DE1194990B

DE1194990B - Device for generating negative ions

Info

Publication number: DE1194990B
Application number: DEP28764A
Authority: DE
Inventors: Harold Joseph Morowitz
Original assignee: PURITRON CORP
Current assignee: PURITRON CORP
Priority date: 1962-02-08
Filing date: 1962-02-08
Publication date: 1965-06-16

Description

Vorrichtung zum Erzeugen negativer Ionen Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erzeugen von negativen Ionen durch Anlagerung von Elektronen an neutrale Teilchen mit einer Elektronenquelle, die Elektronen in den Ionenbildungsraum emittiert, und Einrichtungen zum Abführen der negativen Ionen.Apparatus for Generating Negative Ions The invention relates to a Device for generating negative ions through the accumulation of electrons neutral particles with an electron source, the electrons in the ion formation space emitted, and means for discharging the negative ions.

Die Erzeugung negativer Ionen ist für viele Zwecke von Bedeutung, beispielsweise für die Luftreinigung und für die medizinische Therapie. Bei dem Versuch, einen wirklich befriedigenden Erzeuger von negativen Ionen zu konstruieren, traten Schwierigkeiten auf, insbesondere wenn eine hohe Konzentration an negativen Ionen erwünscht war.The generation of negative ions is important for many purposes, for example for air purification and for medical therapy. In which Trying to construct a really satisfactory negative ion generator Difficulties occurred, especially when a high concentration of negative Ions was desired.

Es sind bereits verschiedene Elektronenanlagerungs-Ionenquellen bekannt, bei denen eine Elektronenquelle mit thermischer Elektronenquelle, wie z. B. einem geheizten Wolframband, Elektronen in den Ionenerceugungsraum emittiert. Bei diesen Vorrichtungen handelt es sich zum Teil um Anordnungen zum Erzeugen von Ionen für massenspektrometrische Zwecke oder um ein Gerät zur Lecksuche, die sich aus einer Anzahl getrennt zu regelnder Teile zusammensetzen.Various electron attachment ion sources are already known, in which an electron source with thermal electron source, such as. B. a heated tungsten tape, electrons are emitted into the ion generation space. With these Devices are partly arrangements for generating ions for mass spectrometric purposes or a device for leak detection resulting from a Assemble the number of parts to be controlled separately.

Demgegenüber besteht die Aufgabe der Erfindung in der Schaffung einer einfachen Ionenquelle, die kompakt und einteilig ausgebildet werden kann und mit der eine Ionenerzeugung mit guter Ausbeute für praktisch-technische Zwecke möglich ist.In contrast, the object of the invention is to create a simple ion source that can be made compact and in one piece and with the ion generation with good yield for practical-technical purposes possible is.

Die Erfindung löst diese Aufgabe dadurch, daß die Elektronenquelle aus einer in einer Hülle aus nichtmetallischem Material befindlichen Photonenquelle besteht, deren Hülle außen mit einer Metallschicht versehen ist, welche dick genug ist, um einen beträchtlichen Teil der von der Quelle emittierten Photonen zu absorbieren, und dünn genug, um den Auftritt der Photoelektronen in einen an die Außenseite der Metallschicht angrenzenden Bereich zur Bildung von negativen Ionen in diesem Bereich zu ermöglichen.The invention solves this problem in that the electron source from a photon source located in a shell made of non-metallic material consists, the shell of which is provided with a metal layer on the outside, which is thick enough is to absorb a significant part of the photons emitted by the source, and thin enough to allow the photoelectrons to appear in one to the outside of the Metal layer adjacent area for the formation of negative ions in this area to enable.

Mit dieser Vorrichtung wird ein hoher Umwandlungsgrad von Photonen in Elektronen erzielt, da keine Photonen aus der Hülle austreten können, ohne die Metallschicht zu passieren. Damit ist es möglich, eine kompakte und einteilige Vorrichtung zum Erzeugen von negativen Ionen zu schaffen, die im Gegensatz zu bekannten Vorrichtungen, welche aus einer Vielzahl von komplizierten Einrichtungen bestehen, einfach zu regeln ist.With this device a high degree of conversion of photons is achieved achieved in electrons, since no photons can escape from the shell without the Metal layer to pass. This makes it possible to have a compact and one-piece device to create negative ions that, in contrast to known devices, which consist of a multitude of complicated devices, easy to regulate is.

