DE1281187B

DE1281187B - Electron impact ion source with a self-excited electron emission for electrical mass filters

Info

Publication number: DE1281187B
Application number: DES67465A
Authority: DE
Inventors: Dr Rer Nat Karl-Georg Guenther
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1960-03-08
Filing date: 1960-03-08
Publication date: 1968-10-24
Also published as: CH398810A; US3287589A; NL261279A; NL130958C; GB972191A

Description

Elektronenstoß-Ionenquelle mit einer durch die Entladung selbst erregten Elektronenemission für elektrische Massenfilter Die Erfindung bezieht sich auf eine Elektronenstoß-Ionenquelle mit einer durch die Entladung selbst erregten Elektronenemission für elektrische Massenfilter, bei der Magnete und Elektroden vorgesehen sind in der Art, daß die von ihnen erzeugten Felder eine räumliche und zeitliche Fixierung des Entladungsplasmas in der Nähe des entladungsseitigen Endes des Extraktionskanals (der Ionenaustrittsöffnung) bewirken, und eine Ionenquelle nach dem Penningschen Pendelelektronenprinzip benutzt wird, wobei die magnetischen Feldlinien in Richtung des extrahierten Ionenstrahles verlaufen.Electron impact ion source with a self-excited by the discharge Electron Emission for Electrical Mass Filters The invention relates to a Electron impact ion source with an electron emission excited by the discharge itself for electrical mass filters where magnets and electrodes are provided in such that the fields they generate have a spatial and temporal fixation of the discharge plasma in the vicinity of the discharge-side end of the extraction channel (the ion exit opening), and an ion source after Penning's Pendulum electron principle is used, with the magnetic field lines in the direction of the extracted ion beam.

Unter Anwendung des Grundverfahrens nach dem deutschen Patent 944 900 sind elektrische Massenfilter entwickelt worden, die unter anderem für Gasanalyse, Isotopentrennung, Partialdruckmessung, Lecksuche in Vakuumanlagen, Trennung von Gasgemischen, Spurenanalyse und Messung von Dampfdrücken geeignet sind.Using the basic method according to German patent 944 900 electrical mass filters have been developed which, among other things, are used for gas analysis, Isotope separation, partial pressure measurement, leak detection in vacuum systems, separation of Gas mixtures, trace analysis and measurement of vapor pressures are suitable.

Es sind bereits Massenfilter mit einer Ionenquelle mit Glühkathode als Versuchsausführung gebaut worden. Eine solche lonenquelle bedingt eine gewisse Störanfälligkeit des Massenfilters und eine Beschränkung seiner Anwendung auf Drücke unterhalb von 10-4 Torr. Es wurde erkannt, daß Messungen im gesamten Gebiet des Hochvakuums (10-s bis 10-3 Torr) und auch noch in das Gebiet des Feinvakuums (10-3 bis 100) hinein durchführbar sind, wenn Ionenquellen mit selbständiger Entladung, die keine Glühkathode benötigen, verwendet werden.There are already mass filters with an ion source with a hot cathode was built as a trial version. Such an ion source requires a certain amount The mass filter is susceptible to failure and its use is restricted to pressures below 10-4 torr. It was recognized that measurements throughout the area of the High vacuum (10-s to 10-3 Torr) and also in the area of fine vacuum (10-3 up to 100) can be carried out if ion sources with independent discharge, which do not require a hot cathode can be used.

