DE1156515B

DE1156515B - Vorrichtung zur Erzeugung negativer Ionen

Info

Publication number: DE1156515B
Application number: DEH27052A
Authority: DE
Inventors: Raymond George Herb; James Adolf Weinman
Original assignee: High Voltage Engineering Corp
Current assignee: High Voltage Engineering Corp
Priority date: 1956-04-09
Filing date: 1956-05-15
Publication date: 1963-10-31
Also published as: GB833658A; US2816243A; DE1187749B

Description

INTERNAT. KL. H 01 j

DEUTSCHES

PATENTAMT

H27052Vmc/21g

ANMELDETAG: 15. MAI 1956

BEKANNTMACHUNG
DER ANMELDUNG
UNDAUSGABE DER
AUSLEGESCHRIFT: 31. OKTOBER 1963

Die Erfindung betrifft eine negative Ionenquelle, die einen evakuierten Raum, eine darin angeordnete, mit einem Kapillarkanal versehene Elektrode und eine positive Ionenquelle aufweist.

Es sind bereits Ionenquellen der erwähnten Art bekannt, bei denen ein Strahl positiver Ionen auf eine metallische Oberfläche gerichtet wird, wobei infolge von Wandumladungen die reflektierten Partikeln eine gewisse Anzahl negativer Ionen aufweisen. Bei der bekannten Einrichtung nimmt das Gas selbst nicht an der Erzeugung negativer Ionen teil, da der Gasdruck sehr niedrig ist. Lediglich ein Raum, welcher der Umwandlung negativer Ionen in positive Ionen dient, ist mit Gas von höherem Druck gefüllt.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer nega- ¹S tiven Ionenquelle, bei der ein Strahl positiver Ionen durch ein Gas hindurchgeführt und die negativen Ionen durch Wechselwirkung des positiven Ionenstrahls und des Gases erzeugt werden. Erreicht wird dies dadurch, daß der in axialer Richtung verlaufende Kapillarkanal, dem die in der positiven Ionenquelle erzeugten Ionen zuzuführen sind, in einem beliebigen Punkt zwischen seinen beiden Enden mit einem annähernd in radialer Richtung verlaufenden zweiten Kapillarkanal, dem ein elektronenabgebendes Gas zuzuführen ist. verbunden ist.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung sind im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel einer Ionenquelle nach der Erfindung im Längsschnitt und in teilweise schematischer Darstellung,

Fig. 2 eine schematische Darstellung der Wirkungsweise einer Ionenquelle nach der Erfindung,

Fig. 3 ein gegenüber Fig. 1 abgewandeltes Ausführungsbeispiel der Erfindung in ausschnittsweiser und vergrößerter Darstellung,

Fig. 4 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung, in welcher negative Ionen zuerst durch einen linearen Beschleuniger auf hohe Energie beschleunigt und dann in einen elektrostatischen Beschleuniger eingeführt werden, in welchem sie entweder beschleunigt oder abgebremst und in positive Ionen umgewandelt werden, die dann weiter beschleunigt oder abgebremst werden.

Gemäß den Zeichnungen, und zwar zunächst nach Fig. 1, werden positive Ionen mittels einer Ionenquelle 1 erzeugt. Diese Ionen werden abgezogen und mittels einer Spannung in der Größenordnung von 10* Volt beschleunigt. Die Ionen werden dann durch einen Kapillarkanal 2 geleitet, in welchen ein Elektronen abgebendes Gas eingeführt wird. Die aus diesem Vorrichtung zur Erzeugung negativer Ionen

Anmelder:

High Voltage Engineering Corporation, Cambridge, Mass. (V. St. A.)

Vertreter: Dipl.-Ing. H. Görtz, Patentanwalt, Frankfurt/M., Schneckenhofstr. 27

Beanspruchte Priorität: V. St. v. Amerika vom 9. April 1956 (Nr. 577 133)

Raymond George Herb und James Adolf Weinman,

Madison, Wis. (V. St. Α.), sind als Erfinder genannt worden

Kanal 2 austretenden negativen Ionen werden weiter beschleunigt, während die austretenden Sekundärelektronen von einer Elektronensperre 3 elektrostatisch abgestoßen werden. Die negativen Ionen werden dann mittels einer geeigneten Elektrode 4 fokussiert, die in Fig. 1 dargestellt ist. Die gesamte Quelle negativer Ionen, mit Ausnahme der Vakuumpumpe und der magnetischen Zerlegungsvorrichtung, befindet sich in einer Kammer 5, die mittels der Vakuumpumpe evakuiert wurde.

