DE2018507A1 - Ionenquelle - Google Patents

Description

PHB.31961 Va/TdV

Dr. -Ing. Hans-Dietridi ZeIIer O Π 1 Q C Ω *7

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Anmelder: ^ γ philips'

ΡΗΒ-31·961

Anmeldung vomi 14. April 1970

"Ionenquelle"·

Die Erfindung bezieht sich auf eine Ionenquelle »it einer Ionisationskammer, in welche Kammer Elektronen ohne Anwendung eines die Elektronen beeinflussenden Magnetfeldes injiziert werden %xxm Ionisieren eines Gases, wShrend ferner eine Beschleunigungselektrode vorgesehen ist, wobei diese Ionisationskammer gitterfSrmige elektrisch leitende wandteile und einen für Ionen undurchdringlichen elektrisch leitenden Wandteil Bit einer IonenaustrittsSffnung aufweist·

Eine derartige Ionenquelle ist aus des Artikel "La sen-

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»ibilittf de la j äuge k collecteur each««" in "Le Vide", Juli-August 1968, S. 240 - 244, bekannt. Die in die·en Artikel beschriebene Vorrichtung ist eine Ionenquelle, die als Ionisationsmanometer verwendet wird. Bei Anwendung der beschriebenen Torrichtung als Ionisationsaanometer oder als Ionenquelle 1st ein möglichst grosser Ionenetro« erforderlich. Bei Anwendung als Ionenquelle ist ausβerden noch eine geringe Energiestreuung der Ionen in dem gebildeten Bündel erforderlich.

Sie Wirkungsweise einer derartigen Ionenquelle ist folgende. Mit Hilfe z.B. eines Heizfadens werden Elektronen In die Ionisationskammer injiziert, welcher Heizfaden aueserhalb der Ionisationskammer angeordnet ist und in bezug auf diene Kammer eine negative Spannung hat. Die vom Heisfaden emittierten Elektronen werden von elektrischen Feld zwischen dem Heisfaden und der Ionisationskammer in Richtung auf die Ionisationskammer beschleunigt und passieren die gitterfbxmigen Wandteile derselben. Die in der Ionisationskammer gebildeten Ionen werden von dem elektrischen PeId zwischen der Wand der Ionisationskammer und der Beschleunigungeelektrode in Richtung auf die Beschleunigungselektrode beschleunigt, die ausserhalb der Ionisationskammer vor der IonenaustrittsSffnung angeordnet ist und in bezug _auf die Ionisationskammer eine negative Spannung aufweist· Da· Potentialfeld zwischen der Beschleunigungselektrode und der Wand der Ionisationskammer hat innerhalb der Ionisationskammer der bekannten Ionenquelle einen derart grossen Gradienten, dass Ionen, die an verschiedenen Stellen in der Ionisationskammer gebildet werden, auf ihre» Wege zu der Beschleunigungselektrode verschieden« Spannungsunterschiede durchlaufen, wodurch' eine grosse Energiestreuung im Ionenbündel erhalten wird»

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DIe Erfindung hat den Zweck, eine Ionenquelle zu schaffen, in der eine grosse Ionen*troasttrke alt einer kleinen Energiestreuung einher geht·

Eine Ionenquelle alt einer Ionisationskaaaer, in welche Kammer Elektronen ohne Anwendung eines die Elektronen beeinflussenden Hagnetfeldes injiziert werden sub Ionisieren eines Gases, wShrend ferner eine Beschleunigungselektrode Yorgesehen ist, wobei diese Ionisationskammer gitterfBraige elektrisch leitende Wandteile und einen für Ionen undurchdringlichen elektrisch leitenden Wandteil ait einer Ionenaustritt e5ffnung aufweist, ist nach der Erfindung alt einer gitterfSritigen die IonenaustrittsSffnung abdeckenden Extraktionselektrode versehen, die in einea Abstand von einigen Zehnteln eines Milllaeters von dea Wandteil alt der lonensustrittsSffnung liegt und bei« Betrieb der Ionenquelle eine negative Spannung von höchstens 3 T in bezug auf diesen Wandteil aufweist·

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass in der Ionisationskammer von den in diese Kammer injizierten Elektronen und den durch Ionisation gebildeten Ionen eine Baualaduntf erzeugt wird. Die Gesaatraumladung 1st durch das üeberaass an injizierten Elektronen negativ. Wenn die Extraktionselektrode das gleiche Potential wie die Winde der Ionisationskammer aufweist, hat die Raualadung in der Ionisation8kaaaer ein Potentialfeld wovon das Potential an jedea Punkt niedriger als an den Winden der Ionisationskaaaer ist und ein Punkt etwa in der Mitte der Ionisationskammer ein Mindestpotential von z.B. - 2$ Y aufweist. Dadurch 1st an jedes Punkt in der Ionisationskammer die Feldetlrke auf einen etwa in der Mitte liegenden Punkt gerichtet, wodurch auf die positiven Ionen stets eine auf diesen Punkt gerichtete Kraft ausgeübt wird· Die Ionen sind also in einer Potentialsenke ge-

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fangen und können nur Punkte dieser Senke erreichen, deren Potential nicht höher als dae Potential des Punktes ist, an dem sie gebildet sind. Nach der Erfindung wird eine gitterförmige Extraktionselektrode unmittelbar vor der IonenauetritteSffnung in der Wand der Ionisationskammer angeordnet und weist eine Spannung von s.B. - 1 V auf* Dies hat su? Folge, dass an der Stelle der Ionenaustrittsöffnung das Potentialfeld cLas Potential der Extraktionselektrode hat. Dadurch ist an der Stelle der Ionenaustrittsöffnung die Höhe des Randes der Potentialsenke statt 2£ V nun 1& V geworden. Infolgedessen können alle Ionen, die an einen Punkt der Ionisationskammer gebildet sind, dessen Potential «wischen -1 V und O V liegte durch die gitterfBrmige Extraktionselektrode die Ionisationskammer verlassen. Bas austretende Ionenbündel hat also eine Energiestreuung von höchstens 1 V· In der Praxis ist die Energiestreuung in der Richtung des Bündele noch etwas kleiner, weil die Richtung, in der die Ionen austreten, im allgemeinen nicht mit der Richtung EusammenfXllt, in der das Bündel von der Beschleunigungselektrode beschleunigt wird· Sin Teil der Energiestreuung beeinflusst also nur die seitlichen Ionengeschwindigkeiten. Wenn die Extraktionselektrode negativer gemacht wird, kann ein grösserer Teil der in der Ionisationskammer gebildeten Ionen extrahiert werden· Venn die Sxtraktionselektrode negativer gemacht wiird, kann «in grösserer Teil der In der Ionisationskammer gebildeten Ionen extrahiert werden· Wenn die Extraktioneelektrode negativer als die Tiefe der Potentialsenke bei einer Extraktionselektrodenspannung von O 7 gemacht wird, werden grundsKtzlich alle gebildeten Ionen extrahiert.. Die auf diese Weise vergrößerte Ionenauebeute geht selbstverständlich mit einer grösseren Energiestreuung im Bündel «inhere

Eine Ionenquelle nach der Erfindung kann vorteilhaft

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derart auegebildet werden, dass die gitterfSrmigen Wandteile der Ionisationskammer von einer Reflektorelektrode umgeben werden· Wenn diese Heflektorelektrode eine geringe positive Spannung von z.B. 1 V in bezug auf die Wand der Ionisationskammer aufweist, werden Ionen« die durch die Haschen der gitterfSrmigen Wandteile entweichen könnten, reflektiert· Bei Anwendung einer Reflektorelektrode sind somit grSssere Maschen der gitterförmigen Wandteile der Ionisationskammer zulässig.

Eine günstige Bauart der Ionenquelle nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass sich zwischen der Extraktionselektrode und der Beschleunigungselektrode ein Schirmgitter befindet. Durch dieses Schirmgitter wird verhindert, dass das elektrische Feld der Beschleunigungselektrode durch die Maschen der Extraktionselektrode hindurchdringen kann, wodurch die Energiestreuung beeinträchtigt werden würde.

Einige Ausführungsformen der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden nSher beschrieben· Ee zeigern

Fig· 1 einen Längsschnitt durch eine Ionenquelle nach der Erfindung»

Fig. 2 eine schematische Anordnung der Elektrode einer Ionenquelle nach der Erfindung, wobei zwischen der Extrakt!onselektrode und der Beschleunigungselektrode ein Schirmgitter angebracht ist,

Fig* 5 eine graphische Darstellung des Ionenstromes als Funktion der Spannung der Extraktioneelektrode,

Fig, 4 einen achematischen Längsschnitt durch eine Ionenquelle naoh der Erfindung mit einer alternativen Anordnung des Heizfaden· ,

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Fig.5 einen schematisehen Längsschnitt durch eine Ionenquelle nach der Erfindung mit einer Auftreffplatte für Elektronenbeschuss und

Fig.6 einen Längsschnitt durch eine Ionenquelle nach der Erfindung mit einer Gitterstuktur, die eine ausgezeichnete Abschirmung der Ionisationskammer sichert.

In Fig.1 befindet sich in einer Umhüllung 20 eine Ionisationskammer 1, die durch ein schraubenlinienförmig auf Stützdrähte 15 aufgewickeltes Gitter 2, ein Gitter 3 und eine mit einer Ionenaus trittsöffnung 5 versehene Platte k gebildet wird. Die Gitter 2 und 3 und die Platte k sind elektrisch leitend miteinander verbunden. Eine zylindrische metallene Reflektorelektrode 6 umgibt das Gitter 2 und ist an einem Ende mit einem Gitter 7 versehen, das leitend mit der Elektrode 6 verbunden ist. Zwischen einem Gitter 9 und dem Gitter 7 befindet sich ein elektronenemittierender Heizfaden 8. Ein feinmaschiges Gitter 10, das mit einer Extraktionselektrode 11 verbunden ist, ist !unmittelbar vor der Ionenaustrittsöffnung 5 angeordnet.

Eine Beschleunigungselektrode 12 mit einem gitter 13 beschleunigt die durch das Gitter 1O austredenden Ionen. Die Elektroden werden von drei Glasstäben 14 abgestützt, von denen in der Zeichnung nur zwei dargestellt sind. Die Umhüllung 20 wird über einen Auslass 21 evakuiert; das zu ionisierende Gas wird in die Ionisationskammer 1 über einen Einlass 22 und eine Öffnung .?3 in der Reflektorelektrode 6 eingelassen. Das Gas kann auch generell in der Umhüllung 20 vorhanden sein und über allerhand Offnungen im Elektrodensystem in die Ionisationskammer gelangen. Die Stäbe ik sind ah einer Endplatte Zk befestigt, die lösbar mit der Umhüllung 20 ver bunden ist und auch Anschlüsse 25 für die Elektroden enthält.

Der Heizfaden 8 hat beim Betrieb der Jonenquelle eine nega-

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tive Spannung von z.B. 50 bis 150 V in bezug auf die Ionisationskammer 1 und emittiert Elektronen. Die Elektronen werden über das Gitter 3 in die Kammer 1 mit einer genügenden Energie zum Ionisieren von Gasmolektihlen injiziert. Das Gitter 9 liegt in bezug auf den Heizfaden 8 an einem negativen Potential und richtet das Bündel emittierter Elektronen auf die Kammer 1.

Das Gitter 10 der Extraktionselektrode 11 liegt an einem kleinen negativen Potential von z.B. 1 V in bezug auf die Wand der Kammer 1 und extrahiert Ionen aus dieser Kammer. Die austretenden Ionen werden von der Beschleunigungselektrode 12 beschleunigt, die ein Potential von z.B. -50 V bis -5 kV in bezug auf die Kammer 1 aufweist, welche Ionen dann das Gitter 13 dieser Beschleunigungselektrode als ein nahezu paralleles Bündel passieren.

Fig.2 zeigt schematisch, wie ein Schirmgitter 30 zwischen dem Gitter 10 der Extraktionselektrode und dem Gitter 13 der Beschleunigungselektrode angebracht werden kann. Das starke Beschleunigungsfeld steht dann zwischen den Gittern 13 und 30 und dringt nahezu nicht durch die Maschen des Gitters 10 in die Kammer 1 ein. Die Spannung des Schirmgitters 30 ist z.B. -50 V bis -100 V in bezug auf die Kammer 1, in Abhängigkeit von der Spannung am Gitter 13. '..'..

Aus der graphischen Darstellung nach Fig.3 geht hervor, dass der Ionenstrom i bei kleinen Extraktionselektrodenspannungen in bezug auf die Wand der Kammer 1 schnell mit der Spannung zunimmt. Für grössere Spannungen tritt eine Sättigung auf. Der Punkt A ist als ein geeigneter Einstellpunkt für einen genügenden Ionenstrom bei einer genügend niedrigen Spannung und also einer kleinen Energiestreuung angegeben.

Fig.k zeigt schematisch eine alternative Anordnung für den Heizfaden. Der Heizfaden besteht bei der dargestellten Bauart

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aus zwei Teilen 31 und 32, die beiderseits der Kammer 1 angebracht sind. Die Reflektorelektrode soll in diesem Falle gleichfalls git*· terförmig gestaltet sein und dieses Gitter ist mit 36 bezeichnet. Ein Gitter 39 liegt an einem negativen Potential in bezug auf die Heizfäden 31 und 32 und richtet die emittierten Elektronen auf die Kammer 1.

Fig.5 zeigt schematisch eine Anordnung zum Elektronenbeschuss einer Auftreffplatte ko.

Fig.6 zeigt eine Ionisationskammer mit einer alternativen Anordnung des bereits in Fig.k gezeigten Heizfadens. In dieser Ionenquelle wird die Eindringung des Elektronenbeschleunigungs- und -Reflexionsfeldes in den Ionisationsraum dadurch herabgesetzt _r dass für die durchlässigen Wände 52 und 53 der Ionisationskammer 51 feinmaschiges elektrisch leitendes Material mit günstigen Abschirmungseingenschaften verwendet wird. Die Gaze wird aus einem Metall aufgebaut, das sich leicht entgasen lässt und eine gewebte

Struktur aufweisen kann. Bei einer Ausführungsform wurde eine gewebte Wolframdrahtgaze mit nahezu 60 Offnungen pro cm und mit einer Elektronendurchlässigkeit von nahezu 90$ verwendet. Die Gaze wird an den Rändern der Wände 52 und 53 und erforderlichenfalls dazwischen von einem Drahtrahmen 65 und vom Aussenrand der gelochten Platte 54 abgestützt. Elektronenemittierende haarnadelförmige Heizfäden 68, 78, die mit respektiven Abstützungen 79 versehen sind, liegen ausserhalb der Ionisationskammer 51 zu beiden Seiten derselben und sind unabhängig voneinander mit respektiven Anschlüssen 85 verbunden, die vakuumdicht durch den Befestigungsund Abstützungsflansch 86 hindurchgeftihrt sind. Es ist vorteilhaft, wenn während der Entgasung die beiden Heizfäden 68, 78 zur Er- · hitzung der Metallteile des Apparats durch Elektronenbeschuss

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verwendet werden, aber im allgemeinen wird nur ein einziger Heizfaden, z.B. 68, beim Betrieb der Ionenquelle benutzt. Ein leitender Schirm 59t von dem wenigstens ein Teil 80 aus einer leitenden Gaze bestehen kann, um einen freien Durchgang von ''Gasmolekülen in dem Apparat zu ermöglichen, ist angebracht und beim Betrieb etwas negativ in bezug auf den Heizfaden 68 vorgespannt. Auf diese Weise wird ein Elektronenreflexionsfeld ausserhalb der Wände 52, 53 der Kammer 51 erhalten, so dass durch die Wände 52, 53 aus-' tretende Elektronen reflektiert und dann wieder durch den Ionisationsraum innerhalb der Kammer 51 hindurchgeleitet werden, wodurch ihr Ionisierungseffekt verbessert wird. Die Quelle nach Fig.6 wird in nackter Form auf dem Flansch 86 montiert, der dann an gewünschten Apparaten befestigt werden kann. Im übrigen ist diese Ausführungsform aber nahezu gleich der Ausführungsform nach Fig.1.

Die Abmessungen des Ausführungsbeispiels nach Fig.1 sind folgende. Die Kammer 1 hat eine Länge von 2 cm und einen Durchmesser von gleichfalls 2 cm. Die lonenaustrittsöffnung 5 hat einen Durchmesser von 5 mm und der Abstand zwischen dem Gitter 10 und der Platte k ist 0,1 mm. Bei einer Spannung von-1V des Gitters 10 in bezug auf die Platte k ist die Stromstärke des austretenden Ionenbündels dann 100 ,uA bei einer Energiestreuung von 0,6 eV. Bei zunehmender Extraktionselektrodenspannung ist z.B. die Stromstärke 10 mA bei einer Energiestreuung von 1,0 eV.

• Es sei bemerkt, dass mehrere Verfahren zum Erzeugen eines ionisierenden Elektronenbündels, nebst allerlei Anordnungen des Heizfadens, im Rahmen der Erfindung möglich sind. Nach einem alternativen Verfahren wird z.B. eine radioaktive Quelle in der Nähe der Ionenquelle montiert, wobei diese radioaktive Quelle

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Teilchen in die Kau»er 1 emittiert.

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Auch sei noch bemerkt, dass im Rahmen der Erfindung die Gitter 10, 13 und 30 derart ausgebildet werden können, dass sie eine Linsenwirkung auf das Ionenbündel ausüben, z.B. um ein genau paralleles Bündel zu erzielen.

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Claims (3)

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   Patentansprüche:

   Ionenquelle mit einer Ionisationskammer, in welche Kammer Elektronen ohne Anwendung eines die Elektronen beeinflussenden Magnetfeldes injiziert werden zum Ionisieren eines Gases, während ferner eine Beschleunigungselektrode vorgesehen ist, wobei diese Ionisationskammer gitterförmige elektrisch leitende Wandteile und einen für Ionen undurchdringlichen elektrisch leitenden Wandteil mit einer Ionenaustrittsöffnung aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Ionenquelle eine gitterförmige die Ionenaustrittsöffnung abdeckende Extraktionselektrode enthält, die in einem Abstand von einigen Zehnteln eines Millimeters von dem Wandteil- mit der Ionenaustrittsöffnung liegt und beim Betrieb der Ionenquelle eine negative Spannung von höchstens 5 V in bezug auf diesen Wandteil hat.
2. 2. Ionenquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die gitterförmige Wandteile der Ionisationskammer von einer Reflektroelektrode umgeben werden.
3. 3. Ionenquelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich zwischen der Extraktionselektrode und der Beschleunigungselektrode ein Schirmgitter befindet.

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