Es sind bereits Ionenquellen mit einer durch die Entladung selbst erregten Elektronenemission bekannt, bei denen Magnete und Elektroden so angeordnet sind, daß die von ihnen erzeugten Felder eine räumliche und zeitliche Fixierung des Entladungsplasmas in der Nähe des entladungsseitigen Endes des Extraktionskanals bewirken. Es handelt sich hier ausgesprochen um Ionenquellen - meist zur Produktion von Protonen und Deuteronen -, die vor allem für kernphysikalische Untersuchungen vorgesehen sind. Ihr Arbeitsbereich liegt zwischen 1.0--' und 10-4 Torr und überdeckt für den Einsatz in Massenspektrometern nur einen sehr kleinen Druckbereich. Die Druckproportionalität und Freiheit von Plasmaschwingungen ist keineswegs gegeben. Außerdem wird durch Raumladungserscheinungen keine gleichmäßige Ionisierung sämtlicher Gasanteile ermöglicht.There are already ion sources with one caused by the discharge itself excited electron emission known in which magnets and electrodes are so arranged are that the fields they generate have a spatial and temporal fixation of the discharge plasma in the vicinity of the discharge-side end of the extraction channel cause. These are definitely ion sources - mostly for production of protons and deuterons - which are mainly used for nuclear physics investigations are provided. Your working range is between 1.0-- 'and 10-4 Torr and covered only a very small pressure range for use in mass spectrometers. the Pressure proportionality and freedom from plasma oscillations are by no means given. In addition, space charge phenomena do not result in a uniform ionization of all Gas shares enabled.

Weiterhin ist eine Ionenquelle nach dem Penningschen Pendelelektronenprinzip bekannt, bei der zwei Stabkathoden vorgesehen sind, deren Durchmesser klein ist gegen die Zylinderanode und deren Achsen in Richtung der Anodenachse verlaufen. Die bei dieser lonenquelle angewandte Stabkathode dient nicht zur Stabilisierung eines Plasmas, sondern ist zur Elektronenemission gedacht. Nach dem Anlegen einer Zündspannung durch den anfänglichen Entladungsstrom wird die Kathode so hoch erhitzt, daß sie zur Elektronenemission fähig ist. Dann erst erfolgt die geplante Hauptentladung, die im wesentlichen als Quelle für einen hochintensiven Protonenstrahl dient. Außerdem liegt die dort verwendete Stabkathode nicht in einem für die Ionenextraktion kritischen Bereich, sondern ganz abseits davon. Diese bekannte Ionenquelle hat keinen Zusammenhang mit Massenspektrometern und mit der Plasmafixierung in einer zugehörigen Ionenquelle.Furthermore, an ion source is based on Penning's pendulum electron principle known, in which two rod cathodes are provided, the diameter of which is small against the cylinder anode and their axes run in the direction of the anode axis. The rod cathode used in this ion source is not used for stabilization a plasma, but is intended to emit electrons. After creating a Ignition voltage due to the initial discharge current, the cathode is heated to such an extent that that it is capable of electron emission. Only then does the planned main discharge take place, which essentially serves as a source for a high-intensity proton beam. aside from that the rod cathode used there is not in a critical location for ion extraction Area, but completely apart from it. This well-known ion source is unrelated with mass spectrometers and with the plasma fixation in an associated ion source.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Elektronenstoß-Ionenquelle mit einer durch die Entladung selbst erregten Elektronenemission für elektrische Massenfilter zu schaffen, die auch bei höheren Drücken, z. B. bis 10-2 Torr, der zu untersuchenden Gasgemische anwendbar ist und die für massenspektrometrische Zwecke notwendigen Anforderungen erfüllt: a) der Ionenstrom soll zeitlich konstant und frei von Schwankungen sein; b) es soll keine Behinderung des gewünschten Auflösungsvermögens des nachgeschalteten Spektrometerteils eintreten; c) ein eindeutiger und reproduzierbarer Zusammenhang soll zwischen Partialdruck und Ionenstrom bestehen.The invention is based on the object of an electron impact ion source with an electron emission for electrical ones excited by the discharge itself To create mass filters that work even at higher pressures, e.g. B. to 10-2 Torr, the gas mixtures to be investigated is applicable and that for mass spectrometric purposes necessary requirements are met: a) the ion current should be constant over time and be free from fluctuations; b) there should be no obstruction of the desired resolution enter the downstream spectrometer part; c) a clear and reproducible one There should be a connection between partial pressure and ion current.

