass der zusätzliche Energiegewinn und die dadurch bedingten verschiedenen Flugzeiten zwischen den Modulatorplatten laufend Berücksichtigung finden. Falls Beschleunigungsspannung und Ablenkspannung derselben Hochspannungsquelle entnommen werden, wird das Auflösungsvermögen durch langsame Spannungsschwankungen nicht beeinträchtigt. Wollte man mit mehr als drei Modulatoren arbeiten, so wäre unter anderem eine Dazwischenschaltung von Verzögerungsgliedern zwischen den einzelnen Modulatoren zu erwägen.
In Fig. 2 ist die Erfindung bei Verwendung eines gekrümmten Kondensators, z. B. eines
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M3 sind auch hier wiederum die Modulatoren bezeichnet. Es sind hier drei Zylinderkondensatoren hintereinander angeordnet. Die Platten 11 besitzen positives Potential, die Platten 12 negatives Potential. Zur Auflösung können entweder diese Spannungen an den einander folgenden Zylinderkondensatoren verschieden sein undloder es variieren die Krümmungsradien 13 bis 18. Nach den obenstehenden Erklärungen ist der Vorgang bei der Einrichtung nach Fig. 2 von selbst verständlich. In vorteilhafter Weise liegt hier die Bahn der aufzulösenden Teilchen im wesentlichen parallel zu den gekrümmten Platten, was eine leichte Einstellung ermöglicht.
Die elektrostatischen Felder homogener Ausbildung bringen unter bestimmten Voraussetzungen wesentliche Vorteile mit sich. Ein Plattenkondensator, wie in Fig. 1 dargestellt, ist mechanisch einfach und billig herzustellen.
Wie ebenfalls aus Fig. 1 hervorgeht, werden die auszusortierenden Teilchen, wenn sie durch die geerdete Mittelplatte treten, im homogenen Felde in einer Parabel abgelenkt und kehren zur selben Erdpotentialfläche zurück, so dass von diesem Standpunkt aub keine Energieunterschiede dem Strahl aufgezwungen wer-
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den können. Einzig und allein wird die aussortierende Wirkung durch das Inkrement des Energieunterschiedes im alternierenden FelderSystem (Modulator) aufgezwungen. Diese Massnahme ist einzig und allein für den der Anmeldung zugrunde liegenden Ausscheidungvorgang verantwortlich. Aus gewissen Rücksichten, wie z. B. beschränkte Strom- und Spannungsverhältnisse. kann es aber auch erforderlich und zweckmässig sein, ein inhomogenes elektrostatisches Feld dem genannten Verfahren zugrunde zu legen.
Es ist bekannt, dass die ablenkende Wirkung eines inhomogenen Feldes die eines homogenen Feldes bei gleichen Spannungsbedingungen übertrifft.
Dies geht auch eindeutig aus der in Fig. 2 dargestellten Anordnung hervor. Anders ausgedrückt, die Potentialdifferenz, die für eine gegebene kinetische Energie der Partikel notwendig ist, um einen bestimmten Ablenkwinkel zu erreichen, ist beim Zylinderkondensator wesentlichgeringer als beim analogen Vorgehen im Plattenkondensator. Anderseits muss aber darauf hingewiesen werden, dass das Feld des Zylinderkondensators ein Spezialfall eines inhomogenen elektrostatischen Feldes ist und dass die vorher angestellten überlegungen auf die Gesamtheit der inhomogenen elektrostatischen Felder ausgedehnt werden können.
Das beschriebene Verfahren und die Einrichtungen dazu eignen sich nicht nur für eine Präzisionsmassenbestimmung, die hiemit auf eine Frequenzmessung zurückgeführt wird (siehe praktisches Beispiel), sondern gleichzeitig auch zur Bestimmung der relativen Häufigkeit der zu untersuchenden Teilchen, insbesondere Isotopen.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zum Trennen elektrisch geladener Teilchen, insbesondere von Isotopen, unter Verwendung elektrischer Felder, wobei die Teilchen in Wechselfeldern eine Beschleunigung oder Verzögerung und in elektrostatischen Feldern eine Ablenkung erfahren, dadurch gekennzeichnet, dass die Einwirkung von Wechselfeldern und elektrostatischen Feldern abwechselnd mehrmals nacheinander erfolgt.