DE2003715A1

DE2003715A1 - Ionenstrahlquelle

Info

Publication number: DE2003715A1
Application number: DE19702003715
Authority: DE
Inventors: Freeman James Harry
Original assignee: UK Atomic Energy Authority
Current assignee: UK Atomic Energy Authority
Priority date: 1969-02-05
Filing date: 1970-01-28
Publication date: 1970-09-03
Also published as: NL7001398A; FR2033958A5; NL7001397A; US3705320A; GB1280011A; DE2003970A1; NL172286C; FR2033957A5; GB1280012A; DE2003715B2

Description

PATENTANWÄLTE Telefon: (0271) 32409 DIPL-ING. ERICH SCHUBERT Telegramm-Adr.: Patschub, Siegen DIPL-ING. DIPL-W.-ING. G. ZWIRNER

59 Sieg.n, Postfach 325 Bankkonten:

Eiserner Straße 227 Deutsche Bank AG.,

Filialen Siegen u. Oberhauten (RhId.)

70 016 Kü/Schm 27. Januar 1970

United K-ingdom Atomic Energy Authority, 11, Charles II Street, London, S.W.1, England

Für diese Anmeldung wird die Priorität aus der britischen Patentanmeldung Nr. 6289/69 vom 5. Febr. 1969 beansprucht.

Ionenstrahlquelle

Background der Erfindung

Die Erfindung bezieht sich auf Ionenstrahlquellen, beispielweise für Separatoren.

Bei Ionenstrahl-Separatoren wird ein Strahl, welcher Ionen einer Vielzahl von Isotopen enthält, durch ein starkes Magnetfeld hindurchgeschickt, welches sich im wesentlichen senkrecht zum Ionenstrahlweg erstreckt. Das Magnetfeld lenkt die Ionen in einen gekrümmten Weg ab, wobei die Stärke bzw. das Ausmaß der Ablenkung u.a. von der Masse der Ionen abhängig ist. Auf diese Weise können Ionen unterschiedlicher Isotopen in divergierende Strahlen separiert bzw. getrennt oder aufgespalten werden, und durch entsprechende geometrische Anordnung der Teile des Separators können Ionen eines

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ausgewählten Isotops in Richtung auf ein ausgewähltes Target hin fokussiert werden.

Zusammenfassung der Erfindung

Durch die Erfindung wird eine Ionenstrahlquelle, beispielsweise für einen Separator, geschaffen, die ein * evakuierbares Gehäuse, Einrichtungen zum Erzeugen von Ionen im Gehäuse und zum Ausschicken der Ionen in einem Strahl aus dem Gehäuse heraus aufweist, welches vakuumdicht an einem umschlossenen Strahl-Durchgangsweg von beispielsweise einem Separator befestigbar ist, und zwar derart, daß eine begrenzte Bewegung des Gehäuses zum Einstellen der relativen Neigung des ausgesandten Ionenstrahls zum Durchgangsweg möglich ist.

Vorzugsweise wird das Gehäuse gezwungen, bei Bewegung einer Schwenkbewegung um einen Punkt zu folgen, der mit dem Ursprung oder dem scheinbaren Ursprung des Ionenstrahls zusammenfällt.
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Gewöhnlich tritt der Ionenstrahl aus einem Extraktionsschlitz aus, und es ist wichtig, daß die Einstellbewegung des Gehäuses nicht zu einer Seitwärtsbewegung des Extraktionsschlitzes führt. In diesem Falle wird der gedachte Schwenkpunkt des Gehäuses so gelegt, daß er mit dem Extraktionsschlitz zusammenfällt.

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Vorzugsweise wird das Gehäuse am Strahl-Durchgangsweg über einen Vakuumbalg befestigt. Zweckmäßig wird durch kugelförmig bearbeitete,relativ zueinander verschiebbare Flächen die Zwangsbewegung bei der Einstellbewegung des Gehäuses bewerkstelligt. Alternativ kann das Gehäuse auch an Kardanbügeln aufgehängt werden, um die erforderliche begrenzte Bewegung zu ermöglichen.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Die Erfindung wird nunmehr anhand der sie beispielsweise wiedergebenden Zeichnung beschrieben, und zwar zeigt

Fig. 1 eine schematische perspektivische Ansicht eine^ elektromagnetischen Separators, mit welchem die Ionenstrahlquelle verbunden ist,

Fig. 2 eine schematische Draufsicht auf den elektromagnetischen Separator,

Fig. 3 eine schematische Darstellung der Ionenquelle zur Veranschaulichung der Art und Weise, in welcher sie am elektromagnetischen Separator angebracht wird,

Fig. 4 eine schematische Schnittansicht eines Teils der Ionenquelle zur Veranschaulichung des Prinzips ihrer Betriebsweise, während

Fig. 5 eine schematische perspektivische Ansicht

eines Teils der Ionenquelle, teilweise weggebrochen, wiedergibt.

