DE1018169B - Ionenquelle - Google Patents

Description

Anmelder:

Manfred von Ardenne,
Dresden-Weißer Hirsch, Plattleite 27-31

Manfred von Ardenne_r Dresden-Weißer Hirsch,
ist als Erfinder genannt worden

Ionenquelle

Bei Ionenquellen und besonders bei Ionenquellen für

trenner strebt man an, die folgenden Eigenschaften in einer Konstruktion zu vereinen:

Hohe Ionenemissionsstromdichte in der Ionenemissionsöffnung; hohe Plasmastabilität (Modulationsgrad) durch Schwingungen von Ionenpaketen im Quellenplasma wenige Prozent und darunter; hoher Nutzeffekt (über 10%); Konstanz der Ionenemissionsdaten; geringe Streuung der Ionenanfangsgeschwindigkeiten.

Für den magnetischen Isotopentrenner sind darüber hinaus noch folgende Eigenschaften zusätzlich erwünscht :

Möglichst spaltförmige', große Emissionsfläche von etwa einigen Ouadratzentimetern; geringe Strahlapertur in der Ebene senkrecht zur Richtung des Trennmagnetfeldes; sehr geringe Strahlapertur in der Ebene parallel zur Richtung des Trennmagnetfeldes.

Für eine besonders ökonomische Lösung des Ma-

gnets und Isotopentrenners ist über die vorstehenden 2

Eigenschaften hinaus ferner noch erwünscht, daß dem

Ionenstrahl in der Ebene parallel zur Richtung des Anodenseite der Zwischenelektrode aus dem Raum in Trennmagnetfeldes ein konvergenter Verlauf aufge- der Nähe der Anodenöffnung, in dem durch den Entzwungen wird, derart, daß eine Strahleinschnürung 25 ladungsmechanismus mit an das Anodenpotential anim mittleren Raum des Trennmagnetfeldes eintritt. geschlossener Plasmablase oder durch über einen

Weiter ist erwünscht, daß ein solcher Entladungs- hohen Kathodenfall bewirkte erhöhte Ionisierung eine mechanismus ohne Hilfsmagnetfeld die geforderten besonders hohe Ladungsträgerdichte herrscht.
Eigenschaften zu erreichen gestattet. Die Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden

Bei der erfindungsgemäßen Ionenquelle, welche alle 3° Ionenquelle sind vielseitig. Die Ionenquelle mit spaltdie zuvorgenannten Eigenschaften in sich vereinigt förmiger Öffnung der Zwischenelektrode ist besonders und daher sehr ökonomische Lösungen von magnetischen Isotopentrennern und Massenspektrographen erschließt, befindet sich erfindungsgemäß unmittelbar
vor der Ionenemissionsöffnung das anodenseitige 35 auf den Gebieten Massenspektrographie, Massen-Plasma einer mit Hilfe der Durchtrittsöffnung einer spektrometrie, Linearbeschleuniger.
Zwischenelektrode eingeschnürten Niederdruckgasentladung.

Bisher sind Bogenionenquellen mit einschnürenden Zwischenelektroden in Form von Kapillarbogenquellen und der Ionenquelle nach Zinn bekanntgeworden. Die Kapillarbogenquellen haben den Nachteil hoher Wandverluste durch Rekombination von Ionen an den Wänden der engen Kapillare.

Die Ionenquelle nach Zinn weist durch Verwendung 45 weise ein Restgasdruck von 10—⁵ Torr. Das ist ein einer ringförmigen Kathode unter anderem eine un- Druck, der auch bei Emissionsöffnungen von einigen

für die Anwendung in magnetischen Isotopentrennern gedacht. Andere Anwendungsmöglichkeiten liegen bei der einfachen Bauweise der Ionenquelle beispielsweise

In den Zeichnungen sind in den Fig. 1 bis 4 Ausführungsbeispiele gemäß der Erfindung im Schnitt dargestellt.

Die Ionenquelle besteht zunächst aus einem Gasentladungsraum 1 mit einem Gas- oder Dampfdruck von etwa 10-² bis IO-³ Torr und einer Elektrode 2 mit der Ionenemissionsöffnung 3.