Die Quelle negativer Ionen kann ganz aus Metall und Keramik hergestellt werden, so daß sie auch bei erhöhten Temperaturen betrieben werden kann. Die ganze Einrichtung der Quelle negativer Ionen, mit Ausnahme der Fokussierungselektrode 4, ist an einem abnehmbaren Endflansch 6 befestigt, so daß sie ohne weiteres zu Wartungszwecken herausgenommen werden kann. An allen lösbaren Verbindungen können Metalldichtungen verwendet werden. Die Quelle 1 positiver Ionen ist so aufgebaut, daß die das Ionen liefernde Plasma einschließende Hülle ganz in der Vakuumkammer 5 untergebracht ist und auf diese Weise die Anzahl der atmosphärischem Druck ausgesetzten Vakuumabdichtungen vermindert wird.

Die Quelle 1 positiver Ionen kann eine beliebige bekannte Bauart sein. Eine wichtige Bedingung ist, daß die Ionenstromdichte möglichst hoch ist. Lediglich als Beispiel ist in Fig. 1 eine Ionenquelle mit

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einem magnetischen Hilfsfeld dargestellt. Ein geeignetes Gas, wie Wasserstoff oder Deuterium wird durch eine entsprechende Gasleitung? in die Quelle positiver Ionen eingeführt. Elektronen werden von einem Spiraldraht 8 emittiert und zu einer zylindrischen Anode 9 gezogen, die von einer Spannungsquelle 10 auf einem Potential zwischen 0 und 300 Volt, positiv mit Bezug auf den Draht 8, gehalten wird. Jedoch beschränkt ein von einem Solenoid Il erzeugtes axiales Es ist zweckmäßig, die negativen Ionen auf eine möglichst große Energie zu beschleunigen, bevor sie in den elektrostatischen Beschleuniger oder einen anderen Teilchenbeschleuniger eintreten, da sie dann weniger durch Störladungen abgelenkt werden, die an den Isolatoren nahe dem Eingang der Beschleunigungsröhren sich bilden können. Aus diesem Grund können die Quelle 1 positiver Ionen, die Elektrode 15 und die Elektronensperre 3 von der Spannungs

magnetisches Feld ihre Bewegung auf die Achse. Die io quelle 18 eine Spannung zwischen 0 und 45 kV und Elektronen wandern daher in axialer Richtung, bis sie negativ mit Bezug auf die Erde erhalten. Diese Andas Ende der Ionenquelle 1 erreichen, wo sie von Ordnung kann mittels eines 5,08 mm starken Keramikeiner auf dem Potential des Drahtes gehaltenen ringes 19 von 20,32 cm äußerem und 15,24 cm inne-Plattenelektrode 12 reflektiert werden. Diese Anord- rem Durchmesser isoliert werden, und die zugehönung ist sehr leistungsfähig zur Erzeugung eines 15 rigen Leistungsquellen 10, 14, 17 können gegen Erde

Plasmas hoher Dichte. Die Anordnung des Drahtes 8 nahe der Ausgangsöffnung 13 für die positiven Ionen ändert die Plasmabegrenzung derart, daß eine große Ausbeute positiver Ionen für eine gegebene Abzugsspannung gewährleistet ist.