Bei diesem Ausführungsbeispiel liefert eine Ionenstrahl! quelle 11 einen Ionenstrahl 12 für einen elektromagnetischen Separator, der in den Fig. 1 und 2 dargestellt ist.

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Beschreibung_der bevorzugten Ausführungsforra

Der Separator, der in der zugehörigen Anmeldung

P (Anwaltsakte 70 C15) beschrieben ist, weist

einen Strahl-Durchgangsweg auf, der bei H und 15 mit einem Vakuum-Pumpsystem und über Vakuum-Trennventile 16, 17 jeweils mit der Ionenquelle 11 und einem nicht dargestellten Target bei 18 verbunden ist. Ein Magnetfeld zum Abbiegen des Ionenstrahls wird durch einen großen Elektromagneten 19 geliefert, welcher Polstücke 21 aufweist, die auf jeder Seite des Durchgangsweges 13 angeordnet sind.

Die bei 22 angedeutete Einrichtung zum Einstellen der Lage des Elektromagneten 19 relativ zum Durchgangsweg 13 und das Vorsehen von einstellbaren Polkanten in den Polstücken 21 sind in der vorerwähnten Anmeldung P (Anwaltsakte 70 015) beschrieben.

Die Ionenstrahlquelle 11 weist einen äußeren zylinderwandigen Behälter 23 und einen inneren zylinderwandigen Behälter 24 auf. Die Lichtbogenkammer 25 und zugeordnete Teile für die Erzeugung des lonenstrahls werden am Innenbehälter und innerhalb desselben gehalten. Der Außenbehälter 23 ist mit einer vakuumdichten Abdichtung am Ionenstrahl-Durchgangsweg 13 befestigt.

Wie am besten aus Fig. 3 ersichtlich, ist der Innenbehälter 24 am Außenbehälter 23 über einen Vakuumbalg 26 befestigt. Diese Anordnung erlaubt eine gewisse Bewegung der gesamten Ionenquelle relativ zum Ionenstrahl-Durchgangsweg 13, so daß eine Einstellung der Neigung des ausgesandten Strahls zum Durchgangsweg 13 bewirkt werden kann.

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diese Einstellung vorgenommen wird, ist es wesentlich, daß keine Seitwärtsbewegung des Extraktionsschlitzes erfolgt. Dies wird durch Vorsehen einer kugelig bearbeiteten Oberfläche am äußeren Behälter 23 erzielt, wobei diese Fläche bei 28 und 29 in Fig. 3 angedeutet ist, sowie durch eine damit zusammenwirkende kugelig bearbeitete Oberfläche, die bei 31 und 32 angedeutet ist und sich an einem Rand befindet, der vom Innenbehälter 24 vorsteht.

Die Krümmungsmittelpunkte der kugelig gekrümmten Oberflächen sind so angeordnet, daß sie mit dem Extraktionsschlitz 27 zusammenfallen, so daß beim Bewegen des Innenbehälters 27 die Oberfläche 31, 32 über die Oberfläche 28, gleitet und die Bewegung in eine Schwenkbewegung um einen gedachten Schwenkpunkt im Kriimmungsmittelpunkt zwingt.

Die Teile der Ionenquelle, die sich innerhalb des Innenbehälters 24 befinden, sind in weiteren Einzelheiten in den Fign. 4 und 5 dargestellt, i'ig. 4 veranschaulicht die wesentlichen Komponenten bzw. Einzelteile für die Beschreibung des Prinzips der Betriebsweise, und Fig. 5 veranschaulicht den konstruktiven Aufbau der Einzelteile.

Wie am besten aus Fig. 4 zu entnehmen ist, arbeitet die Ionenquelle auf dem Prinzip, welches in der britischen Patentschrift 916 703 beschrieben ist. Das Material, welches man zu ionisieren wünscht, wird in die Lichtbogenkammer 25 als Gas eingeführt. Zu diesem Zweck kann es notwendig sein, das Ausgangsmaterial zu erhitzen, und dazu ist ein Ofen hinter der Lichtbogenkammer 25 vorgesehen.

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Ein Glühfaden 34 erstreckt sich hinter dem Extraktionsschlitz 27 und über die Länge desselben hinweg. Im Betrieb wird der Glühfaden elektrisch beheizt und auf einem negativen Potential relativ zur Wandung der Lichtbogenkammer gehalten. Der Glühfaden 34 sendet thermionisch Elektronen aus, und das Gas in der Lichtbogenkammer wird durch diese Elektronen, da sie sich bewegen, ionisiert, und zwar unter dem Einfluß des Eigenmagnetfeldes,welches durch den durch den Glühfaden hindurchfließenden Strom erzeugt wird, und eines separat angelegten Magnetfeldes in der Richtung, die durch den Pfeil A (Fig. 4) vcm Glühfaden 34 zur Wandung der Lichtbogenkammer angedeutet ist. Der Ionenstrahl wird aus dem Sxtraktionsschlitz durch eine nicht dargestellte Extraktionselektrode abgezogen.

Das durch den Pfeil A angedeutete Magnetfeld wird durch einen bei 35 in Fig. 1 angedeuteten Elektromagneten erzeugt.

Der prinzipielle Zweck dieses Magnetfeldes besteht darin, die Strecke zu vergrößern, welche die Elektronen auf dem spiralig verlaufenden Weg, welchem sie vom Glühfaden 34 in Richtung auf die Lich,tbogenkammerwandung folgen, zunickten.

Die Ionenquelle dieses Ausführungsbeispiels hat die Eigenschaft, den austretenden Ionenstrahl so zu formen, daß der Strahl von einer Scheinquelle aus zu divergieren scheint, die eine Breite hat, welche bedeutend Meiner als diejenige des tatsächlichen Extraktionsschlitzes ist. Dies bringt eine entsprechende Verbesserung des Auflösungsvermögens des Separators mit sich.

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Zusätzlich, zu den in Fig. 4 dargestellten Einzelteilen, zeigt Fig. 5 außerdem Wärmeabschirraungen 36, welche die Lichtbogenkammer umgeben, eine Koronaabschirmung 37,
welche die ganze Ionenquelle umgibt, ferner die verschiedenen elektrischen Eingangsadern 38, 39, 40, 41 mit ihrer Isolation 42 sowie eine Rohrleitung 43 zum Einführen eines gasförmigen Materials direkt in die Lichtbogenkammer 25.

Die Erfindung ist nicht auf die Einzelheiten des
vorbeschriebenen Ausführungsbeispiels beschränkt j sie betrifft auch Abänderungen der im beiliegenden Patentanspruch umrisSenen Ausführungsform und bezieht sich vor allem auch auf sämtliche Erfindungsmerkmale, die im einzelnen — oder in Kombination — in der gesamten Beschreibung und Zeichnung offenbart sind.

Patentansprüche

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Claims

70 016 Kü/Schm 27. Januar 1970

Patentansprüche

ii/ Ionenstrahlquelle mit einem Gehäuse, welches evakuierbar und in vakuumdichter Verbindung an einem umschlossenen Strahl-Durchgangsweg befestigbar ist, ferner mit Einrichtungen zum Erzeugen von Ionen im Gehäuse und zum Aussenden der Ionen in einem Strahl aus dem Gehäuse heraus in den Durchgangsweg hinein, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (24) so befestigt ist, daß es eine begrenzte Bewegung relativ zum Durchgangsweg (13) auszuführen vermag.
2. Ionenstrahlquelle nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (28, 29, 31, 32) für das zwangsläufige Bewegen des Gehäuses (24), derart, daß es einer Schwenkbewegung um einen Punkt folgt, welcher mit dem Ursprung oder scheinbaren Ursprung des lonenstrahls (12) zusammenfällt .
3. Ionenstrahlquelle nach Anspruch 2, bei welcher der Ionenstrahl aus einem Extraktionsschlitz austritt, dadurch gekennzeichnet, daß der gedachte Schwenkpunkt des Gehäuses (24) mit dem Extraktionsschlitz (27) zusammenfällt.
4. Ionenstrahlquelle nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (24) am Strahl-Durchgangs- ' weg (13) über einen Vakuumbalg (26) befestigt ist.

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