Im Ionenbeschleunigungsraum 4 herrscht beispiels

günstige geometrische Form auf. Die Absaugung findet bei Kapillarbogenquellen in der Mitte der Kapillare senkrecht zur Kapillarenachse, bei der Ionenquelle nach Zinn auf der Kathodenseite der Zwischenelektrode statt. Den erwähnten bekannten Ionenquellen mit einschnürender Zwischenelektrode fehlt das Hauptmerkmal der vorliegenden Anordnung, nämlich die axiale Ionenabsaugung auf der

Ouadratzentimetern Fläche mit Spezialpumpen sehr hoher Saugleistung (z. B. -10* Liter pro Sekunde) zu erhalten ist.

Als Quelle der Ionen dient ein hochkonzentriertes Plasma, welches sich vor der Öffnung der Elektrode 2 in einer der Aufgabe angepaßten, neuartigen Gasentladung bildet. Die Elektrode 2 ist zugleich die Anode der Gasentladung. Die Entladung, welche ihre

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Primärelektronen aus der Glühkathode 5 bezieht, wird durch die Zwischenelektrode 6 mit enger Durchtrittsöffnung kurz vor der Anode hoch verdichtet.

Die Anordnung geschieht bei der vorliegenden Ionenquelle für viele Anwendungsmöglichkeiten zweckmäßig rotationssymmetrisch.

In diesem Fall ist die Öffnung in der Zwischenelektrode 6 kreisförmig und erhält zweckmäßig einen Durchmesser von etwa 5 mm. Auch wird durch den gestellt wird und das Platinblech entweder durch die Elektronenbremsenergie der Entladung oder durch Fremdheizung permanent oder periodisch aufgeheizt wird. Durch diese Aufheizung werden die isolierenden Kondensatschichten in leitende Kohlehäute übergeführt, so daß sich die störenden Polarisationsladungen nicht mehr ausbilden können.

Der große Vorteil der beschriebenen Entladungsform liegt darin, daß sie auch ohne Elektronenführung

Widerstand 7 der Entladungsstrom 8 auf etwa 0,2 bis io in einem Magnetfeld hervorragende Ionenquellen-

2A einzuregeln sein je nach Verwendung der Quelle. eigenschaften gewährleistet.

Ein Plasma hoher Stabilität kann gemäß der vor- Diese Tatsache wird besonders dann für die

liegenden Bauart auf verschiedene Weise erreicht Ökonomie der Gesamtanordnung wichtig, wenn ,'die

werden, beispielsweise bei normaler Heizung der Anordnung nicht rotationssymmetrisch, sondern ge-

Glühkathode 5 (Strombegrenzung durch Raumladung) 15 maß Fig. 2 mit spaltförmigen öffnungen in

oder bei schwacher Unterheizung der Glühkathode 5 Zwischenelektrode 6, der Elektrode 2, welche die

(Strombegrenzung durch Sättigung). Emissionsöffnungen trägt, und Absaugelektrode 10

Im ersteren Falle bildet sich im Raum vor der ausgeführt wird.

Durchtrittsöffnung der Zwischenelektrode 6, und zwar Bei dieser zweidimensionalen Variante kann bei-

auf der Kathodenseite, eine Art Doppelschichtblase, in 20 spielsweise die Glühkathode 5 als Band- oder Draht

weicher PlastnaelektiOnen aus dem kathodenseitigen Plasma nachbeschleunigt und auf den Bereich der Durchtrittsöffnung fokussiert werden. Die in der Doppelschicht nachbeschleunigten Elektronen bewirken eine kräftige Ionisierung des Neutralgases in diesem Raum und verursachen gemäß der in der Fig. 1 der Zeichnung dargestellten geometrischen Anordnung eine äußerst kräftige Konzentration des anodenseitigen Plasmas vor der Ionenemissionsöffnung und damit eine hohe Ionenemissionsstromdichte.

Im zweiten Falle werden die zur kräftigen Neutralgasionisierung erforderlichen Elektronen mit überthermischen Geschwindigkeiten nicht durch Nachbeschleunigung in eine Doppelschicht, sondern im Kathodenfall selbst erzeugt. Der Kathodenfall wird dazu durch Unterheizung der Glühkathode 5 (gleichmäßigeEmissionsdichte!) künstlich auf 50 bis 100Volt erhöht.