Die positiven Ionen werden durch die Öffnung 13 vom Plasma abgezogen und in den Kapillarkanal 2 mit Hilfe einer Spannungsquelle 14 fokussiert, welche die Elektrode 15, in welcher der Kapillarkanal 2 ausgebildet ist, auf eine Spannung von 10⁴ Volt und negativ mit Bezug auf den Draht 8 hält. Der Abstand zwischen der Ionenquellenausgangsöfmung 13 und dem KapiHarkanal 2 beträgt vorzugsweise zwischen dem Ein- und Zehnfachen, vortseilhafterweise zwischen dem Zwei- und Dreifachen des Durchmessers des Kapdllarkanals 2. Die Hälfte der Elektrode 15, die mit positiven Ionen bombardiert wird, kann aus Molybdän hergestellt werden, das einen hohen Schmelzpunkt besitzt und maschinell bearbeitet werden kann, während die andere Hälfte aus Aluminium bestehen kann. An Stelle von Molybdän kann auch eine BeryUium-Kupfer-Legierung verwendet werden, da es ähnliche Eigenschaften aufweist, billiger ist, eine hohe Wärmeleitfähigkeit besitzt und eine große Ausbeute an Sekundärelektronen zur Neutralisierung der Raumladung liefert. Ein geeignetes, Elektronen abgebendes Gas, vorzugsweise Wasserstoff, obgleich auch andere Gase, wie z. B. Argon, verwendet werden können, wird in den Aufnahmekapillarkanal 2 zwischen dessen Enden durch eine entsprechende Gasleitung 16 eingeführt. Vorzugsweise wird das Gas in der Mitte des Kapillarkanals 2 eingeleitet, wie aus Fig. 1 hervorgeht, und wo die Elektrode 15, wie zuvor beschrieben, aus zwei Teilen besteht, kann das Gas zwischen diesen beiden Teilen eingeführt werden, wie in Fig. 3 gezeigt ist.

Der aus dem Kapillarkanal 2 austretende Strahl besteht aus negativen Ionen, neutralen Teilchen, positiven Ionen und Elektronen. Eine Elektronensperre 3, die eine Scheibe mit einer Öffnung von 9,6 mm Durchmesser aufweist, die mittels einer Spannungsquelle 17 auf 50 Volt und negativ mit Bezug auf die Elektrode 15 gehalten wird, ist in einem verhältnismäßig großen Abstand, etwa 19 mm, von der Ausgangsöffnung des Kapillarkanals 2 angeordnet. Dieser Abstand ist groß gewählt, damit die Sekundärelektronen, die in dem aus dem Aufnahmekanal 2 ausströmenden Gas erzeugt werden, ebenfalls gebremst werden. Die Öffnung in der Elektronensperre 3 ist im Verhältnis zum Durchmesser des Strahles groß gewählt, um die sphärische Aberration am Eingang zum Beschleunigungsspalt der negativen Ionen zu vermindern.

isoliert werden durch nicht dargestellte Transformatoren mit 45 kV Isolierung.

Die Elektrode 20 zur Beschleunigung negativer Ionen kann aus einem 20,32 cm langen Zylinder von 6,35 cm Durchmesser bestehen und geerdet sein. Dieser Zylinder, zusammen mit der Öffnung der Elektronensperre 3, bestimmt die Zone der Beschleunigung negativer Ionen. Der Durchmesser ist groß gewählt, um die sphärische Aberration zu vermindern und um den Beschleunigungsgradienten über eine große Strecke auszudehnen, wodurch die Divergenz des Strahles auf ein Minimum herabgesetzt wird. Die Länge der Beschleunigungselektrode 20 wurde so gewählt, um eine möglichst große Gegenstandsweite innerhalb der durch die Vakuumhülle 5 bedingten Grenzen zu schaffen, um hierdurch die Vergrößerung durch die Fokussierelektrode 4 zu verringern. Die Fokussierelektrode 4 besitzt gegenüber Erde ein negatives Potential, das von der Spannungsquelle 21 aufrechterhalten wird und für optimale Fokussierung gewöhnlich Vt/V₀=0,5 gehalten wird, wobei V₁ die Energie des Strahls innnerhalb der Elektrode ist und V₀ die Energie des Strahls außerhalb der Elektrode, d. h. die Endenergie des Strahls.

Diese Elektrode 4 kann beispielsweise eine Eingangsöffnung von 10,16 cm Durchmesser und eine Ausgangsöffnung von 4,5 cm Durchmesser besitzen. Eine geeignete Länge liegt bei etwa 17,8 cm, da eine längere Elektrode bei einer gegebenen angelegten Spannung keine kürzere Fokussierlänge ergeben würde. Jeweils zwei benachbarte der Elektroden 15, 3, 20 und 4 greifen übereinander, so daß der Strahl gegen jede elektrostatische Potentialasymmetrie geschützt ist. Der Strahl wird dann durch eine Röhre 22 aus rostfreiem Stahl mit einem Durchmesser von 6,35 mm geleitet und kann dann von einer Strahlzerlegungsanordnung abgelenkt werden.