Verwendet man zur Erfüllung dieser Anforderungen eine robuste und zu diesem Zweck mit einer kalten Kathode ausgerüstete Ionenquelle, so ergeben sich bei der bisherigen Bauart große Schwierigkeiten, da die hohen Brennspannungen von einigen 1000 V eine starke Energieinhomogenität der gebildeten Ionen sowie unerwünschte Entladungsschwankungen bewirken können. Zudem ist für den vorgesehenen Anwendungszweck eine Ionenquelle erwünscht, die in einem großen Druckintervall von etwa 10-s bis 10-2 Torr verwendbar ist, was mit lonenquellen bekannter Bauart nicht möglich ist.If you use a robust and an ion source equipped with a cold cathode for this purpose results with the previous design great difficulties, because the high voltage of a few 1000 V a strong energy inhomogeneity of the ions formed as well as undesirable Can cause discharge fluctuations. It is also for the intended purpose an ion source is desired that operates in a large pressure interval of about 10-s to 10-2 Torr can be used, which is not possible with ion sources of known design.

Zur Lösung der oben geschilderten Aufgabe und zur Überwindung der genannten Schwierigkeiten sind erfindungsgemäß an der Penning-Ionenquelle im Massenfilter zur Plasmafixierung eine oder mehrere nicht zur Glühemission dienende Stabkathoden vorgesehen, deren Durchmesser klein sind gegen die Zylinderanode, vorzugsweise weniger als 10% des Anodendurchmessers, und deren Achsen in Richtung der Anodenachse verlaufen.To solve the problem outlined above and to overcome the According to the invention, the difficulties mentioned are associated with the Penning ion source in the mass filter one or more rod cathodes not used for glow emission for plasma fixation provided whose diameters are small compared to the cylinder anode, preferably less than 10% of the anode diameter, and their axes run in the direction of the anode axis.

Die Stabkathoden können nahe vor dem entladungsseitigen Ende des Extraktionskanals (Ionenaustrittsöffnung) enden, bei einem axialen Abstand zwischen Stabende und Ionenaustrittsöffnung, der vorzugsweise gleich dem Stabdurchmesser ist. Außerdem kann einer zentralen Stabkathode der Extraktionskanal gegenüberstehen.The rod cathodes can be close to the discharge end of the extraction channel (Ion exit opening) end at an axial distance between rod end and ion exit opening, which is preferably equal to the rod diameter. A central rod cathode can also be used facing the extraction channel.

Außerdem kann eine Zylinderanode vorgesehen sein, für die das Verhältnis von Zylinderdurchmesser zu Zylinderhöhe in der Nähe von 1 liegt und deren Stirnkanten bis dicht (vorzugsweise mit einem Abstand von weniger als 5% des Anodendurchmessers) an die Kathodenflächen heranreichen.In addition, a cylinder anode can be provided for which the ratio from cylinder diameter to cylinder height is close to 1 and their front edges to dense (preferably with a distance of less than 5% of the anode diameter) reach up to the cathode surfaces.

Ferner kann eine positive Extraktionsspannung zwischen einer oder sämtlichen Kathodenflächen und dem Extraktionskanal angelegt sein.Furthermore, a positive extraction voltage between or all cathode surfaces and the extraction channel must be applied.

Die erfindungsgemäße lonenquelle stellt eine eigens für den Einsatz in Massenspektrometern angepaßte Penning-Ionenquelle dar und hat gegenüber den bekannten Ionenquellen erhebliche technische Vorteile; die erfindungsgemäß vorgesehene Stabkathode fixiert das Plasma vor der Austrittsöffnung und verhindert Schwingungen. Die eindeutige Druckabhängigkeit des Ionenstromes wird hierdurch in weiten Grenzen (10-s bis 10-3 Torr) gewährleistet, während Raumladungseinflüsse zurücktreten. Weiterhin werden vor der Austrittsöffnung hohe radiale und kleine longitudinale Feldstärken erzeugt. Die Ionisierungswahrscheinlichkeiten bzw. die Anzeigeströme für verschiedene Gasanteile sind untereinander vergleichbar, und außerdem ist die lonenenergie in Achsrichtung auf die erforderlichen kleinen Werte gebracht. Weiterhin kann eine feine Regulierung der Ionenenergie durchgeführt werden, durch die eine Veränderung der Empfindlichkeit der Ionenquelle ermöglicht ist.The ion source according to the invention represents a specific one for use in mass spectrometers adapted Penning ion source and has compared to the known Ion sources considerable technical advantages; the rod cathode provided according to the invention fixes the plasma in front of the outlet opening and prevents vibrations. The clear one The pressure dependence of the ion current is thereby within wide limits (10-s to 10-3 Torr), while space charge influences recede. Continue to be Generated high radial and small longitudinal field strengths in front of the outlet opening. The ionization probabilities or the display currents for different gas components are comparable with each other, and also the ion energy is in the axial direction brought to the required small values. It can also be fine-tuned the ion energy can be carried out, causing a change in sensitivity the ion source is enabled.

