DE1084390B - Ionenquelle mit einem Hochfrequenzfeld - Google Patents

Description

DEUTSCHES

Die Erfindung betrifft Ionenquellen mit einer Ionisationskammer, in deren Innerem sich ein elektrostatisches Feld, ein magnetostatisches Feld B und ein Hochfrequenzfeld eines Generators mit einer unterhalb 3 m liegenden Wellenlänge X befinden.

Bekannte Einrichtungen der genannten Art arbeiten mit Frequenzen um etwa 20 MHz. Bei ihnen verläuft das magnetostatische Feld in Richtung der elektrischen Kraftlinien des Hochfrequenzfeldes.

Gemäß der Erfindung wird die Wirksamkeit einer Ionenquelle dadurch verbessert, daß das Produkt Β·λ zwischen 10000 und 15 000 Gauß-cm oder 5000 und 7500 Gauß-cm liegt und die elektrischen Kraftlinien des Hochfrequenzfeldes ungefähr senkrecht auf denen des magnetostatischen Feldes B stehen, daß das elekirische Hochfrequenzfeld und das elektrostatische Feld eine gemeinsame Symmetrieachse haben und auf einem Punkt dieser Symmetrieachse das zu ionisierende Gas in die Ionisationskammer eingeführt wird.

Auf Grund ihres Aufbaus und ihrer im nachfolgenden näher beschriebenen Wirkungsweise weist die vorliegende Ionenquelle gegenüber den bekannten Ionenquellen folgende Vorteile auf.

Der von einem Elektron durchlaufene Weg ist erheblich länger als bei bekannten Einrichtungen dieser Art, wodurch die Wahrscheinlichkeit aufeinanderfolgender Zusammenstöße eines Elektrons mit verschiedenen Gasmolekülen heraufgesetzt wird. Daraus resultiert eine größere Ionisationsrate als bei bekannten Ionenquellen.

Weiterhin kann die Ionisation in einem beschränkten Volumen stattfinden; darüber hinaus ist es möglich, durch Vergrößerung der Intensität des magnetischen Feldes unter Beibehaltung der Beziehung B-X = konstant die Ionisation auf einen kleineren Teil der Röhre zu konzentrieren, wodurch die Fokussierung des Ionenstrahles wesentlich erleichtert wird.

Da die vorliegende Ionenquelle unter Resonanzbedingungen arbeitet, ist zur Ionisation eine beträchtlich geringere Hoohfrequenzenergie erforderlich als bei den bekannten Ionenquellen, wodurch die Wärmeverluste erheblich vermindert werden. Da nahezu die gesamte Hochfrequenzenergie zur Ionisation verwendet wird, ergibt sich ein bisher nicht erreichter Wirkungsgrad.

Die Erfindung wird im nachfolgenden mit ihren weiteren Merkmalen und Einzelheiten an Hand der Zeichnungen erläutert, die beispielsweise verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung veranschaulichen. -

Fig. 1 ist ein schematischer Axialschnitt einer ersten Ausführungsform der Ionenquelle gemäß der Erfindung;

Fig. 2 ist ein erläuterndes Diagramm;

Ionenquelle mit einem Hochfrequenzfeld

Anmelder:

Compagnie Generale de Telegraphie
sans FiI, Paris

Vertreter: Dr. W. Müller-Bore und Dipl.-Ing. H. Gralfs, Patentanwälte, Braunschweig, Am Bürgerpark 8

Beanspruchte Priorität:
Frankreich vom 3. Oktober 1956

Alfred Lerbs, Frankfurt/M.,
ist als Erfinder genannt worden

Fig. 3 ist ein schematischer Axialschnitt durch eine andere Ausführungsform der Ionenquelle gemäß der Erfindung;

Fig. 4 bis 8 zeigen verschiedene Systeme zur Erzielung des richtigen magnetischen Feldes bei einer Ionenquelle gemäß der Erfindung;

Fig. 9 bis 12 stellen verschiedene Ausführungen zur Einspeisung der Hochfrequenz dar;

Fig. 13 bis 19 erläutern verschiedene weitere Ausführungsformen der Ionenquelle gemäß der Erfindung, welche keine Rotationssymmetrie haben.