Eine gute Wirkung bei einfacher Schaltweise ergibt sich, wenn die Zwischenelektrode 6 über einen Widerstand 7 a von einigen 100 Ohm mit der Anode 2 verbunden wird (Fig. 1).

Die Absaugung der Ionen aus dem verdichtenden Plasma 9 erfolgt durch eine im Abstand von wenigen kathode mit gleichmäßiger Emissionsdichte ausgeführt werden.

Der Widerstand 7 in Fig. 1 ist dabei so einzuregeln, daß sich ein Entladungsstrom 8 zwischen etwa 1 und 1OA ergibt.

Bei der Bemessung des Spaltes in der Zwischenelektrode 6 wird man eine um so höhere Plasmadichte erzielen, je geringer man die Spaltenweite, wählt. Schließlich wird aber der Abnahme der Spaltweite durch kritische Zunahme der Zündspannung eine Grenze gesetzt. Versuche ließen erkennen, daß etwa bei 3 mm Spaltweite ein günstiger Kompromiß zwischen Plasmakonzentration und Zündspannungszunahme gegeben ist.

Da diese Quelle ohne Magnetfeld arbeitet, ist es besonders leicht, der Quelle eine solche Form der Ionenemissionsfläche (Plasmagrenzschicht) zu geb^n, daß der Ionenstrahl 13 die Quelle mit den jeweils gewünschten Richtungen verläßt. So ist beispielsweise in Fig. 2 die geometrische Form des Systems insbesondere durch Wahl eines geeigneten Krümmungsradius der Elektroden in der Hauptrichtung der Spalte so gewählt, daß der abgesaugte Ionenstrahl in 3er Hauptebene des Spaltes konvergent verläuft. Damit

Millimetern von der Ionenemissionsöffnung 3 ange- 45 dies auch für die Ionenstrahlung von den beiden

brachte Absaugelektrode 10, deren Potential auf Werten zwischen —10 und —60 kV gegenüber dem Potential der Kathode liegt. Einerseits durch den resultierenden hohen Absauggradienten, andererseits durch die Formgebung der Elektrode 2 auf der Seite des Beschleunigungsraumes 4 (Geometrie nach Pierce) wird erreicht, daß sich eine ionenoptisch günstige Form der Plasmagrenze im Raum der Emissionsöffnung 3 ausbildet und daß der Ionenstrahl 13 mit Enden 11, 12 des Emissionsspaltes gilt, kommt auch hier die schon obenerwähnte strahlensammelnde Geometrie an der Elektrode2 (Geometrie nach Pierce, 22°) zur Anwendung.

Infolge des konvergenten Verlaufes hat der Ionenstrahlfächer bei der Anwendung beispielsweise im magnetischen Trenner in dem Raum des Trennmagnetfeldes eine sehr geringe Höhe. Aus diesem Grund und da diese Quelle selbst kein Magnetfeld verlangt, kann

möglichst kleiner Divergenz trotz seiner hohen Dichte 55 beispielsweise ein magnetisches 60°-Sektorfeld von

im Beschleunigungsraum 4 verläuft.

Gibt man der Ionenemissionsöffnung 3 entgegen der in Fig. 1 dargestellten Anordnung eine sehr kleine Fläche, d.h. eine Fläche von 0,1 mm² und darunter, so beobachtet man, daß die Ionenemissionsdichte nach einiger Zeit auch bei konstanter Arbeitsweise der Gasentladung absinkt. Dies wird dadurch verursacht, daß der Ionenstrahl aus fast stets vorhandenen, organischen Restdämpfen allmählich isolierende Kondensatschichten auf den Flächen neben der Emissionsöffnung 3 entstehen läßt. An diesen Schichten bilden sich Polarisationsladungen, welche infolge ihrer Polarität die Ionenemissionen herabsetzen. Diese Störerscheinung kann dadurch vermieden werden, daß relativ geringem Magnetfeldvolumen zum Bau eines Trenners benutzt werden. Damit ergibt sich gegenüber den bekannten Großanlagen für magnetische Isotopentrennung eine Gesamtlösung, die mit einem Bruchteil des Eisen- und Kupferaufwandes für den Bau der Magnete auskommt (z. B. 20 Tonnen Magnete statt 200 Tonnen Magnete).

