DE1589547A1

DE1589547A1 - Method for generating an ion beam

Info

Publication number: DE1589547A1
Application number: DE19671589547
Authority: DE
Inventors: Pater Dr Maximilian
Original assignee: Gebrueder Boehler and Co AG
Current assignee: Gebrueder Boehler and Co AG
Priority date: 1966-10-21
Filing date: 1967-10-04
Publication date: 1970-04-09
Also published as: DE1941659A1; FR2022129A6; BE705157A; GB1176257A; GB1248332A; BE737733A

Description

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Gebr. Böhler & Co. Aktiengesellschaft in.Wien Verfahren zur Erzeugung eines IonenstrahlsGebr. Böhler & Co. Aktiengesellschaft in Vienna Method for generating an ion beam

Sämtliche Geräte, welche Ionen verwerten, wie Massenspektrographen, Ionenbeschleuniger usw., arbeiten im Vakuum. Aus diesem Grund hat man bisher auch nur Ionenquellen verwenden können, die bei niedrigen Gasdrücken arbeiten und damit auch nur geringe spezifische Ionendichten erreicht. Die Ionisierung erfolgt für gewöhnlich mittels einer Gasentladung in dem zu ionisierenden Medium, wobei einerseits zur Aufrechterhaltung der Entladung ein gewisser Mindestgasdruck im Ionenerzeuger nicht unterschritten werden darf und anderseits aus den schon erwähnten Gründen der zulässige Gasdruck auch nach oben hin begrenzt ist. Eine Regelung der Ionendichte war daher nur innerhalb enger Bereiche möglieh, bei gleichzeitig geringen erzielten Ionendichten.All devices that process ions, such as mass spectrographs, ion accelerators, etc., work in a vacuum. For this reason, it has hitherto only been possible to use ion sources which operate at low gas pressures work and thus only achieved low specific ion densities. Ionization usually occurs by means of a gas discharge in the medium to be ionized, on the one hand to maintain the discharge a certain minimum gas pressure in the ion generator is not may be fallen below and on the other hand, for the reasons already mentioned, the permissible gas pressure also upwards is limited. A regulation of the ion density was therefore only possible within narrow ranges, at the same time low achieved ion densities.

Es ist bereits vorgeschlagen worden, zur Regelung der Ionendichte ein Magnetfeld mit einem axialen Gradienten zu verwenden, wobei der Feldgradient so einzustellen ist, daß einerseits eine bestimmte Anzahl von Ionen aus dem Ionenerzeuger austreten kann und andererseits eine bestimmte Gasmenge zwecks Aufreehterhaltung der Gasentladung in ihm zurückgehalten wird. Doch auch bei diesem Verfahren war es nötig, mit niedrigen Gasdrücken zu arbeiten, so daß nur relativ niedrige spezifische Ionendichten erreicht werden konnten.It has already been proposed to use a magnetic field with an axial gradient to regulate the ion density to use, the field gradient is to be adjusted so that on the one hand a certain number of ions from the Ion generator can escape and on the other hand a certain amount of gas for the purpose of Aufreehterhaltung the gas discharge in it is held back. But it was also with this procedure necessary to work with low gas pressures, so that only relatively low specific ion densities can be achieved could.

Die vorliegende Erfindung betrifft nun ein Verfahren zur Erzeugung eines Ionenstrahls, welches es erlaubt, unter Verzieht auf materielle Bauelemente hohe Druckdifferenzen zwischen Ionenerzeuger und Ionenverwerter aufrechtzuerhalten, so daß es möglich ist, primär mit hohen Gasdrücken und hohen Ionenerzeugungsraten zu arbeiten und die so erhaltenen IonenThe present invention now relates to a method to generate an ion beam, which allows high pressure differences to be created while warping on material components to be maintained between the ion generator and the ion exchanger so that it is possible, primarily with high gas pressures and high gas pressures Ion generation rates work and the ions thus obtained