In den Zeichnungen sind für gleiche Teile durchgehend gleiche Bezugszahlen verwendet worden. Nunmehr wird zunächst auf Fig. 1 Bezug genommen:

Die Bezugszahl 1 bezeichnet eine Glashülle zylindrischer Gestalt, die in Richtung ihrer Achse an einem Ende von einem metallischen Röhrchen 2 durchsetzt wird und an ihrem anderen Ende von einem zweiten metallischen Röhrchen 3, dessen Durchmesser deutlich größer ist als der des ersten Röhrchens 2. Das metallische Röhrchen 3 weist einen verengten Abschnitt 4 auf. Ein glockenförmiges Teil 5 aus Glas, das sich zur Glashülle 1 koaxial erstreckt und in einem rohrförmigen Ansatz 5' ausläuft, der praktisch eine Fortsetzung des Röhrchens 3 darstellt, ist in irgendeiner geeigneten Art und Weise, beispielsweise durch Verschmelzen, mit der Glashülle 1 verbunden.

Die Glashülle 1 und das glockenförmige Teil 5 grenzen einen Raum 6 ein, der den Ionisationsraum darstellt. Das Röhrchen 2 gestattet den Einlaß eines zu ionisierenden Gases in den Raum 6 unter vermin-

009 548/353

3 4

dertem Druck, und es besitzt einen metallischen Über- Wenn der Potentialunterschied zwischen den Elek-

zug, der den Mittelleiter einer Koaxialleitung bildet. troden 2 und 3 festgelegt ist und das Magnetron 8

Der Außenleiter dieser Koaxialleitung ist durch die Höchstfrequenzenergie bestimmter Wellenlänge er-

Bezugszahl 7 bezeichnet. Eine Mikrowellen-Oszillator- zeugt, kann man das Experiment machen, die röhre, beispielsweise ein Magnetron 8, erzeugt Höchst- 5 Intensität des magnetischen Feldes stetig zu erhöhen,

frequenzenergie, die auf das Koaxialkabel 2-7 mittels Wenn man dann die Intensität des erzeugten Ionen-

eines anderen Koaxialkabels 9 und Kopplungsmitteln Strahls 3 in einer Kurve als Funktion des Produktes

10, z.B. einer Schleife oder Sonde, übertragen wird. aus magnetischer Feldinduktion B mal Höchstfrequenz-

Der Leiter 7 umgibt die Glashütte 1 längs des oberen wellenlänge X aufträgt, erhält man eine Kurve, wie sie

Teils derselben bis zu einer bestimmten Höhe, die io in Fig. 2 dargestellt ist. Auf der Ordinate ist der

etwa gleich einem Viertel der Betriebswellenlänge ist, Ionenstrom 3 und auf der Abszisse das Produkt Χ·Β

Ein statisches magnetisches Feld in Achsrichtung der aufgetragen. Die Wellenlänge X wurde in Zentimeter

Röhre (so wird das Gebilde nachstehend genannt) und die magnetische Feldinduktion in Gauß gemessen,

wird durch irgendwelche geeignete magnetische Mittel Die Kurve der Fig. 2, die bei einer konstanten Wellen-

gesohaffen, wie z. B. durch eine Spule, die zu der Glas- 15 länge von X = 23 cm aufgenommen wurde, durchläuft

röhre 1 koaxial ist und deren Schnittflächen lediglich nacheinander zwei sehr ausgeprägte Maxima, von

schematisch angedeutet und durch die Bezugszahl 11 denen das zweite Maximum bei einem Abszissenwert

bezeichnet ist. Eine geeignete Spannungsquelle, wie von X₀B₀ eine Ordinate aufweist, die annähernd zwei-

z. B. die Batterie 13, ermöglicht es, die Elektrode 3 mal so groß ist wie diejenige bei dem Abszissenwert

auf ein Potential zu legen, das gegenüber dem Leiter 2 20 A₁JS₁ des ersten Maximums. Der dem zweiten Maximum

negativ ist. Eine geeignete weitere Spannungsquelle, entsprechende Wert des Ionenstromes ist also besonders

wie etwa die Batterie 12, führt der Spule 11 den groß.

