DE2018507B2 - Ionenquelle - Google Patents
IonenquelleInfo
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- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
- H01J49/00—Particle spectrometers or separator tubes
- H01J49/02—Details
- H01J49/10—Ion sources; Ion guns
- H01J49/14—Ion sources; Ion guns using particle bombardment, e.g. ionisation chambers
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Jonenquelle mit einer Ionisationskammer, welche gitterformige elektrisch
leitende Wandteile und einen für Ionen undurchdringlichen elektrisch leitenden Wandteil mit einer
Ionenaustrittsöffnung aufweist und in welche Elektronen zum Ionisieren eines Gases von mindestens einem
außerhalb der Ionisationskammer gelegenen Heizfaden aus, der gegenüber der Ionisationskammer eine
negative Spannung aufweist, ohne Anwendung eines die Elektronen beeinflussenden Magnetfeldes injiziert
werden, und mit einer Extraktionselektrode.
Eine derartige Ionenquelle ist aus dem Artikel »La sensibilite de la jauge ä collecteur cache« in »Le Vide«,
Juli-August 1968, S.240-244, bekannt. Die in diesem Artikel beschriebene Vorrichtung ist eine Ionenquelle,
die als Ionisationsmanometer verwendet wird. Bei Anwendung der beschriebenen Vorrichtung als
lonisationsmanometer oder als Ionenquelle ist ein möglichst großer lonenstrom erforderlich. Bei Anwendung
als Ionenquelle ist außerdem noch eine geringe Energiestreuung der Ionen in dem gebildeten
Bündel erforderlich. s.s
Die Wirkungsweise einer derartigen Ionenquelle ist folgende. Mit Hilfe z.B. eines Heizfadens werden
Elektronen in die Ionisationskammer injiziert, welcher Heizfaden außerhalb der Ionisationskammer angeordnet
ist und in bezug auf diese Kammer eine negative do Spannung hat. Die vom Heizfaden emittierten Elektronen
werden vom elektrischen Feld zwischen dem Heizfaden und der Ionisationskammer in Richtung auf
die Ionisationskammer beschleunigt und passieren die gitterförmigen Wandteile derselben. Die in der Ionisationskammer
gebildeten Ionen werden von dem elektrischen Feld zwischen der Wand der Ionisationskammer
und der Extraktionselektrode in Richtung auf die Extraktionselektrode beschleunigt, die außerhalb
der Ionisationskammer vor der Ionenaustrittsötfnung angeordnet ist und in bezug auf die Ionisationskammer
eine negative Spannung aufweist Das Potentialfeld zwischen der Extraktionselektrode 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 ihrem
Wege zu der Extraktionselektrode verschiedene Spannungsunterschiede durchlaufen, wodurch eine große
Energiestreuung im Ionenbündel erhalten wird.
Die Erfindung hat den Zweck, eine Ionenquelle zu schaffen, in der eine große Ionenstromstärke mit einer
kleinen Energiestreuung einher geht.
Die Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, daß die Ionenaustrittsöffnung von der gitterförmigen
Extraktionselektrode, die in einem Abstand von einigen Zehnteln eines Millimeters von dem Wandteil
mit der lonenaustrittsöffnung liegt und beim Betrieb der Ionenquelle eine negative Spannung von höchstens
5 V in bezug auf diesen Wandteil aufweist, überspannt
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß in der Ionisationskammer von den in diese Kammer
injizierten Elektronen und den durch Ionisation gebildeten Ionen eine Raumladung erzeugt wird. Die Gesamtraumladung
ist durch das Übermaß an injizierten Elektronen negativ. Wenn die Extraktionselektrode das
gleiche Potential wie die Wände der Ionisationskammer aufweist, hat die Raumladung in der Ionisationskammer
ein Potentialfeld wovon das Potential an jedem Punkt niedriger als an den Wänden der Ionisationskammer
ist und ein Punkt etwa in der Mitte der Ionisationskammer ein Mindestpotential von z. B. - 2 V
aufweist. Dadurch ist an jedem Punkt in der Ionisationskammer die Feldstärke 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 gefangen und können nur Punkte dieser Senke
erreichen, deren Potential nicht höher als das Potential des Punktes ist, an dem sie gebildet sind. Nach der
Erfindung wird eine gitterformige Extraktionselektrode unmittelbar vor der lonenaustrittsöffnung in der Wand
der Ionisationskammer angeordnet und weist eine nung von z.B. - 1 V auf. Dies hat zur Folge, daß an
der Stelle der lonenaustrittsöffnung das Potentialfeld das Potential der Extraktionselektrode hat. Dadurch
ist an der Stelle der lonenaustrittsöffnung die Höhe des Randes der Potentialsenke statt 2V2 V nun I1A V
geworden. Infolgedessen können alle Ionen, die an einem Punkt der Ionisationskammer gebildet sind,
dessen Potential zwischen -1 V und 0 V liegt, durch die gitterformige Extraktionselektrode die Ionisationskammer
verlassen. Das austretende Ionenbündel hat also eine Energiestreuung von höchstens 1 V. In der
Praxis ist die Energiestreuung in der Richtung des Bündels noch etwas kleiner, weil die Richtung, in der
die Ionen austreten, im allgemeinen nicht mit der Richtung zusammenfällt, in der das Bündel von der
Beschleunigungselektrode beschleunigt wird. Ein 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. Wenn die Extraktionselektrode negativer
als die Tiefe der Potentialsenke bei einer Extraktions-
ilektrodenspannung von 0 V gemacht wird, werden Grundsätzlich alle gebildeten Ionen extrahiert. Die auf
jjese Weise vergrößerte Ionenausbeute geht selbstverständlich
mit einer größeren Energiestreuung im Bündel einher. 5
Eine Ionenquelle nach der En.ndung kann vorteilhaft
derart ausgebildet werden, daß die gitterförmigen Wandteile der Ionisationskammer von einer Reflektorelektrode
umgeben werden. Wenn diese Reflektor· elektrode eine geringe positive Spannung von z.B. 1 V io
in bezug auf die Wand der Ionisationskammer aufweist, werden Ionen, die durch die Maschen der
eitterförmigen Wandteile entweichen könnten, reflektiert
Bei Anwendung einer Reflektorelektrode sind somit größere Maschen der gitterförmigen Wandteile 15
der Ionisationskammer zulässig.
Sollten die Ionen aus einer Ionenquelle nach der Erfindung durch eine Beschleunigungselektrode beschleunigt
werden, so ist es günstig, wenn sich zwischen der Extraktionselektrode und der Beschlcunigungs- ;.
elektrode 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 den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden
näher beschrieben. Es zeigt
Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine Ionenquelle nach der Erfindung, ι
F ig. 2 eine schematische Darstellung der Anordnung einer Beschleunigungselektrode und eines Schirmgitters
in Verbindung mit einer Ionenquelle nach de ι Erfindung,
Fig.3 eine graphische Darstellung des Ionenstromes .1
als Funktion der Spannung der Exlraktionselektrode,
Fig.4 einen schematischen Längsschnitt durch eine Ionenquelle nach der Erfindung mit einer alternativen
Anordnung des Heizfadens,
Fig 5 einen Längsschnitt durch eine Ionenquelle nach der Erfindung mit einer Gitterstruktur, 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 Ionenaustrittsöffnung 5
versehene Platte 4 gebildet wird. Die Gitter 2 und 3 und die Platte 4 sind elektrisch leitend miteinander
verbunden. Eine zylindrische metallene Reflektorelektrode 6 umgibt das Gitter 2 und ist an -,inem 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 10 austretenden
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 23 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 14 sind an einer Endplatte 24 befestigt, die lösbar mit der Umhüllung 20 verbunden ist und auch
Anschlüsse 25 für die Elektroden enthält
Der Heizfaden 8 hat beim Betrieb der Ionenquelle eine negative Spannung vcn 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 Gasmolekühlen injiziert. Das G itter 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. -50V bis -5kV in bezug auf die Kammer 1 aufweist, welche Ionen dann
das Gitter 13 dieser Beseht junigungselckirode als ein
nahe/u paralleles Bündel passieren.
F ig. 2 zeigt schematisch, wie ein Schirmgitter 30 /wischen dem Gitter 10 der Extraktionselekirode und
dem Gitter 13 der Beschleunigungselektrode ange-, hraclii werden kann. Das starke Beschleunigungsfeld
steht dann zwischen den Gittern 13 und 30 und dringt nahe/u 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 lonenstrom / bei kleinen 1 xtraktionselektrodenspannungen
in bezug auf die Wand der Kammer 1 schnell mit der Spannung zunimmt. Für s größere Spannungen tritt eine Sättigung auf. Der Punkt
l ist als ein geeigneter Einstellpunkt für einen genügenden lonenstrom bei einer genügend niedrigen Spannung
und also einer kleinen Energiestreuung angegeben.
μι Fig.4 zeigt schematisch eine alternative Anordnung
für den Heizfaden. Der Heizfaden besteht bei der dargestellten Bauart aus zwei Teilen 31 und 32. die
beiderseits der Kammer 1 angebracht sind. Die Reflektorclektrode
soll In diesem Falle gleichfalls gitterförmig
4> 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 eine Ionisationskammer mit einer alterso
nativen Anordnung des bereits in Fig.4 gezeigten Heizfadens. In dieser Ionenquelle wird die Eindringung
des Elektronenbeschleunigungs- und Reflexionsfeldes in den lonisationsraum dadurch herabgesetzt, daß für
die durchlässigen Wände 52 und 53 der lonisationsss kammer 51 feinmaschiges elektnsch leitendes Material
mit günstigen Abschirmungseigenschaflen 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 Öffnungen 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 Befestigungs- und Abstützungsflansch 86 hindurchgefuhrt sind. Es ist vorteilhaft, wenn während
der Entgasung die beiden Heizfäden 68, 78 zur Erhitzung der Metallteile des Apparats durch Elektronenbeschuß
verwendet weiden, aber im allgemeinen wird nur ein einziger Heizfaden, z. B. 68, beim Betrieb der
Ionenquelle benutzt. Ein leitender Schirm 59, 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
austretende Elektronen reflektiert und dann wieder durch den lonisationsraum innerhalb der Kammer 51
hindurchgeleitet werden, wodurch ihr lonisierungseffekt verbessert wird. Die Quelle nach Fig.5 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 2cm 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 4 ist 0,1 mm. Bei einer Spannung von
-IV des Gitters 10 in bezug auf die Platte 4 ist die
Stromstärke des austretenden lonenbündels dann 100 μΑ bei einer Energiestreuung von 0,6 eV. Bei
ίο zunehmender Extraktionselektrodenspannung ist z.B.
die Stromstärke 10mA 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 ^-Teilchen in die Kammer 1 emittiert.
Auch sei noch bemerkt, daß im Rahmen der Erfindung die G itter 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.
Hierzu 2 Blatt Zeichnuimen
Claims (2)
1. Ionenquelle mit einer Ionisationskammer, welche gitterformige elektrisch leitende Wandteile und
einen für Ionen undurchdringlichen elektrisch leitenden Wandteil mit einer Ionenaustrittsöffnung
aufweist und in weiche Elektronen zum Ionisieren eines Gases von mindestens einem außerhalb der
Ionisationskammer gelegenen Heizfaden aus, der gegenüber der Ionisationskammer eine negative
Spannung aufweist, ohne Anwendung eines die Elektronen beeinflussenden Magnetfeldes injiziert
werden, und mit einer Extraktionsslektrode, dadurch gekennzeichnet, Jaß die Ionenaustrittsöffnung
von der gitterförmigen Extraktionselektrode, 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 aufweist, überspannt
wird.
2. Ionenquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die gitterförmigen Wandteile der Ionisationskammer
von einer Reflektorelektrode für die Ionen umgeben werden, die in bezug auf die Wandteile
der Ionisationskammer eine positive Spannung aufweist.
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
GB21453/69A GB1237028A (en) | 1969-04-28 | 1969-04-28 | Ion source |
GB2145369 | 1969-04-28 |
Publications (3)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE2018507A1 DE2018507A1 (de) | 1970-12-10 |
DE2018507B2 true DE2018507B2 (de) | 1976-11-04 |
DE2018507C3 DE2018507C3 (de) | 1977-06-23 |
Family
ID=
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
FR2040328A1 (de) | 1971-01-22 |
US3619684A (en) | 1971-11-09 |
GB1237028A (en) | 1971-06-30 |
CH505461A (de) | 1971-03-31 |
DE2018507A1 (de) | 1970-12-10 |
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
C3 | Grant after two publication steps (3rd publication) | ||
E77 | Valid patent as to the heymanns-index 1977 | ||
EHJ | Ceased/non-payment of the annual fee |