Bei dem magnetischen Trenner ergeben sich häufig erhebliche Schwierigkeiten durch das Abfließen der vom Ionenstrahl am Restgas gebildeten parasitären Elektronenströme über die Ionenbeschleunigungsstrecke der Ionenquelle. Diese parasitären Ströme haben die Voltgeschwindigkeit der vollen Ionenbeschleunigungsspannung und Stromstärken von 10

die Elektrode 2 beispielsweise aus Platinblech her- 70 bis 30 mA. Sie führen häufig zu einem Anschmelzen

der Ionenquellenelektroden und verhindern oft die Wahl eines hohen Absauggradienten. Diese Schwierigkeit umgeht die Anordnung gemäß Fig. 3, indem die parasitären Ströme (also der Elektronenüberschuß, der nicht der Raumladungskompensation dient) durch gegenüber dem Strahlpotential positive Elektroden 14 (Fig. 4) seitlich aus dem Strahl abgesaugt werden. Diese positiven Hilfselektroden kann man bequem mit großer Fläche ausrüsten, so daß eine kritische Überhitzung durch einfache Strahlungskühlung bei ihnen vermieden wird.

Die Entladungsspannung beträgt bei rotationssymmetrischer Ausführung und bei spaltförmiger Ausführung des Systems je nach Druckwahl und Kathodenheizung zwischen 10 und 100 Volt.

Die in Fig. 1 und 2 gezeigte Anordnung eignet sich nicht nur für den Bau von Gasionenquellen, sondern auch für den Bau von Dampfionenquellen.

Für letztgenannten Fall werden die Elektroden 2, 5 und 6 mit einem Ofensystem vereinigt (Fig. 3 und 4). Dieses Ofensystem gibt an den Oberflächen der Elektroden eine so hohe Temperatur, daß gerade noch keine Dampfkondensation an den Oberflächen eintritt.

15 stellt den Ofen mit dem Emissionsschlitz 15 a dar, welcher gleichzeitig als Anode der Entladung dient. Innerhalb des Ofens sitzt die ebenfalls mit einem Schlitz versehene Zwischenelektrode 16 und in dieser die Kathode 17. Der Trennmagnet 19 trägt die gekrümmte Fläche 18 zur Fokussierung zweiter Ordnung des Ionenstrahles.

Der Ionenstrahl wird in der Tasche 20 (leichtes Isotop) und 22 (schweres Isotop) aufgefangen, und zwischen beiden Taschen ist das Trennmesser 21 angeordnet.

Vor dem Trennmagnet befindet sich die Blende 23, welche verhindert, daß Ionen direkt auf Flächen des Magnets treffen. Innerhalb des Magnets befindet sich die Stelle engster Einschnürung 24 (cross-over).

Der von der Quelle ausgehende Strahl besitzt in der horizontalen Ebene (Ebene der Magnetflächen = Zeichenebene gemäß Fig. 3) den Differenzwinkel α gegen die Achse. Außerdem besitzt der Strahl in der dazu senkrechten Ebene (Zeichenebene gemäß Fig. 4) den Konvergenzwinkel β gegen die Achse. Dieser Winkel β wird gebildet durch die gekrümmte Formgebung der Emissionselektrode und der Absaugelektroden. In erster Näherung liegt der Krümmungsmittelpunkt der Elektroden am Ort des Strahlenschnittpunktes in der Mitte des Magnetfeldes.

Um eine große Plasmastabilität zu gewährleisten, empfiehlt es sich, einen Teil der Wände des Gasentladungsraumes mit schallschluckenden Stoffen ausreichender thermischer Widerstandsfähigkeit auszukleiden, insbesondere wird hierdurch die Neigung zu plasmaakustischen Schwingungen beseitigt und die Größe der im Plasma zu Schwingungen angefachten lonenpakete merklich reduziert.