Zusammenfassend läßt sich sagen, daß die Erzeugung negativer Ionen aus positiven Ionen, die durch ein Gas hindurchlaufen, die Verwendung einer Vorrichtung bedingt, die zweckmäßigerweise aus den folgenden vier Hauptteilen besteht.

1. Der Quelle positiver Ionen;

2. der Austauschvorrichtung;

3. Mitteln zur Abgabe der positiven Ionen an die Austauschvorrichtung und

Mittel zur Abgabe der negativen Ionen von der

Austauschvorrichtung.

Eine solche Quelle negativer Ionen ist schematisch in Fig. 2 dargestellt. Gemäß dieser Darstellung werden in einer Ionenquelle 1 erzeugte positive Ionen mit

Hilfe einer entsprechenden Beschleunigungsvorrichtung 23 in eine Austauschvorrichtung abgegeben. In der Austauschvorrichtung 2 erzeugte negative Ionen werden von dieser mittels einer entsprechenden Beschleunigungsvorrichtung 24 abgezogen. Im allgemeinen ist der austretende negative Ionenstrahl aus mehr als einer Ionensorte zusammengesetzt, und demgemäß kann die gewünschte negative Ionenart vom Rest des Strahls getrennt werden, indem dieser in einen Strahlzerleger 25 geführt wird, aus welchem die gewünschten negativen Ionen als Strahl 26 austreten.

Oftmals werden positive Ionen aus Wasserstoffisotopen angewendet. Der Ionenstrahl einer positiven Ionenquelle, die Wasserstoff des Atomgewichts 1 verwendet, ist aus drei Arten von Molekülionen zusammengesetzt, nämlich aus Molekülen der Masse 1, Masse 2 und Masse 3. In der Praxis kann die Verwendung von Molekülen der Masse 2 besonders erwünscht sein, und zwar deswegen, weil dann die Ausbeute an negativen Ionen sich verdoppeln kann. Da die Energie in diesem Fall zwischen zwei Teilchen aufgeteilt ist, muß die Beschleunigungsspannung verdoppelt werden. Wenn in der Ionenquelle Deuterium verwendet wird, ist die Masse jeder Ionenart zweimal so groß, als wenn Wasserstoff verwendet wird, und die Ausbeute negativer Deuteriumionen bei einer Abzugsspannung V entspricht ziemlich genau der Ausbeute an Wasserstoffionen bei einer Spannung V/2. Um eine große Ausbeute an Deuteriumionen zu erzielen, ist es erforderlich, höhere Energien anzuwenden, d. h. höhere Spannungen für die Abzugselektrode 15. Dies ist zu erwarten, da für ein wirksames Einfangen von Elektronen die Ionen sich mit einer Geschwindigkeit bewegen müssen, die ungefähr der Geschwindigkeit des äußersten Elektrons in den Atomen des umwandelnden Gases entspricht.

Obgleich die Verwendung von zwei Gasquellen vorzuziehen ist, ist es auch möglich, nur eine einzige Gasquelle sowohl für die positive Ionenquelle als auch für den Kapillarkanal zu verwenden. Wenn nur eine Gasquelle verwendet wird, erfolgt die Strömung zweckmäßigerweise von dem Kapillarkanal zur Ionenquelle hin, obgleich es auch umgekehrt möglich ist. Dies geschieht, weil der Kapillarkanaldruck hoch ist, der Raum zwischen dem Kapillarkanal und der positiven Ionenquelle aber evakuiert sein muß. Glücklicherweise kann der zulässige Maximaldruck im Beschleunigungsraum größer sein als der zulässige Minimaldruck in der Quelle positiver Ionen.