Strom zu. Es kann leicht gezeigt werden, daß für das zweite

Arbeitsweise Maximum die folgende Beziehung zwischen dem

35 magnetischen Feld, gemessen in Gauß, und der

Die Arbeitsweise der in Fig. 1 dargestellten Ionen- Betriebswellenlänge des Höchstfrequenzoszillators 8,

quelle ist die folgende: . gemessen in Zentimetern, besteht:

Der Hochfrequenzoszillator, beispielsweise ein χ β = K = konstant (Y) Magnetron 8, erregt das Koaxialkabel 2-7 über das 00 / Koaxialkabel 9 und die Kopplungsmittel 10. Als Er- 30 Der Wert dieser Konstante K hängt von der Dimengebnis der stehenden Wellen, die sich auf Grund des sionierung der verschiedenen Teile des Gerätes· ab, offenen Endes der Koaxialleitung 2-7 ergeben, bildet bleibt aber unabhängig von der Intensität der Ionensich an eben diesem offenen Ende ein Spannungsbauch quelle und der des angelegten elektrischen Feldes. Bei der Hochfrequenz aus. Auf diese Weise entsteht in einer Versuchs röhre wurde gefunden, daß sich die dem Raum 6 das für die Ionisation notwendige Hoch- 35 Konstante auf K = 11 600 belief, frequenzfeld. Das Magnetron 8 arbeitet auf einer Für das erste Maximum besteht eine ähnliche Befesten Wellenlänge; eine besonders große Frequenz- ziehung dieser Art, nur hat dann die Konstante etwa Stabilität ist jedoch nicht erforderlich. Wenn die die Hälfte des oben angegebenen Wertes. Batterien 13 und 12 richtig angewandt werden, d. h. Die Entstehung der Maxima in Fig. 2 läßt sich wenn die Elektrode 3 auf negativem Potential gegen- 40 physikalisch vielleicht wie folgt erklären: Unter dem über dem Leiter 2 liegt und die Spule 11 das Vor- gleichzeitigen Einfluß des Hochfrequenzfeldes und des handensein eines magnetischen Feldes in dem Raum 6 dazu senkrechten Magnetfeldes werden die im Raum. 6 gewährleistet, bildet sich, sobald durch das Röhrchen 2 stets vorhandenen freien Elektronen, wie es von der unter Vakuum ein Gas in den Raum 6 eingelassen Bewegung der Ionen in einem Omegatron her bekannt wird, ein Plasma, das den oberen Teil des Raumes 6 45 ist, auf sich weitenden Kreisbahnen (Archimedeserfüllt. Die Elektronen dieses Plasmas werden von Spiralen) beschleunigt werden, unter der Vorausder negativen Elektrode 3 abgestoßen, so daß vor setzung, daß die Frequenz des angelegten Hochdieser Elektrode ein elektronenfreier Dunkelraum frequenzfeldes mit der Zyklotronfrequenz der Elekentsteht, der nach oben hin ziemlich scharf durch das tronen übereinstimmt. Diese Voraussetzung ist Plasma begrenzt wird. Diese Begrenzungsfläche des 50 offenbar dann erfüllt, wenn die Resonanzbedingungen Plasmas ist gewölbt, wie es in Fig. 1 durch die XB=K oder Χ·Β=ΚΙ2 erfüllt werden. Die so begestrichelte Linie 14 angedeutet ist. Das Plasma bleibt schleunigten freien Elektronen vermögen die neutralen nahezu auf dem Potential der positiven Elektrode 2, Gasmoleküle zu ionisieren, dadurch entstehen weitere und die gesamte Gleichspannung zwischen den Elek- freie Elektronen, so daß sehr rasch ein Plasma entsteht. troden 2 und 3 fällt praktisch im Dunkelraum vor der 55 Da die vorliegende Ionenquelle unter diesen Reso-Elektrode 3 ab. Der Grund dafür ist die unterschied- nanzbedingungen arbeitet und nahezu die gesamte liehe Beweglichkeit von Ionen und Elektronen. Da die Hochfrequenzenergie zur Ionisation verbraucht wird, Ionen mit ihrer thermischen Energie über die Plasma- ist es möglich, mit erheblich geringerer Hochfrequenzbegrenzungsfläche herausdiffundieren können, wirkt energie als bei bekannten Ionenquellen zu arbeiten und diese wie eine ionenemittierende Fläche. Diese Ionen 60 selbst Ionenstrahlen hoher Intensität ohne große werden im elektrostatischen Raumladungsfeld zur Wärmeverluste zu erzeugen.