Bei der in der Zeichnung als Beispiel wiedergegebenen Ausführungsform ist die Hülle einer ultraviolette Photonen emittierenden Röhre mit einer außerordentlich dünnen metallischen Schicht aus Gold überzogen. Diese Schicht absorbiert von dem Emitter in der Röhre kommende Photonen, die auf die eine Oberfläche auftreffen, und sendet Photoelektronen auf ihrer anderen oder äußeren Oberfläche aus, d. h., die nutzbaren Photoelektronen werden von der Seite der Schicht ausgesandt, die der Seite, auf welcher die Photonen absorbiert werden, entgegengesetzt ist. Die Photoelektronen werden von den Atomen oder Molekülen eines die Hülle umgebenden Gases absorbiert. Bei der als Beispiel betrachteten Ausführungsform ist dieses Gas ein Luftstrom, der die negativen Ionen zu dem Bereich führt, wo sie angewandt werden sollen.In the embodiment shown as an example in the drawing is the shell of an ultraviolet photon-emitting tube with an extraordinary thin metallic layer of gold plated. This layer absorbs from that Emitter in the tube coming photons that hit one surface, and emits photoelectrons on their other or outer surface, i. H., the usable photoelectrons are emitted from the side of the layer that the Side on which the photons are absorbed is opposite. The photoelectrons are absorbed by the atoms or molecules of a gas surrounding the envelope. In the embodiment considered as an example, this gas is an air stream, which leads the negative ions to the area where they are to be applied.

In der Röhre 2 ist an ihrer Basis 4 eine Emissionseinrichtung angeordnet, die ultraviolette Photonen erzeugt. Die Röhre 2 weist eine Hülle 6 aus Quarz oder Quarzglas (95% Quarz und 5% Glas) auf. Auf der äußeren Oberfläche der Hülle 6 befindet sich eine dünne metallische Schicht 8 aus Gold. Die Schicht 8 ist durch einen Draht 10 geerdet, der durch eine Klemme 11 festgehalten wird. Die Röhre 2 befindet sich in einem Gehäuse 12, das eine jalousieartige Einlaßöffnung 14 sowie eine Auslaßöffnung 16 aufweist, aus welcher die Luft mit Hilfe eines Gebläses 20, das durch einen Elektromotor angetrieben wird, abgesaugt wird. Die Photonen treten ohne Behinderung durch die Hülle 6 hindurch und gelangen auf die innere Oberfläche der Schicht B. Dadurch wird die Schicht 8 zur Emission von Elektronen veranlaßt, die in den Bereich22 der die Hülle umgebenden Luft eintreten. In dieser Luft befindliche Staubteilchen können einige der Photoelektronen aufnehmen. Die anderen Photoelektronen werden an die Atome oder Moleküle der Luftbestandteile, z. B. dem Sauerstoff, angelagert. Das Gebläse fördert die Luft aus diesem Bereich 22 in den Bereich oder die Bereiche der Verwendung. Die Luft wirkt daher auch als Fördermittel für den Transport der negativen Ionen aus der Zone 22 bei der Röhre 2.In the tube 2 an emission device is arranged at its base 4, which generates ultraviolet photons. The tube 2 has a shell 6 made of quartz or quartz glass (95% quartz and 5% glass). On the outer surface of the sheath 6 there is a thin metallic layer 8 made of gold. The layer 8 is grounded by a wire 10 which is held in place by a clamp 11. The tube 2 is located in a housing 12 which has a louvre-like inlet opening 14 and an outlet opening 16, from which the air is sucked off with the aid of a fan 20 which is driven by an electric motor. The photons pass through the envelope 6 without hindrance and reach the inner surface of the layer B. This causes the layer 8 to emit electrons which enter the region 22 of the air surrounding the envelope. Dust particles in this air can pick up some of the photoelectrons. The other photoelectrons are attached to the atoms or molecules of the air components, e.g. B. the oxygen attached. The fan conveys the air from this area 22 into the area or areas of use. The air therefore also acts as a conveying means for the transport of the negative ions out of the zone 22 at the tube 2.

Die dünne Schicht 8 aus Metall wird auf die Röhrenhülle 6 im Vakuum aufgedampft, wodurch eine genaue Einstellung der Stärke der metallischen Schicht ermöglicht und ferner eine gleichmäßige Stärke der Schicht auf der gesamten Oberfläche der Hülle gewährleistet wird. Bei der als Beispiel gewählten Ausführungsform besteht die metallische Schicht aus Gold mit einer Stärke in der Größenordnung von 75 bis 400 Angströmeinheiten, wobei bestimmte Prüfungen erkennen lassen, daß die bevorzugte Stärke nahe bei der unteren Grenze dieses Bereichs liegt. Die Schicht 8 ist stark genug, um eine Absorption der Photonen zu ermöglichen, und dünn genug, um den Austritt der Photoelektronen zuzulassen.The thin layer 8 made of metal is vapor-deposited onto the tubular casing 6 in a vacuum, which enables the thickness of the metallic layer to be precisely adjusted and, furthermore, a uniform thickness of the layer is ensured over the entire surface of the casing. In the exemplary embodiment chosen, the metallic layer is gold on the order of 75 to 400 Angstrom units thick, certain tests indicating that the preferred thickness is close to the lower limit of this range. The layer 8 is strong enough to allow the photons to be absorbed and thin enough to allow the photoelectrons to exit.

Bei der als Beispiel gewählten Ausführungsform ist die Röhre 2 eine Niederdruck-Quecksilber-Entladungsröhre, die 9011/o ihrer Energie bei einer Wellenlänge von 2537 A emittiert. Die Röhre ist auf 3,5 Watt ausgelegt und hat eine Leistung an ultravioletten Photonen von 0,1 Watt. Wie bereits erwähnt, ist die Goldschicht 8 im Vakuum aufgedampft worden, und während des Aufbringens dieser Schicht wurde die Röhre mit konstanter Geschwindigkeit zwischen zwei Golddampfquellen gedreht. Der Erdungspunkt 10 ist mechanisch an die Schicht 8 angeklemmt.In the embodiment chosen as an example, the tube 2 is a low-pressure mercury discharge tube which emits 9011 / o of its energy at a wavelength of 2537 Å. The tube is designed for 3.5 watts and has an output of 0.1 watts for ultraviolet photons. As already mentioned, the gold layer 8 was vapor-deposited in a vacuum, and during the application of this layer the tube was rotated at constant speed between two gold vapor sources. The grounding point 10 is mechanically clamped to the layer 8.

An Stelle der in dem obigen Beispiel genannten können auch andere Metalle und andere Photonenquellen verwendet werden. Photoelektronen werden aus der Schicht nur dann emittiert, wenn die Photonen eine hierfür ausreichend hohe Energie besitzen. Im allgemeinen erzeugen bei einem gegebenen Metallüberzug nur Photonen mit einer Wellenlänge unterhalb einer bestimmten Grenze Photoelektronen. Die maximale Wellenlänge für den jeweiligen metallischen überzug kann nach der Gleichung berechnet werden. In dieser Gleichung bedeutet W die Energie in. Elektronenvolt, h die Plancksche Konstante, c die Lichtgeschwindigkeit und A"", die größte Wellenlänge des ein Photoelektron erzeugenden Photons. Im folgenden werden die Werte von W und Afx für einige Metalle wiedergegeben: 2max Gold .... . . . . . . . . . . . . . . 4,82 2552 A Caesium . . . . . . . . . . . . . . . 2,84 4331 A Quecksilber . . . . . . . . . . . . 4,53 2715 A Nickel . . . . . . . . . . . . . . . . . 5,01 2455 A Blei . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4,0 3075 A Silber . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4,73 260(l A Wolfram . . . . . . . . . . . . . . . 4,5 2733 A Wird eine LichtemissiQnsrühre mit einer dünn Metallschicht bedeckt, dann werden Photoelektronen abgegeben, wenn die folgenden Bedingungen erfüllt sind: 1. Die Wellenlänge eines Teils des emittierten Lichts ist geringer als das für den metallischen Überzug kritische Maximum.Instead of those mentioned in the example above, other metals and other photon sources can also be used. Photoelectrons are only emitted from the layer if the photons have a sufficiently high energy for this. In general, for a given metal coating, only photons with a wavelength below a certain limit will generate photoelectrons. The maximum wavelength for the respective metallic coating can be calculated from the equation be calculated. In this equation, W is the energy in. Electron volts, h is Planck's constant, c is the speed of light and A "" is the largest wavelength of the photon that generates a photoelectron. The values of W and Afx for some metals are given below: 2max Gold ..... . . . . . . . . . . . . . 4.82 2552 A Cesium. . . . . . . . . . . . . . . 2.84 4331 A Mercury. . . . . . . . . . . . 4.53 2715 A Nickel. . . . . . . . . . . . . . . . . 5.01 2455 A Lead . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.0 3075 A Silver . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.73 260 (l A. Tungsten. . . . . . . . . . . . . . . 4.5 2733 A If a light emission tube is covered with a thin layer of metal, photoelectrons are emitted if the following conditions are met: 1. The wavelength of part of the emitted light is less than the maximum critical for the metallic coating.

2. Die Photoelektronen können aus dem metallischen Überzug austreten.2. The photoelectrons can escape from the metallic coating.

3. Der Metallfilm lädt sich nicht positiv auf, wodurch das Austreten weiterer Photoelektronen verhindert würde.3. The metal film does not charge positively, which prevents leakage further photoelectrons would be prevented.

Die Bedingung 1 kann erhalten werden, indem eine geeignete Quelle des Emissionsspektrums der Lampe und ein geeigneter metallischer Überzug ausgewählt werden. In diesem Zusammenhang ist zu beachten, daß Legierungen häufig niedrigere Energiefunktionen als das reine Metall aufweisen. Normale Wolframlampen emittieren Licht bis herab zu 3000 A, Quecksilberbogenlampen emittieren Licht bis herab zu 1849 A.Condition 1 can be obtained by a suitable source of the emission spectrum of the lamp and a suitable metallic coating is selected will. In this connection it should be noted that alloys are often lower Have energy functions than the pure metal. Normal tungsten lamps emit Light down to 3000 A, mercury arc lamps emit light down to 1849 A.

Die Bedingung 2 wird bei Vorliegen eines ausreichend dünnen Metallfilms erzielt. Hier müssen zwei Faktoren aufeinander abgestimmt werden: die Wahrscheinlichkeit, daß ein Photon absorbiert wird, steigt mit der Dicke des Films, wohingegen die Wahrscheinlichkeit, daß das Photoelektron austritt, mit der Dicke des Films abnimmt. Im allgemeinen kann die optimale Stärke nicht theoretisch vorausgesagt werden, sondern ist experimentell zu bestimmen. Dies beruht darauf, daß keine genauen Energiebereichskurven für Elektronen sehr geringer Energie vorliegen.Condition 2 becomes when the metal film is sufficiently thin achieved. Two factors have to be coordinated here: the probability that a photon is absorbed increases with the thickness of the film, whereas the probability that the photoelectron emerges decreases with the thickness of the film. In general the optimal strength cannot be predicted theoretically, but is experimental to determine. This is because there are no precise energy range curves for electrons very low energy.

Die Bedingung 3 wird durch einen Erdungsdraht, der mit dem metallischen Film in Berührung steht, hergestellt.Condition 3 is through a ground wire connected to the metallic Film is in contact.

Bei der als Beispiel gewählten Ausführungsform wird auf eine einzige Röhre bezogen und der metallische Überzug hat im wesentlichen die Form einer Kugelhülle. Es können aber auch mehrere Röhren eingesetzt und in Parallel- oder Reihenschaltung betrieben werden, wobei auch Röhren anderer Arten und Formen verwendbar sind. Die Röhre ist mit Hilfsteilen versehen, z. B. einem Schalter, einem Widerstand und Draht zum Anschluß an eine Stromquelle, die der Klarheit wegen in der Zeichnung weggelassen sind.In the embodiment chosen as an example, a single Related tube and the metallic coating has essentially the shape of a spherical shell. However, several tubes can also be used and connected in parallel or in series be operated, tubes of other types and shapes can also be used. the Tube is provided with auxiliary parts, e.g. B. a switch, a resistor and wire for connection to a power source, which are omitted in the drawing for the sake of clarity are.

Claims

Claims: 1. Device for generating negative ions by Accumulation of electrons on neutral particles with an electron source, the electrons emitted into the ion formation space, and means for discharging the negative Ions, characterized in that the electron source consists of an in a shell consists of non-metallic material located photon source, the shell is provided with a metal layer on the outside, which is thick enough to hold a considerable To absorb part of the phtones emitted by the source, and thin enough to the exit of the photoelectrons in an adjacent to the outside of the metal layer Area to allow the formation of negative ions in this area.

2. Device according to claim 1, characterized in that the metal layer is earthed.

3. Device according to claim 1 or 2, characterized in that for generating and removing the negative ions air flows over the electron source. 4th Device according to claim 3, characterized in that the metal layer and the Area into which the photoelectrons from the surface of the photoelectron source are emitted, are arranged in a housing, the inlet and outlet openings owns, and that the facilities that allow air circulation in the said area maintained, consist of a fan that blows the air through the inlet den said area and the outlet promotes. 5. Device according to one or more of claims 1 to 4, characterized in that the metal layer consists of gold and a thickness of 75 to 400 angstrom units, preferably on the order of magnitude 75 Angstrom units, and that the photon source is a low pressure mercury discharge tube is. Publications considered: Nuclear Energy, 3rd year, 1960, no.8, Pp. 717 to 721; Vacuum technology, B. year, 1959, no. 8, pp. 215 to 219; Tab. The Electron Physics, Ion Physics and Super Microscopy, M. v. Ar d e n n e, 1956, vol. 1, Berlin, pp. 87 and 88.