Die Anzahl der negativen Ionen, die beim Durchgang eines bestimmten Strahles positiver Ionen durch eine ein Elektronen abgebendes Gas enthaltende Austauschvorrichtung erzeugt werden, ist eine Funktion der Energie der eintretenden positiven Ionen; die Anzahl der negativen Ionen erreicht ein Maximum bei einer Energie der positiven Ionen von einigen tausend Elektronenvolt. Selbstverständlich ist die Energie der negativen Ionen ebenfalls eine Funktion der Energie der eintretenden positiven Ionen, und zwar ist sie dieser ungefähr gleich. Daher müssen die positiven Ionen beschleunigt werden, wenn sie von der Quelle positiver Ionen an die Austauschvorrichtung abgegeben werden, und der positive Ionenstrahl sollte im wesentlichen monoenergetisch sein. Dies bedeutet, daß der Raum zwischen der Quelle positiver Ionen und der Austauschvorrichtung evakuiert werden muß. Außerdem erfordern die meisten praktischen Anwendungen der Quelle negativer Ionen, daß der Raum, in welchen die negativen Ionen aus der Austauschvorrichtung austreten, ebenfalls evakuiert ist. Es wurde festgestellt, daß der Gasdruck am Eingang des Kapillarkanals 2 so hoch sein sollte, wie er mit der sich ergebenden Gasströmung verträglich ist. In dieser Hinsicht besitzt der Kapillarkanal einen bemerkenswerten Vorteil gegenüber einer größeren Kammer, in die und aus der die Ionenstrahlen durch Öffnungen

ίο geleitet werden, da der Eingangsdruck im Falle eines Kapillarkanals für einen bestimmten Auslaßdruck viel stärker erhöht werden kann als im Falle einer vergrößerten Kammer. Dies wiederum erhöht die Masse des Gases pro Flächeneinheit. Außerdem ist, wo keine Raumladungseffekte vorhanden sind, der zulässige Maximalstrom durch eine Röhre derselbe wie der durch irgendeine größere Kammer mit Einlaß- und Auslaßöffnungen mit der gleichen Fläche wie der Röhrendurchmesser. Raumladungseffekte werden

so durch Sekundärelektronen vermindert, die von der Metalloberfläche der Umwandlungsröhre ausgestrahlt werden und die die Raumladung der positiven Ionen neutralisieren. Sekundärelektronen, die von der inneren Wandung des Kapillarkanals ausgesandt

as werden, sind gegen alle elekrischen Felder geschützt, außer gegen das des Strahls positiver Ionen, und daher ist ihre Geschwindigkeit besonders niedrig, und sie sind besonders wirksam, den Effekten der Raumladung entgegenzuwirken.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 1 besitzt die Elektronensperre 3 eine verhältnismäßig kleine Öffnung und liegt auf etwa 50VoIt in bezug auf die ElektrodelS, während die Beschleunigungselektrode 20 für die negativen Ionen dem eintretenden Ionenstrahl eine verhältnismäßig große Öffnung darbietet. Diese drei Elektroden 15, 3 und 20 wirken als Linse, die einen Einschnürungspunkt besitzt; es besteht eine gewisse Gefahr einer unerwünschten Ausbreitung der Raumladung des Strahles beim Einschnüren, Um diese Gefahr zu vermindern, kann die in Fig. 3 gezeigte abgewandelte Ausführungsform verwendet werden, bei der die Elektronensperre mit ungefähr 100 Volt in bezug auf die Elektrode 15 belastet wird und die Beschleunigungselektrode 20 für die negativen Ionen dem eintretenden Ionenstrahl eine verhältnismäßig kleine Öffnung darbietet. Eine solche Kontraktion verringert die beim Einschnüren auftretenden Schwierigkeiten. Die Elektrode 15 mit dem Kapillarkanal 2, in welchem der Ladungsaustausch stattfindet, wird stark von positiven Ionen bombardiert und dadurch aufgeheizt. Bei einer bestimmten Anzahl von Atomen oder Molekülen in dem Kapillarkanal 2 erhöht sich die Anzahl der pro Sekunde austretenden Atome oder Moleküle, wenn sich die Gastemperatur erhöht. Daher hat das Kühlen des Elektronen abgebenden Gases gewisse Vorteile. Dies läßt sich dadurch bewirken, daß das in den Kapillarkanal 2 eintretende Gas oder die Elektrode 15 mit dem Kanal 2 gekühlt werden. Das letztgenannte Verfahren würde