Die erfindungsgemäße Ionenquelle ist zudem gegen Gaseinbrüche sehr widerstandsfähig und hat daher eine große Lebensdauer, da - im Gegensatz zur Verwendung einer Glühkathode - durch einen Gaseinbruch keine wesentliche Beeinflussung der Emission der Kathode oder gar deren Zerstörung eintreten kann.The ion source according to the invention is also very effective against gas ingress resistant and therefore has a long service life, as - in contrast to use a hot cathode - a gas ingress does not significantly affect the Emission of the cathode or even its destruction can occur.

Die Zylinderanode und die Stabkathode können außer einem kreisförmigen Querschnitt auch einen rechteckigen, quadratischen, elliptischen, dreieckigen oder sonstigen Querschnitt aufweisen. Für beide Elektroden, die Stabkathode und die Zylinderanode, wird in der Regel jedoch der kreisförmige Querschnitt - unter anderem aus Symmetriegründen -vorzuziehen sein. Ist die einzelne Stabkathode oder die Zylinderanode nicht kreisförmig im Querschnitt, so beziehen sich die Angaben, die auf den Durchmesser dieser Elemente Bezug nehmen, sinngemäß auf den mittleren Durchmesser.The cylinder anode and the rod cathode can be except a circular one Cross-section also a rectangular, square, elliptical, or triangular have other cross-section. For both electrodes, the rod cathode and the cylinder anode, however, it is usually the circular cross-section - among other things for reasons of symmetry -be preferable. Is the single rod cathode or cylinder anode not circular in the cross-section, the data refer to the diameter of these elements Referring to the mean diameter accordingly.

Statt einer einzigen Stabkathode können auch mehrere, vorzugsweise gleich lange Stabkathoden in enger Verteilung um die Extraktionsöffnung herum, z. B. auf den Ecken eines Dreiecks, vorgesehen sein. Der einzuhaltende Abstand der Stabkathoden von dem entladungsseitigen Ende des Extraktionskanals wird bei mehreren gleich langen Stabkathoden bestimmt durch die Ebene, die durch die freien Enden der Stabkathoden definiert ist. Sind die Stabkathoden nicht gleich lang, so ist die längste oder es sind die längsten Stabkathoden maßgebend. Zieht man das entladungsseitige Ende des Extraktionskanals in den Entladeraum hinein, so bildet der in den Entladeraum hineinragende Teil des Extraktionskanals zugleich einen Teil oder, anders gesagt, eine Fortsetzung der Stabkathode.Instead of a single rod cathode, several, preferably rod cathodes of equal length in close distribution around the extraction opening, e.g. B. be provided on the corners of a triangle. The distance to be adhered to Rod cathodes from the discharge-side end of the extraction channel are used in several rod cathodes of equal length determined by the plane passing through the free ends the rod cathode is defined. If the rod cathodes are not of the same length, then it is the longest or the longest rod cathodes are decisive. If you pull the discharge side The end of the extraction channel into the unloading space forms the into the unloading space protruding part of the extraction channel at the same time a part or, in other words, a continuation of the rod cathode.

Aufbau und Wirkungsweise des Erfindungsgegenstandes seien an Hand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher beschrieben. Es zeigt F i g. 1 der besseren Erläuterung halber die allgemeine Bauweise der Penning-Ionenquelle in der Abwandlung, die den Ausführungsbeispielen nach F i g. 2 und 10 zugrunde gelegt ist, F i g. 2 eine Ionenquelle gemäß der Erfindung, versehen mit der neuartigen, der Plasmafixierung dienenden Stabkathode und einem zur Ionenextraktion dienenden Kathodenblech, F i g. 3 einen Querschnitt der Ionenquelle nach Fig.2. F i g. 4 und 5 Anordnungen von Stabkathoden mit und ohne zentrale Stabelektroden, F i g. 6 und 7 vom kreisrunden Querschnitt abweichende Querschnittsformen von Stabkathoden, nämlich eine quadratische und eine elliptische, F i g. 8 den Querschnitt einer Anode nach F i g. 2, F i g. 9 eine Anode mit quadratischem Querschnitt, F i g. 10 eine Abwandlung der Ionenquelle gemäß F i g. 2.The structure and mode of operation of the subject matter of the invention are illustrated described in more detail by embodiments shown in the drawing. It shows F i g. 1 shows the general design of the Penning ion source for the sake of better explanation in the modification that corresponds to the exemplary embodiments according to FIG. 2 and 10 are used as a basis is, F i g. 2 an ion source according to the invention, provided with the novel, the plasma fixation serving rod cathode and one serving for ion extraction Cathode sheet, FIG. 3 shows a cross section of the ion source according to FIG. F i g. 4 and 5 arrangements of rod cathodes with and without central rod electrodes, F i g. 6 and 7 cross-sectional shapes of rod cathodes deviating from the circular cross-section, namely one square and one elliptical, F i g. 8 shows the cross section of an anode F i g. 2, fig. 9 shows an anode with a square cross-section, FIG. 10 a modification the ion source according to FIG. 2.

In F i g. 1 bedeutet 1 einen Permanentmagnet; er ist mit dem topfförmigen Joch 3 verbunden, das die Feldlinien zurückführt. In dem Joch 3 befindet sich eine Öffnung 4 für den Austritt der Ionen. Mit 5 ist die zylindrische Anode bezeichnet, der als Kathode die Endflächen 6a, 3 a des Polschuhes 6 bzw. des Joches 3 gegenüberstehen. An die Anode 5 wird die Betriebsspannung gelegt über die Klemme 7. Diese ist über eine Zuleitung 7a, die mit Hilfe der isolierenden Durchführung 8 durch das Joch 3 hindurchgeführt ist, mit der Anode 5 elektrisch verbunden. Das Joch 3 und die mit ihm leitend verbundenen Teile werden vorzugsweise geerdet, wozu das Joch 3 mit einer Anschlußklemme 9 versehen ist. Mit 20 ist ein Isolator angegeben.In Fig. 1, 1 is a permanent magnet; it is connected to the cup-shaped yoke 3, which returns the field lines. In the yoke 3 there is an opening 4 for the ions to exit. The cylindrical anode is denoted by 5, the end faces 6a, 3a of the pole piece 6 and of the yoke 3 being opposite to the cathode. The operating voltage is applied to the anode 5 via the terminal 7. This is electrically connected to the anode 5 via a supply line 7a, which is passed through the yoke 3 with the aid of the insulating bushing 8. The yoke 3 and the parts conductively connected to it are preferably grounded, for which purpose the yoke 3 is provided with a connection terminal 9. An isolator is indicated at 20.

Die Wirkungsweise der beschriebenen Ionenquelle nach F i g. 1 ist folgende: Zur Inbetriebnahme der Ionenquelle wird zwischen die Klemmen 7 und 9 eine Spannung von etwa 1000 bis 5000 V angelegt, mit dem positiven Pol bei 7. Unter dem Einfluß des dadurch hervorgerufenen elektrischen Feldes zwischen dem Anodenzylinder 5 und den Kathodenflächen 3 a und 6a werden die vorhandenen Elektronen auf den Anodenzylinder 5 beschleunigt. Das axiale Magnetfeld (axial zum Anodenzylinder 5) verhindert jedoch, daß die Elektroneu eine nennenswerte radiale Driftgeschwindigkeit annehmen. Die Elektronen werden vielmehr zu Oszillationen veranlaßt und legen auf diese Weise große Wegstrecken zurück, so daß auch bei kleinen Gasdrücken (insbesondere unterhalb 10-3 Torr) eine ausreichende Stoßwahrscheinlichkeit zwischen Elektronen und Gasmolekülen besteht, wie sie für die Zündung und Aufrechterhaltung einer Entladung notwendig ist. Die im Zuge dieser Entladung durch Elektronenstoß gebildeten Ionen werden durch das elektrische Feld in Richtung auf die Kathodenflächen 3a und 6a beschleunigt und so gezwungen, zu einem Teil durch die Öffnung 4 - die »Extraktionsöffnung« - auszutreten.The mode of operation of the ion source described according to FIG. 1 is the following: To start up the ion source, a Voltage of about 1000 to 5000 V applied, with the positive pole at 7. Below that Influence of the resulting electric field between the anode cylinder 5 and the cathode surfaces 3 a and 6 a are the electrons present on the anode cylinder 5 accelerates. However, the axial magnetic field (axially to the anode cylinder 5) prevents that the electrons an appreciable radial drift speed accept. Rather, the electrons are caused to oscillate and hang up in this way long distances back, so that even with low gas pressures (especially below 10-3 Torr) a sufficient probability of collision between electrons and gas molecules exist as they are responsible for ignition and sustaining a discharge necessary is. The ions formed by electron impact in the course of this discharge are moved by the electric field in the direction of the cathode surfaces 3a and 6a accelerated and thus forced to partially pass through opening 4 - the "extraction opening" - to resign.

F i g. 2 zeigt eine Ionenquelle gemäß der Erfindung, versehen mit der neuartigen, der Plasmafixierung dienenden Stabkathode 12. Die Teile 1, 3, 4, 5, 6, 6a, 7, 8, 9 und 20 entsprechen den gleich bezeichneten Teilen der F i g. 1. Abweichend ist der Dauermagnet 1 unter Zwischenschaltung einer Isolierplatte 11 mit dem Joch 3 verbunden, also dem Joch 3 gegenüber elektrisch isoliert. Der Weicheisen-Polschuh 6 trägt die Stabkathode 12. Diese ist axial zur zylindrischen Anode 5 und damit auch zur Extraktionsöffnung 4 orientiert. Der Durchmesser der Stabkathode ist klein gegen die Zylinderanode 5 (kleiner als 1.0% des Durchmessers der Zylinderanode). Die Stabkathode 12 endet nahe - vorzugsweise mit einem Abstand, der dem Stabdurchmesser entspricht - vor der Ionenaustrittsöffnung. Das Kathodenblech 15 trägt in der Mitte einen nach innen gerichteten rohrförmigen Ansatz 17. Das Kathodenblech 15 wird durch Isolatoren 19 gehaltert. Das Kathodenblech 15 ist elektrisch durch die Verbindungsleitung 16 mit der Kathodenzuleitung bei Klemme 14 und damit mit der Kathode 6 verbunden. Aus der Blende 4 ragt ein Blendenrohr 18 in den Entladungsraum. Die Extraktionsspannung wird zwischen den Kathodenoberflächen 6a und 15 einerseits und dem topfförmigen Joch 3 andererseits angelegt. Mit 1.9 und 20 sind Isolationsstücke zur Befestigung des Kathodenbleches bzw. der Anode bezeichnet.F i g. 2 shows an ion source according to the invention, provided with the novel rod cathode 12 used for plasma fixation. Parts 1, 3, 4, 5, 6, 6a, 7, 8, 9 and 20 correspond to the parts of FIG. 1. Notwithstanding, the permanent magnet 1 is connected to the yoke 3 with the interposition of an insulating plate 11, that is to say electrically isolated from the yoke 3. The soft iron pole piece 6 carries the rod cathode 12. This is oriented axially to the cylindrical anode 5 and thus also to the extraction opening 4. The diameter of the rod cathode is small compared to the cylinder anode 5 (less than 1.0% of the diameter of the cylinder anode). The rod cathode 12 ends close - preferably at a distance that corresponds to the rod diameter - in front of the ion exit opening. The cathode sheet 15 carries in the center a 17 inwardly directed tubular extension the cathode plate 15 is supported by insulators 19th The cathode sheet 15 is electrically connected by the connecting line 16 to the cathode lead at terminal 14 and thus to the cathode 6. A diaphragm tube 18 protrudes from the diaphragm 4 into the discharge space. The extraction voltage is applied between the cathode surfaces 6a and 15 on the one hand and the cup-shaped yoke 3 on the other hand. With 1.9 and 20 insulation pieces for fastening the cathode plate and the anode are designated.

F i g. 3 zeigt einen Querschnitt der Ionenquelle nach F i g. 2. Dabei ist 3 wieder das topfförmige Joch, 6 die Kathode, 12 die geschnittene Stabkathode, 16 die im Schnitt dargestellte Verbindungsleitung zum Kathodenblech 15; 13 ist ein Isolator, und mit 14 ist die Klemme für die Kathodenzuleitung bezeichnet.F i g. 3 shows a cross section of the ion source according to FIG. 2. Here 3 is again the cup-shaped yoke, 6 the cathode, 12 the cut rod cathode, 16 shows the connection line shown in section to the cathode plate 15; 13 is a Insulator, and 14 is the terminal for the cathode lead.

Die F i g. 4 und 5 zeigen Anordnungen von Stabkathoden. In F i g. 4 ist eine zentrale Stabelektrode 12 von drei Stabkathoden 12' umgeben. In F i g. 5 ist eine Anordnung von Stabkathoden 12' dargestellt ohne zentrale Stabelektrode.The F i g. 4 and 5 show arrangements of rod cathodes. In Fig. 4, a central rod electrode 12 is surrounded by three rod cathodes 12 '. In Fig. 5 shows an arrangement of rod cathodes 12 'without a central rod electrode.

Die F i g. 6 und 7 zeigen vom kreisrunden Querschnitt abweichende Querschnittsformen von Stabkathoden. In F i g. 6 ist eine quadratische und in F i g. 7 eine elliptische Querschnittsform von Stabkathoden dargestellt.The F i g. 6 and 7 show cross-sections that differ from the circular cross-section Cross-sectional shapes of rod cathodes. In Fig. 6 is a square and in F i g. 7 shows an elliptical cross-sectional shape of rod cathodes.

Die F i g. 8 zeigt die Anode 5 mit einem kreisrunden Querschnitt.The F i g. 8 shows the anode 5 with a circular cross section.

Die F i g. 9 zeigt die Anode 5 mit einem quadratischen Querschnitt.The F i g. 9 shows the anode 5 with a square cross section.

In F i g. 10 ist eine Ionenquelle dargestellt, bei der die Stabkathode 12 nur etwa bis in die Mitte des Entladungsraumes ragt und bei der der nach innen gerichtete rohrförmige Ansatz 17 stark verlängert ist bei wesentlich reduziertem Innen- und Außendurchmesser. Hierdurch wird die Wirkung der Stabkathode wesentlich unterstützt.In Fig. 10 shows an ion source in which the rod cathode 12 protrudes only approximately into the middle of the discharge space and inwards in the case of the directed tubular extension 17 is greatly extended at significantly reduced Inside and outside diameter. This makes the effect of the rod cathode essential supports.

Durch die Formgebung der Zylinderanode (Verhältnis von Höhe zu Durchmesser) und durch den kleinen Abstand von Kathodenoberfläche bzw. Kathodenflächen und Anodenrand wird die hohe Anodenspannung und die damit verbundene axiale Komponente der Feldstärke von der Ionenaustrittsöffnung abgeschirmt. Auf diese Weise wird eine unzulässig hohe axiale Ionengeschwindigkeit verhindert.Due to the shape of the cylinder anode (ratio of height to diameter) and by the small distance between the cathode surface or cathode surfaces and the anode edge becomes the high anode voltage and the associated axial component of the field strength shielded from the ion exit opening. This way one becomes illegal high axial ion velocity prevented.

Durch die Anordnung einer Stabkathode und ihren kleinen Abstand von der Ionenaustrittsöffnung wird eine definierte Potentialfläche in der Nähe dieser öffnung und damit das Entladungsplasma am gleichen Ort weitgehend festgelegt. Durch die Anordnung der verhältnismäßig dünnen Stabkathode im Inneren des Anodenzylinders entsteht eine besonders hohe Feldstärke an der Stabkathode. Als Folge hiervon wird bewußt eine hohe radiale elektrische Feldstärke in Achsennähe erzeugt. Damit sind hohe Stoßenergien der ionisierenden Elektronen und eine gleichmäßige Ionisierung sämtlicher Gaskomponenten gewährleistet. Außerdem wird für eine verschwindend kleine axiale Ionenenergie in der Nähe der Ionenaustrittsöffnung gesorgt. Die Ionenaustrittsgeschwindigkeit wird damit fast ausschließlich durch die zwischen Kathodenblech und Masse (Joch) angelegte Extraktionsspannung gegeben und von der Brennspannung der Ionenquelle unabhängig gehalten.Due to the arrangement of a rod cathode and its small distance from the ion exit opening is a defined potential surface in the vicinity of this Opening and thus the discharge plasma largely set at the same place. By the arrangement of the relatively thin rod cathode inside the anode cylinder a particularly high field strength is created at the rod cathode. As a result, will deliberately generates a high radial electric field strength near the axis. So are high impact energies of the ionizing electrons and uniform ionization of all gas components guaranteed. It is also used for an infinitesimally small amount axial ion energy is provided in the vicinity of the ion exit opening. The ion exit velocity is almost exclusively due to the gap between the cathode plate and the ground (yoke) applied extraction voltage and the operating voltage of the ion source kept independent.

Claims

Claims: 1. Electron impact ion source with a through the Discharge self-excited electron emission for electrical mass filters in which Magnets and electrodes are provided in such a way that the fields they generate a spatial and temporal fixation of the discharge plasma in the vicinity of the discharge side Effect at the end of the extraction channel (the ion exit opening) and an ion source according to the Penning pendulum electron principle is used, whereby the magnetic Field lines run in the direction of the extracted ion beam, d u r c h g It does not indicate that at the Penning ion source in the mass filter for plasma fixation one or more rod cathodes (12, 12 ') not used for glow emission are provided are whose diameters are small compared to the cylinder anode (5), preferably less than 10 Klo of the anode diameter, and their axes in the direction of the anode axis get lost.

2. Ion source according to claim 1, characterized in that the rod cathodes (12, 12 ') close to the discharge end of the extraction channel (4) (ion exit opening) end, at an axial distance between the rod end and the ion outlet opening, the is preferably equal to the rod diameter.

3. Ion source according to one of the claims 1 and 2, characterized in that a central rod cathode (12) is the extraction channel (4) faces.

4. Ion source according to one of claims 1 to 3, characterized in that a cylinder anode (5) is provided for which the ratio of cylinder diameter to cylinder height is in the vicinity of 1, preferably in the range of 1 to 2.5, and their Front edges close to the cathode surfaces, preferably with a distance of less than 5% of the anode diameter. 5. Ion source according to one of claims 1 to 4, characterized in that a positive extraction voltage is applied between one or all of the cathode surfaces of the rod cathodes (12, 12 ') and the extraction channel (4). References considered: The Review of Scientific Instruments, Vol. 25 (1954), pp. 1200 to 1202; M. v. A rdenne: Tables of electron physics, ion physics and super microscopy, Berlin, 1956, p. 536; Electrical engineering and mechanical engineering, Vol. 74 (1957), H.

5, p. 98.