durchbohrten Elektrode hin zur Extraktion beschleu- Di_e Anwendung eines Magnetfeldes in der beschrie-

nigt. Außerdem gelingt es mit Hilfe dieses Raum- benen Art bei der vorliegenden Ionenquelle bewirkt,

ladungsfeldes und auf Grund der Form der Plasma- daß die Bahnen der Elektronen spiralförmig aufge-

begrenzungsfläche 14 bei geeigneter Ausbildung der 6₅ wickelt werden. Dadurch ist es möglich, die Elektronen

Elektrode 3 und bei geeigneten Gleichspannungen eine sehr lange Bahnen bei kleinen Gefäßdimensionen

Fokussierung des austretenden Ionenstrahls zu er- durchlaufen zu lassen und bei niedrigeren Drücken zu

reichen, so daß z. B. die Erzeugung eines Schnitt- arbeiten als bei bekannten Ionenquellen, beispiels-

punktes der Ionenbahnen in Höhe des verengten Ab- weise bei 10~² Torr, ohne daß der Ionisierungsgrad

schnittes 4 möglich ist. 70 schlechter wird. Durch geeignete Wahl der Intensität

des magnetischen Feldes unter Einhaltung der Resonanzbedingungen kann man das Plasma auf einen Teil der Röhre beschränken. Die Grenzen des Plasmas lassen sich bei Verwendung eines nicht homogenen magnetischen Feldes im Ionisationsraum willkürlich verändern.

Experimente, die mit einem konstanten magnetischen Feld ausgeführt wurden und bei denen die Beziehung XB ungefähr gleich K (λΒί^Κ) erfüllt wurde, haben gezeigt, daß der Ionenstrom etwa proportional mit der Leistung der dem Raum 6 aufgeprägten Hochfrequenz ansteigt. Unterhalb eines bestimmten Mindestwertes der Hochfrequenzleistung von 5 bis 8 Watt im Falle der bei den Versuchen benutzten Röhre wurde eine Ionisation nicht mehr beobachtet.

Im folgenden werden einige andere Ausführungsformen der vorliegenden Ionenquelle beschrieben, ohne daß dadurch natürlich der Umfang der Erfindung in irgendeiner Weise eingeschränkt werden soll.

In der Ausführungsform nach Fig. 3 hat die Basis der isolierenden Hülle 1 denselben Aufbau wie im Falle der Fig. 1; gleiche Bezugszahlen bezeichnen wiederum dieselben Elemente wie in Fig. 1. Die metallische Elektrode 3 von der Form eines Röhrchens enthält jedoch einen stufenförmig verengten Abschnitt 4. Die Hülle 1 enthält zusätzlich eine metallische Wandung 15 mit einem Deckel 16, der bei 17 auf die Wandung 15 aufgeschraubt ist. Die Wandung 15 ist zum Teil deformierbar (Teil 18) und besitzt eine innere Schulter 19. Eine Deformationsanordnung zur Änderung des Volumens des Ionisationsraumes enthält einen Füihrungsflansoh 22, der von einer Stange 20 gestützt wird und mit dieser durch ein Gelenk 28 verbunden ist, sowie einen Arm 23, der mit einem tassenförmigen Teil 24 verbunden ist. Das tassenförmigeTeil bewirkt eine Deformation des metallischen Hohlraumes 25 der Röhre, wenn die Stangenkupplungsmutter 26 auf der Stange 21 nach unten geschraubt wird. Die Hochfrequenzenergie wird dem Hohlraum 25 unmittelbar durch die Schleife 10 zugeführt sowie durch das Koaxialkabel 9. Der Höchstfrequenzgenerator 8 ist in dieser Figur nicht gezeigt. Eine flache kreisförmige Spule 27, die zu der Röhrenachse koaxial ist, erzeugt das gewünschte magnetische Feld.

Arbeitsweise

Die Arbeitsweise der in Fig. 3 gezeigten Ausführungsform ist dieselbe wie jene der in Fig. 1 gezeigten. Es dürfte sich indessen lohnen, folgendes zu beachten:

Der Ionisationsraum besteht aus einem Metallhohlraum, der durch Deformation auf die besondere verwendete Wellenlänge abgestimmt werden kann.

Wenn eine metallische Oberfläche mit dem ionisierten Gas in Kontakt ist, verringert der Rekombinationskoeffizient des Metalls, der sehr viel höher ist als der von Glas, den Wirkungsgrad der Röhre. Daher ist die innere Oberfläche mit einer Substanz von geringem Rekombinationskoeffizienten ausgekleidet. Diese Substanz kann die Form dünner Blättchen haben, die das Innere des Hohlraums bedecken und dementsprechend untereinander austauschbar sind.

Da die Auflage dünn ist, ergibt sich dadurch gleichzeitig, daß die dielektrischen Verluste gering sind.

Das Gerät nach Fig. 3 kann leicht auseinandergenommen werden. Dazu genügt es, die Stangenkupplungsmutter 26 abzuschrauben, das Gelenk 28 aufzuklappen und den Deckel 16 bei 17 abzuschrauben. Dadurch erhält man ungehinderten Zugang zum Inneren des Geräts.

Wenn der Erregerstrom der Magnetisierungswicklungen 11 oder 27 von dem Wert Null an kontinuierlich gesteigert wird, erhält man die Intensität des magnetischen Feldes B₀, das notwendig ist, um den Resonanzzustand bei einer im voraus festgelegten Wellenlänge zu verwirklichen, zunächst in einer horizontalen Ebene der Spule. Wenn man dann den Erregerstrom der Spule weiterhin anwachsen läßt, teilt sich die Zone, in der ein Feld mit dem Wert B₀ herrscht, in zwei gegenüber der vorhergenannten Ebene symmetrische Zonen, die sich von dieser Ebene fortschreitend und gleichmäßig auf beiden in dem Maße fortbewegen, wie der Erregerstrom steigt. Es läßt sich daher durch Verwendung einer solchen Spule eine gute und richtige Lokalisierung der Ionisationszone erreichen. Dieser Möglichkeit kommt in der Praxis Bedeutung zu, da sie den Wirkungsgrad der Ionenquelle und die Fokussierung des Ionenstrahls am Ausgang des Piamas zu beeinflussen gestattet.

Die Fig. 4 und 5 zeigen zwei andere Systeme, mit denen das magnetische Feld erzeugt werden kann. Die magnetischen Feldlinien sind in diesen Figuren schematisch angedeutet. In Fig. 4 haben die Ströme, die durch die Spulen 28 bzw. 29 hindurchfließen, gleiche Richtung, während sie in Fig. 5 entgegengesetzte Richtung aufweisen. Die Spulen 28 und 29 sind kreisförmig wie im Falle der Fig. 3 und sind auf einfache Weise im Schnitt durch eine axiale Symmetrieebene angedeutet. Ihre tatsächliche Gestalt kann man sich durch Rotation um eine vertikale Achse zustande'gekommen denken. Der Abstand zwischen den beiden Spulen wie auch ihre Lage relativ zu dem Ionisationsraum sind einstellbar.

Die Fig. 6 und 7 geben schematisch die Feldlinien eines Feldes wieder, das durch um eine vertikale Achse rotationssymmetnische Permanentmagnete erzeugt wird. Der Permanentmagnet der Fig. 6 hat rohrförmige Gestalt, während derjenige der Fig. 7 eine kompliziertere Form aufweist.

Fig. 8 deutet im Axialschnitt schematisch eine Vorrichtung 30 zur Erzeugung eines magnetischen Feldes an, wie z. B. einen Elektromagnet, einen Permanentmagnet oder eine Spule. Das Element 31 ist ein Ring aus weichem Eisen, der die Struktur des magnetischen Feldes modifizieren und damit die Grenzen jener Zonen zu regulieren gestattet, in denen die Ionisation wirksam werden soll. Es ist auch möglich, verschiedene derartige Weicheisenringe zu verwenden oder irgendwelche Kombinationen derselben mit Anordnungen der vorhergehenden Figuren.

Fig. 9 zeigt im Axialschnitt und Fig. 10 in einer entsprechenden Ansicht von unten eine Abwandlung der Mittel, mit denen die Höchstfrequenz in die vorliegende Ionenquelle eingekoppelt .wird. Sie ist auf alle Ausfü'hrungsformen der vorliegenden Erfindung anwendbar.

Der Leiter 2 der Koaxialleitung hat dieselbe Lage wie zuvor und ist hohl, damit durch ihn hindurch das zu ionisierende Gas eingelassen werden kann. Der Außenleiter 32 der Koaxialleitung, welcher in Fig. 1 mit der Bezugszahl 7 bezeichnet und dort außerhalb der Entladungsröhre angeordnet gezeigt ist, dringt in der Ausführungsform der Fig. 9 und 10 in das Innere der Röhrenhülle 1 ein und spreizt sich dort nach außen auf. Er wird von einem Ring 33 abgeschlossen, der mit dem Ende des Leiters 2 durch radiale Speichen 34 verbunden ist. Der Schwingungsbauch des Höchstfrequenzfeldes wird von dem Ring 33 sowie dem offenen Ende des Leiters 2 unterhalten. Die über die Koaxialleitung gelieferte Hochfrequenzleistung be-

findet sich auf diese Weise innerhalb der der Röhrenhülle I₁ wodurch die dielektrischen Verluste in der Hülle 1 vermieden werden.

Die oben beschriebenen Ausführungsformen stellen Anordnungen dar, die mit stehenden Wellen arbeiten. Es ist gleichermaßen möglich, wandernde Wellen zu verwenden. Fig. 11 zeigt im Axialschnitt und Fig. 12 in einer entsprechenden Ansicht von unten eine Ausführungsform, in der das Kupplungsmittel als ko-rbförmige Spirale 35 ausgebildet wird. Der Mittelleiter 2 der Koaxialleitung 36, durch die die Hochfrequenzenergie zugeführt wird, ist an die Spirale 35 an deren mittleren Punkt angeschlossen. Die Hochfrequenzenergie breitet sich längs der Spirale 35 aus und wird zum größten Teil zur Ionisation verbraucht. Die übertragene Welle wird am freien Ende 37 der Spirale reflektiert und während ihres Rücklaufs praktisch vollständig absorbiert. Hierbei ist angenommen, daß das magnetische Feld einen geeigneten Wert besitzt. Die Korbform der Spirale 35, wie sie etwa in Fig. 11 zum Ausdruck kommt, gestattet eine bessere Fokussierung des Ionenstrahls.

Die Rotationssymmetrie ist keine kritische Bedingung. Alles, was vorstehend im Zusammenhang mit symmetrischen Konstruktionen gesagt wurde, gilt ebenso für andersgeartete Ausführungsformen, so daß z. B. ein flacher, bürstenförmiger Ionenstrahl in Höhe des verengten Abschnitts 4 (s. Fig. 1 und 3) an Stelle eines normalen Strahls erhalten wird. Selbstverständlich wird dann die Verengung 4 entsprechend abgewandelt.

Verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Ionenquelle ohne Kreissymmetrie sollen nunmehr nachstehend erläutert werden.

Entsprechend der schematisch dargestellten Ausführungsform nach Fig. 13, die einen Querschnitt zeigt, und gemäß der Fig. 14, die eine zugehörige Ansicht von oben bietet, bestehen die Hochfrequenzelektroden aus zwei metallischen Platten 38 und 39, die einander parallel laufen und zwischen den Polschuhen 43 eines Elektromagnets oder Permanentmagnets angeordnet sind, der ein zu ihnen paralleles Feld erzeugt. Ein Hochfrequenzgenerator erregt zwischen den Platten 38 und 39 mittels einer Übertragungsleitung ein Hochfrequenzfeld. Diese Mittel zur Erregung des Hochfrequenzfeldes sind in der Zeich nung symbolisch durch die Bezugsnummer 50 angedeutet. Die Richtung des Hochfrequenzfeldes ist senkrecht zu der Richtung des magnetischen Feldes B. Eine dritte Elektrode 40 ist parallel zu den beiden vorerwähnten Elektroden 38 und 39 angeordnet. Die Elektroden 39 und 40 sind mit Fenstern 41 bzw. 42 zum Abführen der Ionen versehen. Wenn zwischen den Platten 38 und 39 keine Gleichpotentialdifferenz besteht, wird die Platte 40 gegenüber der Platte 39 auf negatives Potential gelegt, um das Abführen der Ionen möglich zu machen. Wenn man die Platte 39 auf ein leicht negatives Potential gegenüber der Platte 38 legt, treten die Ionen durch das Fenster 41 hindurch, und die Platte 40 hat dann die Funktion einer Beschleunigungselektrode.

Fig. 15 erläutert eine Verbesserung gegenüber der Anordnung nach den Fig. 13 und 14. Die Verbesserung besteht darin, die Elektroden 38, 39 und 40 durch Biegung in die Gestalt der Elektroden 51, 52 bzw. 53 übergehen zu lassen, und zwar, wie in Fig. 15 gezeigt, in der Weise, daß die gekrümmten Elektroden Teile dreier koaxialer Zylinder sind. Ein magnetisches Feld B parallel zu der gemeinsamen Achse dieser drei Zylinder begünstigt die Fokussierung der Ionen längs der gemeinsamen Achse 54. Die Extraktion der Ionen erfolgt dadurch parallel zu der Richtung der Feldlinien des Hochfrequenzfeldes. Es ist auch denkbar, die Extraktion der Ionen senkrecht zu der Richtung der Feldlinien des Hochfrequenzfeldes erfolgen zu lassen.

Die Fig. 16 und 17, von denen Fig. 16 ein Querschnitt und Fig. 17 eine Ansicht von oben ist, geben schematisch - eine Ausführungsform an, in der zwei ίο Hochfrequenzelektroden durch zwei Platten 44 und 45 gebildet werden. Das magnetische Feld wird durch eine flache Spule 46 rechteckigen Querschnitts erzeugt. In dieser Anordnung liegen die Hochfrequenzelektroden 44 und 45 normalerweise auf demselben statischen Potential. Eine Elektrode 47 mit negativem Potential gegenüber den Platten 44 und 45 wird benutzt, um den Ionenstrahl zu fokussieren.

Fig. 18 stellt eine Abänderung der in Fig. 16 erläuterten Ausführungsform dar. Die ebenen Elektroden 44 und 45 der Anordnung gemäß Fig. 16 sind darin durch kreisförmig gekrümmte metallische Elektroden 48 und 49 ersetzt, die auf einem Kreis angeordnet sind; die Achse des dadurch gebildeten Zylinders fällt dabei mit der Achse des Spaltes in der Elektrode 47 zusammen. Die Gestalt der Elektroden begünstigt die Ionenfokussierung. Das Magnetfeld wird durch die gleiche Spule 46 erzeugt wie in Fig. 16.

Die Abmessung / der Platten 38 und 39 (Fig. 13 und 14) ebenso wie die Abmessungen der Platten 44 und 45 (Fig. 16 und 17) muß gegenüber der Wellenlänge des benutzten Hochfrequenzfeldes klein sein, so daß eine begründete Sicherheit besteht, daß der quasistationäre Betriebszustand gewährleistet ist Wenn die Wellenlänge beispielsweise zwischen 0,2 und 1 m liegt, darf die Abmessung / 10 cm nicht überschreiten.

Diese Bedingung stellt keine Einschränkung der Anwendbarkeit der vorliegenden Ionenquelle dar, denn es gibt Mittel, diese Einschränkung zu umgehen. Sie bestehen darin, die den Ionisationsraum begrenzenden Platten miteinander an jedem ihrer beiden Enden derart zu verbinden, daß eine Lecher-Leitung entsteht. Dies gestattet, eine effektive Länge I der Bauelemente zu erreichen, die selbst bei kleinen Wellenlängen genügend groß ist. Die Länge der Platten ist dann gleich einer halben Resonanzwellenlänge. Diese Eigenschaft kann unmittelbar aus der Betrachtung der Verteilung des Hochfrequenzfeldes über den Platten abgeleitet werden. Eine solche Maßnahme gewährleistet noch einen weiteren Vorteil, nämlich den, daß die Intensität des Hochfrequenzfeldes symmetrisch verteilt ist und in der Mitte der Elektroden ein Maximum und an deren Enden ein Minimum hat. Die Intensität der Ionisation ist zwischen den Elektroden in analoger Weise verteilt. Eine solche Verteilung der Ionisation ist besonders hinsichtlich einer richtigen Fokussierung des Ionenstrahls günstig.

Fig. 19 veranschaulicht schließlich schematisch eine Ausführungsform, in der eine Hilfselektronenquelle in einer Anordnung nach Fig. 13 eine Verkürzung des Zeitraums gestattet, der notwendig ist, um die Entladung in Gang zu bringen. Eine solche Verbesserung ist von besonderem Interesse in einer Impulsanordnung, die mit Impulsen kurzer Dauer arbeitet. In der schematisch in Fig. 19 gezeigten Ausführungsform bezeichnen gleiche Bezugszahlen gleiche Elemente wie in Fig. 13. Ein Heizfaden 55, umgeben von elektronenoptischen Elementen 56, 57, emittiert in thermischer Emission einen ebenen Elektronenstrahl 59., der

parallel zu den Hochfrequenzelektroden 38 und 39 verläuft. Der Strahl wird von einem Kollektor 58 außerhalb des Hochfrequenzfeldes aufgefangen.

Bei den oben angeführten Ausführungsformen können die Hochfrequenzelektroden innerhalb oder außerhalb der Röhre angeordnet oder mit der Hülle der Röhre kombiniert werden. Die Richtung des magnetischen Feldes kann parallel oder senkrecht zu der Extraktionsrichtung der Ionen stehen. Darüber hinaus können innerhalb des Ionisationsraumes geeignete elektrostatische Felder verwendet werden, um die Extraktion der Ionen zu erleichtern.

Claims (11)

Patentansprüche:

1. Hochfrequenz-Ionenquelle mit einer Ionisationskammer, in deren Innerem sich ein elektrostatisches Feld, ein magnetostatisches Feld B und ein Hochfrequenzfeld eines Generators mit einer unterhalb 3 m liegenden Wellenlänge λ befinden, dadurch gekennzeichnet, daß das Produkt B λ zwischen 10 000 und 15 000 Gauß · cm oder 5000 und 7500 Gauß ■ cm liegt und die elektrischen Kraftlinien des Hochfrequenzfeldes ungefähr senkrecht auf denen des magnetostatischen Feldes B stehen und daß das elektrische Hochfrequenzfeld und das elektrostatische Feld eine gemeinsame Symmetrieachse haben und die Einführung des zu ionisierenden Gases in die Ionisationskammer auf einem Punkt dieser Symmetrieachse erfolgt.

2. Ionenquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß diese ein Stück einer koaxialen Übertragungsleitung enthält, die mit dem Hochfrequenzgenerator gekoppelt ist und deren eines Ende mit der Ionisationskammer verbunden ist, während das andere Ende durch eine metallische Wand geschlossen ist, die von dem Mittelleiter der koaxialen Leitung durchbohrt ist, und daß dieser Mittelleiter in Richtung der Symmetrieachse liegt, hohl ist und zur Zuführung des zu ionisierenden Gases in die Ionisationskammer dient.

3. Ionenquelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das koaxiale Leitungsstück so dimensioniert ist, daß die dort auftretenden stehenden Wellen an dem mit der Ionisationskammer verbundenen Ende einen Spannungsbauch haben.

4. Ionenquelle nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ionisationskammer am offenen Ende der koaxialen Leitung einen Zylin- 50 S der enthält, der durch eine aus Isoliermaterial bestehende und von einem metallischen Röhrchen durchbohrte Wand abgeschlossen ist, das gegenüber dem Hohlleiter auf negativem Potential liegt und eine Lochblende für das Ausströmen des ionisierten Gases enthält.

5. Ionenquelle nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der gesamte Zylinder aus Isoliermaterial besteht und an dem an der koaxialen Leitung angrenzenden Ende durch eine ebenfalls aus Isoliermaterial bestehende Wand abgeschlossen und mit einer Öffnung für den besagten Mittelleiter versehen ist.

6. Ionenquelle nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die koaxiale Leitung die Ionisationskammer umgibt, und zwar insbesondere auf einer Länge von ungefähr λ/4.

7. Ionenquelle nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ionisationskammer aus Metall hergestellt ist und einen deformierbaren Teil aufweist, dessen Volumen zu verändern ist.

8. Ionenquelle nach einem oder mehreren der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb der Ionisationskammer der Mittelleiter in einer Spirale um die Achse dieser Kammer angeordnet ist und eine korbförmige Gestalt aufweist.

9. Ionenquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Inneren der Ionisationskammer senkrecht zur Achsrichtung drei parallelliegende ebene oder gekrümmte metallische Platten angeordnet sind, die wenigstens an zwei verschiedene Potentiale angeschlossen sind, und daß in zwei benachbarten Platten für das Ausströmen des ionisierten Gases öffnungen angebracht sind.

10. Ionenquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Inneren der Ionisationskammer zwei parallelliegende ebene oder gekrümmte metallische Platten angeordnet sind, die elektrisch miteinander verbunden und an ein gegenüber einer mit gleichem Abstand zu den zwei Platten angeordneten Elektrode positives Potential angeschlossen sind.

11. Ionenquelle nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die zusätzliche Anwendung eines Elektronenstrahls in der Ionisationskammer.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Annalen der Physik, 6. Folge, Bd. 14, Heft 1/2, bis 53.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

© 009 548/353 6.