wahrscheinlich das brauchbarere dieser beiden Möglichkeiten sein. In jedem Fall kann die Kühlung in bekannter Art und Weise erfolgen und braucht hier nicht im einzelnen beschrieben zu werden.
Fig. 4 veranschaulicht eine Anordnung zur Erzie-

lung von Impuls-Protonenstrahlen unterschiedlicher Energie bis zur Größenordnung von 100 MeV oder mehr. In dieser Fig. 4 ist eine Quelle 27 negativer Ionen veranschaulicht, die gemäß der Erfindung aus-

gebildet ist und einen negativen Ionenstrahl erzeugt, der entweder in einen linearen Beschleuniger 28 oder in einem elektrostatischen Doppelendbeschleuniger 29 eingeführt wird, je nachdem, ob der Ablenkungsmagnet 30 ein- bzw. ausgeschaltet ist. Der elektro- statische Beschleuniger 29 besitzt eine Hochspannungselektrode 31, die auf positivem Potential gehalten wird und die eine geeignete Vorrichtung 32 zur Umwandlung der durchgeleiteten negativen Ionen in positive Ionen besitzt, um eine Energieverdopplung zu bewirken. Wenn angenommen wird, daß die Quelle 27 negativer Ionen eine Wasserstoffquelle ist, und wenn das Potential der Hochspannungselektrode 31 zwischen 0 und 5 MV geändert werden kann, liefert der elektrostatische Beschleuniger eine kontinuierlich änderbare Strahlenergie zwischen 0 und 10 MeV, wenn der Magnet 30 eingeschaltet ist, um die negativen Ionen von der Quelle 27 negativer Ionen in den elektrostatischen Beschleuniger abzulenken. Wird der Magnet 30 abgeschaltet, so werden die negativen ao Ionen aus der Quelle 27 negativer Ionen in einen linearen Beschleuniger 28 geführt, der von derselben Bauart sein kann wie ein gebräuchlicher linearer Protonenbeschleuniger, außer bei einer entsprechenden Änderung der Polarität für die Beschleunigung negativer Ionen. Die beschleunigten negativen Ionen, die aus dem linearen Beschleuniger 28 austreten, können entweder in einen zweiten linearen Beschleuniger 33 oder in einen zweiten elektrostatischen Doppelend-Beschleuniger 34 geführt werden, und zwar mit Hilfe eines zweiten Magnets 35. Der zweite elektrostatische Beschleuniger 34 kann dem ersten elektrostatischen Beschleuniger 29 gleich sein; tatsächlich kann der erste elektrostatische Beschleuniger 29 verschoben werden, um als zweiter elektrostatischer Beschleuniger 34 zu dienen. Da die Polarität eines nach dem Bandaufladeverfahren arbeitenden elektrostatischen Generators leicht umgekehrt werden kann, ist es möglich, daß Potential der Hochspannungselektrode 36 des zweiten elektrostatischen Bescheunigers 34 zwischen —5 und +5 MV zu ändern. Wenn der erste lineare Beschleuniger 28 eine 20-MeV-Ausgangsleistung hat, liefert der zweite elektrostatische Beschleuniger 34 eine fortlaufend änderbare Strahlenergie zwischen 10 und 30 MeV, wenn der zweite Magnet 35 eingeschaltet ist, um negative Ionen vom ersten linearen Bescheuniger 34 abzulenken. Selbstverständlich werden die durch den zweiten elektrostatischen Beschleuniger 34 wandernden Ionen, wenn die Hochspannungselektrode 36 des zweiten elektrostatischen Bescheunigers 34 negativ geladen ist, eher fortlaufend gebremst als beschleunigt. Beim Einsetzen eines weiteren 20 MeV linearen Beschleunigerteiles 33 mit nachfolgendem elektrostatischem Doppelendbeschleuniger 37 kann die Strahlenergie zwischen 30 und 50 MeV schwanken, usw. Auf diese Weise kann man einen Protonenstrahl erhalten, der fortlaufend zwischen Null und einer beliebigen Energie innerhalb der Grenzen des linearen Beschleunigers änderbar ist. Eine solche änderbare Energiesteuerung würde den schwerwiegensten Nachteil der heutigen linearen Protonenbeschleuniger überwinden, nämlich ihre festgelegten Energien. Auf andere Weise betrachtet, würde es die Endenergie einer elektrostatischen Anlage von den Problemen der Hochspannungsisolierung befreien. Selbstverständlich ist die beschriebene Anordnung nicht auf die Erzeugung von Protonenstrahlen beschränkt, sondern umschließt gleichwohl auch die Erzeugung anderer positiver Ionen.