Claims (15)

Patentansprüche 60

1. Ionenquelle, dadurch gekennzeichnet, daß unmittelbar vor der Ionenemissionsöffnung (3) sich das anodenseitige Plasma (9) einer mit Hilfe der Durchtrittsöffnung einer Zwischenelektrode (6) eingeschnürten Niederdruckgasentladung befindet.

2. Ionenquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchtrittsöffnung in der Zwischenelektrode (6) sich in unmittelbarer Nähe der Ionenemissionsöffnung (3) befindet und daß die Elektrode mit der Ionenemissionsöffnung gleichzeitig als Entladungsanode dient.

3. Ionenquelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnung in der Zwischenelektrode und auch die übrigen Elektroden des Systems im wesentlichen rotationssymmetrisch ausgeführt und angeordnet sind.

4. Ionenquelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Glühkathode (5) als lineare Kathode und die Öffnungen in der Zwischenelektrode, in der Entladungsanode und in der Ionenabsaugeelektrode spaltförmig ausgeführt sind.

5. Ionenquelle nach Anspruch 1, 2 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß die beteiligten Elektroden des Systems in der Ebene der Systemspalte einen gemeinsamen Krümmungsmittelpunkt aufweisen.

6. Ionenquelle nach vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß die Glühkathode mit Strombegrenzung durch Raumladung betrieben wird.

7. Ionenquelle nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Glühkathode mit Strombegrenzung durch Sättigung betrieben wird.

8. Ionenquelle nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Emissionsöffnungen in einer Platinelektrode befindet, die permanent oder periodisch auf hohe Temperaturen gebracht werden kann.

9. Ionenquelle nach vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil der Oberflächenbereiche des Gasentladungsraumes mit schallschluckenden Stoffen ausgekleidet ist.

10. Ionenquelle nach den Ansprüchen 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (2, 5 und 6) in einem Ofensystem vereinigt sind, bei dem der Ofen (15) mit Emissionsschlitz (16) gleichzeitig als Anode der Entladung dient.

11. Anwendung einer Ionenquelle nach den Ansprüchen 1 bis 10 mit spaltförmigem System bei einem magnetischen Isotopentrenner, dadurch gekennzeichnet, daß zur Trennung ein Sektormagnetfeld mit einem Winkel kleiner als 180°, insbesondere 90 oder 60°, benutzt wird und daß die Ionenquelle sich außerhalb des Trennmagnetfeldes befindet.

12. Anwendung einer Ionenquelle mit spaltförmigem System nach den Ansprüchen 1 bis 10 bei einem magnetischen Isotopentrenner, auch einem solchen nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Ionenabsaugoptik dem Ionenstrahlfächer im Raum des Trennmagnetfeldes eine Strahleinschnürung gibt.

13. Anwendung einer Ionenquelle mit spaltförmigem System nach den Ansprüchen 1 bis 10 bei einem magnetischen Isotopentrenner, auch einem solchen nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß die im Strahlraum gebildeten parasitären Elektronen aus dem Strahlvolumen durch positiv vorgespannte Hilfselektroden. so kräftig abgesaugt werden, daß nur noch kleine Teile der parasitären Elektronen über die Ionenbeschleunigungsstrecke abfließen.

14. Anwendung einer Ionenquelle nach den Ansprüchen 1 bis 10 bei einem magnetischen Isotopentrenner, auch einem solchen nach den Ansprüchen 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Trennmagnet (19) eine gekrümmte Fläche (18)

zur Fokussierung zweiter Ordnung des Ionenstrahles trägt.

15. Anwendung einer Ionenquelle nach den Ansprüchen 1 bis 10 bei einem magnetischen Isotopentrenner, auch einem solchen nach den Ansprüchen. 11 Ms 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Ionenstrahl für leichte Isotope in einer Tasche (20) und für schwere Isotope in einer Tasche (22)

aufgefangen wird und zwischen beiden Taschen ein Trennmesser (21) angeordnet ist.

In Betracht gezogene Druckschriften: USA.-Patentschrift Nr. 2 665 384; Review of Scientific Instruments, Bd. 24, S. 417 bis 419, 606 bis 610.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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