0R5QSNAL INSPECTED 0098 15/10090R5QSNAL INSPECTED 0098 15/1009

- 2 - Ma ljol- 2 - Ma ljol

unmittelbar, ohne materiellen Kontakt, .in ein auf niedrigem ; Druck befindliches Gefäß überzuführen. Die Vermeidung eines materiellen Kontaktes ist notwendig, um eine Neutralisation bzw. Abwanderung der Ionen zu verhindern. Die Erfindung besteht darin, daß das zu ionisierende Medium durch mindestens eine kegelmantelförmige und im Grenzfall scheibenförmige Gasentladung geführt wird, Vielehe in einem materiell begrenzten Entladungsraum brennt, dessen Begrenzungsflächen elektrisch leitend sind. In dieser kegelmantelförmigen Gasentladung erfolgt infolge der bekannten 'Wechselwirkung zwischen geladenen Teilchen und elektromagnetischen Feldern eine Anreicherung der positiven Ionen im Zentrum des Entladungsraumes, während die Elektronen nach außen abgelenkt und durch den elektrischen Leiter abgeleitet werden. Bei diesem Verfahren wird einerseits eine im Idealfall voll- ■ ständige Ionisation und Ladungstrennung bewirkt, anderseits wirkt die kegelmantelförmige Gasentladung als eine Art elektromagnetisches Reduzierventil, v/elches es erlaubt, große Druckdifferenzen zwischen Ionenerzeuger und Ionenverwerter aufrechtzuerhalten. Seine Wirksamkeit ist se groß, daß es beispielsweise möglich ist, den Ionenerreuger bei Atmosphärendruck arbeiten zu lassen und ihn an den Ionenverwerter unmittelbar anzuschließen, ohne daß es hierdurch im Ionenverwerter zu einem unzulässigen Druckanstieg kommt. Die Möglichkeit, den Ionenerzeuger bei hohen Drücken j arbeiten zu lassen, erlaubt die Erzeugung wesentlich riche-immediately, without material contact, .in a on low level ; Transfer the pressure vessel. Avoiding one material contact is necessary to prevent neutralization or migration of the ions. The invention exists in that the medium to be ionized by at least one cone-shaped and, in the limiting case, disk-shaped Gas discharge is conducted, plural marriage in a materially limited Discharge space burns, the boundary surfaces of which are electrically conductive. In this cone-shaped Gas discharge occurs as a result of the well-known interaction between charged particles and electromagnetic fields an accumulation of positive ions in the center of the discharge space, while the electrons are deflected outwards and discharged through the electrical conductor. With this method, on the one hand, an ideally full ■ causes constant ionization and charge separation, on the other hand the cone-shaped gas discharge acts as a kind of electromagnetic reducing valve, which allows to maintain large pressure differences between the ion generator and the ion processor. Its effectiveness is se great that it is possible, for example, to let the ion generator work at atmospheric pressure and it to the To connect ion exploiters directly, without this an impermissible pressure increase occurs in the ion processor. The ability to use the ion generator at high pressures Letting j work allows the generation of much more efficient

: rer Ionendichten als bisher. Wenn bisher die optimale er— ' von ι ν: rer ion densities than before. If so far the optimal er— ' of ι ν

zielbare Ionendichte in der Größenordnung/10 Ionen pro cnr lag, so kann sie nach dem erf indungsgemaJSen VerfahrenTargetable ion density of the order of / 10 ions per cnr lay, it can be according to the method according to the invention

19 "5
auf J.10 Ionen/cm und noch weiter gesteigert werden.19 "5
can be increased to J.10 ions / cm and even further.

Eine einfache Regelbarkeit der Ionendichte ergibt sich aus der Veränderung des Gasdrucks, und der Stromstärke der Gasentladung, Vielehe bei höheren Drücken als Lichtbogen brennt, sowie durch die Wahl eines geeigneten Querschnitts des Ionenstroms. ,.A simple controllability of the ion density results from the change of the gas pressure and the current strength of the gas discharge, Many marriage burns at higher pressures than the arc, as well as by choosing a suitable cross-section of the ion current. ,.

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- . .. - - -. .. ■ - 5 -■ ■ ;- Ma ljol-. .. - - -. .. ■ - 5 - ■ ■; - Ma ljol

Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß die kegelmantelfö'rmige Gasentladung infolge ihrer ablenkenden Wirkung bereits zu einer gewissen Massentrennung führtί was bei der Verwendung der Ionen in einem Massenspektrographen, etwa bei der Erzeugung von Up-^c aus Uranhexafluoride von Bedeutung sein kann.Another advantage of the invention is that the conical gas discharge due to its deflecting effect already leads to a certain mass separation what happens when the ions are used in a mass spectrograph, for example in the production of Up- ^ c from uranium hexafluoride can be of importance.

Eine Vorrichtung zur Durchführung/des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht etwa in einem auf positivem Potential befindlichen Rohr aus leitendem Material 1,, in welches eine stabförmige negative !Elektrode 2 hereinragt. Zwischen dem Rohr 1 und der stabförmigen Elektrode 2 befindet sich ein Isolierkörper J5· Das zu ionisierende Medium wird mit regulierbarem Druck mittels mindestens eines Zuleitungsrohres 4 dem Ringspalt 5 zwischen dem Rohr 1 und der Elektrode 2 zugeführt. Die kegelmantelförmige GaiSent-, ladung 6 wird zwische.n dem Ende der Elektrode 2 und dem Rohr 1, Vielehe unter Zwischenschaltung eines Stromstärkereglers an eine Gleich- oder Viechseistromquelle angeschlossen sind/ aufrechterhalten. Das Elektrodenmaterial besteht vorzugsweise aus thoriertem Wolfram. Gegenüber der Austrittsöffnung, des Rohres 1 ist gegebenenfalls eine negativ geladene Gegenelektrode angeordnet, durch welche die positiven Ladungsträger abgesaugt werden können. A device for carrying out / the invention The method consists, for example, in a pipe made of conductive material 1 ,, in. At positive potential which protrudes a rod-shaped negative electrode 2. Located between the tube 1 and the rod-shaped electrode 2 an insulating body J5 · The medium to be ionized is with adjustable pressure by means of at least one feed pipe 4 the annular gap 5 between the pipe 1 and the electrode 2 is supplied. The cone-shaped GaiSent, Charge 6 is between the end of the electrode 2 and the Tube 1, polygamy with the interposition of an amperage regulator connected to a direct or animal current source are / maintained. The electrode material consists preferably made of thoriated tungsten. Compared to the outlet opening of the pipe 1, there may be a negative one arranged charged counter electrode, through which the positive charge carriers can be sucked off.

Es ist auch möglich, das Rohr 1 aus isolierendem Material herzustellen und in seine Innenwand eine rohrfcrmige Elektrode, vorzugsweise aus thoriertem Wolfram, etwa im Bereich des Endes der stabförmigen Elektrode 2, so einzusetzen, daß seine Innenwand mit der Innenwand des Rohres 1 fluchtet. ·It is also possible to manufacture the tube 1 from insulating material and to insert a tubular electrode , preferably made of thoriated tungsten, into its inner wall, approximately in the region of the end of the rod-shaped electrode 2, so that its inner wall is flush with the inner wall of the tube 1. ·

Die Zahl der erzeugten Ionen ist im allgemeinen umso größer, je größer der Gasdruck, der Ringspalt und die'Stromstärke der Gasentladung ist. Die erzielbare Druckdifferenz zwischen dem lonenerzeuger und dem lonenverwerter ist bei vorgegebenem Druck umso größer, je kleiner der Ringspalt und je größer-.die Stromstärke der Gasentladung-" ist. Das erfindungsgemäße Verfahren bietet somit erstmals die Möglichkeit, hohe spezifische Ionendichten zu erzeugen und zugleich die Druckdifferenz zwischen dem Ionenerzeuger¹ und den -Ionen- " vervrerter *auf einfache "Weise zu regeln.The number of ions generated is generally greater, the greater the gas pressure, the annular gap and the current strength of the gas discharge. At a given pressure, the achievable pressure difference between the ion generator and the ion utilizer is greater, the smaller the annular gap and the greater - the current strength of the gas discharge. " Pressure difference between the ion generator ¹ and the -Ionen- "vervrerter * in a simple" way to regulate.

fl f) G f.fl f) G f.

Claims

i IJoI patent claims:

1. A method for producing an ion beam, thereby characterized that the to be ionized Medium is passed through at least one cone-shaped, in the borderline case, disk-shaped gas discharge, which burns in a materially limited discharge space, the boundary surfaces of which are electrically conductive, whereby a positive ion cloud. arises from which in per se known Alternatively, the positive charge carriers are extracted and accelerated by means of a negatively charged auxiliary electrode v / can ground.

2. The method according to claim 1, characterized in that that the specific ion density in the beam and the pressure gradient between the ion generator and the ion processor Varying the three influencing factors

a) Cross section of the ion beam

b) Amperage of the gas discharge

c) the pressure of the medium to be ionized is regulated. ■ '.

3. Device for performing the method according to claims 1 and 2, characterized by a tubular .positive electrode (l) and one electrically insulated Rod-shaped negative electrode (2) protruding into it, which preferably consists of thoriated tungsten, at least a supply pipe (4) for the au ionizing medium and means for regulating the. current strength of the Gas discharge burning between the two electrodes and the pressure of the medium to be ionized.

Gebr.BÖhler & -C o Aktiengesellschaft Patentl

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