Claims

PATENTANSPRÜCHE:

1. Negative Ionenquelle, die einen evakuierten Raum, eine darin angeordnete, mit einem Kapillarkanal versehene Elektrode und eine positive Ionenquelle aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der in axialer Richtung verlaufende Kapillarkanal (2), dem die in der positiven Ionenquelle (1) erzeugten Ionen zuzuführen sind, in einem beliebigen Punkt zwischen seinen beiden Enden mit einem annähernd in radialer Richtung verlaufenden zweiten Kapillarkanal, dem ein Elektronen abgebendes Gas (16) zuzuführen ist, verbunden ist.

2. Negative Ionenquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas ein Wasserstoffisotop enthält und daß der Strahl positive Ionen mit einer einzigen Elementarladung aufweist.

3. Negative Ionenquelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Quelle positiver Ionen in einem Metallgehäuse (1) innerhalb des evakuierten Raumes (5) angeordnet ist und daß sich die Austrittsöffnung (13) der positiven Ionen dicht an der Elektrode (15) bzw. dicht an einem Ende des ersten Kapillarkanals (2) befindet und daß die Elektrode (15) auf einem Potential in der Größenordnung von 10* Volt negativ mit Bezug auf das Metallgehäuse (1) liegt.

4. Negative Ionenquelle nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen der Öffnung (13) und der Elektrode (15) etwa das Ein- bis Zehnfache, vorzugsweise das Dreifache des Durchmessers des ersten Kapillarkanals (2) beträgt.

5. Negative Ionenquelle nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch Mittel zum Beschleunigen der negativen Ionen aus dem Kapillarkanal (2) und durch Ausblenden der Elektronen, welche sich noch in dem Strahl der den Kapillarkanal verlassenden negativen Ionen befinden.

6. Negative Ionenquelle nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch eine Elektrode (20) mit einer verhältnismäßig kleinen Öffnung zum Beschleunigen der negativen Ionen, die auf einem Potential in der Größenordnung von 10⁴ Volt positiv in bezug auf die den Kapillarkanal aufweisende Elektrode (15) liegt, und durch eine Elektrode (3) zum Ausblenden der Elektronen zwischen der Beschleunigungselektrode (20) und der KapüUarelektrode (15), die auf einem Potential in der Größenordnung von 10² Volt negativ in bezug auf die Kapillarelektrode liegt.

7. Negative Ionenquelle nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch Mittel zum Kühlen der Elektrode (15) bzw. des Gases in dem Kapillarkanal (2).

8. Anordnung zur Erzeugung positiver Ionen unter Anwendung einer negativen Ionenquelle nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß hinter der negativen Ionenquelle ein Ionendoppelendbeschleuniger von veränderbarer Energie (29) oder ein Ionenbeschleuniger mit festgelegter Energie (28, 33) und hinter einem einzigen oder hinter mehreren

ein Ionendoppelendbeschleuniger (34, 37) von veränderbarer Energie angeordnet ist, und daß jeder Doppelendbeschleuniger für veränderbare Energie eine Einrichtung zur Umwandlung der negativen in positive Ionen aufweist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Ionenbeschleuniger mit veränderbarer Energie ein elektrostatischer Bandgenerator mit einer Elektrode (31, 36) ist, deren Potential zu ändern ist.

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10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Ionenbeschleuniger mit festgelegter Energie ein Linearbeschleuniger ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Ionenbeschleuniger mit festgelegter Energie aus einer Mehrzahl Linearbeschleuniger besteht.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschrift Nr. 696 998.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen