DE2037029A1 - Ion source - Google Patents
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Description
ν.B/JE 3. Juli 1970ν.B / JE July 3, 1970
Institut für Plasmaphysik G.m.b.H. 8O46 Garching Institute for Plasmaphysics GmbH 8O46 Garching
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Ionenquelle, insbesondere für eine auf dem Prinzip eines Massenspektrometers arbeitende Einrichtung zur Isotopentrennung.The present invention relates to an ion source, in particular for one based on the principle of a mass spectrometer working device for isotope separation.
Einrichtungen zur Isotopentrennung, die auf dem Prinzip eines Massenspektrometer arbeiten, zeichnen sich im Vergleich zu Isotopentrenneinrichtungen, die nach anderen Prinzipien arbeiten, durch einen sehr hohen Trennfaktor aus. Bisher war es jedoch nicht möglich, mit solchen Einrichtungen einen befriedigenden Massendurchsatz zu erreichen, da Ionenquellen mit der erforderlichen Leistung nicht zur Verfügung standen. Die bekannten Ionenquellen, z.B. Ionenquellen, in denen ein zu ionisierendes, verdampftes oder gasförmiges Material durch eine elektrische Entladung oder durch Elektronenbeschuß ionisiert wird, liefern nämlich nur verhältnismäßig kleine lonenströme.Devices for isotope separation based on the principle a mass spectrometer work, stand out in comparison to isotope separators, which work according to different principles work through a very high separation factor. So far, however, it has not been possible to achieve a satisfactory result with such facilities To achieve mass throughput, since ion sources with the required power were not available. the known ion sources, e.g. ion sources in which a vaporized or gaseous material ionized by an electrical discharge or by electron bombardment namely only deliver relatively small ion currents.
Der vorliegenden Erfindung liegt dementsprechend die Aufgabe zugrunde, eine Ionenquelle hoher Leistung anzugeben, die überall dort verwendet werden kann, wo hohe lonenströme benötigt werden, insbesondere bei Einrichtungen zur Isotopentrennung, die auf dem Prinzip eines Massenspektrometer arbeiten?The present invention is accordingly based on the object of specifying a high-power ion source, which can be used wherever high ion currents are required, especially in devices for isotope separation, which work on the principle of a mass spectrometer?
Die Erfindung geht aus von einer Ionenquelle mit einer Ionisierungseinrichtung, der zur ionisierende Atome zuführbar sind, und einer negativ vorspannbaren durchbrochenen Elektrode durch die die erzeugten Ionen zu einem Verbraucher hinduroh-The invention is based on an ion source with a Ionization device, which can be fed to the ionizing atoms, and a negatively biasable perforated electrode through which the generated ions can be transported to a consumer
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- 2 treten. - 2 kick.
Gemäß der Erfindung wird die oben angegebene Aufgabe bei einer solchen Ionenquelle dadurch gelöst, daß die Ionisierungseinrichtimg eine heizbare, großflächige Elektrode aus einem Material, das die zu ionisierenden Atome durch Kontaktionisation zu ionisieren vermag, enthält und daß eine Vorrichtung vorgesehen ist, die zwischen den beiden Elektroden ein axiales (d.h. in Richtung von der einen zur anderen Elektrode verlaufendes) magnetisches Gleichfeld erzeugt»According to the invention, the above object is achieved solved in such an ion source that the Ionisierungseinrichtimg a heatable, large-area electrode from one Material which is able to ionize the atoms to be ionized by contact ionization, and that a device is provided that between the two electrodes an axial (i.e. running in the direction from one electrode to the other) magnetic constant field generated »
Eine solche großflächige Elektrode, auf die z.B. ein durch Verdampfen erzeugter Atomstrahl des zu ionisierenden Materials gerichtet werden kann, stellt in Kombination mit dem axialen Magnetfeld eine sehr ergiebige Ionenquelle dar, mit der hohe Ionenströme und Massendurchsätze erreicht werden können.Such a large-area electrode onto which, for example, an atomic beam generated by evaporation of the to be ionized Material can be directed, in combination with the axial magnetic field represents a very productive ion source, with which high ion currents and mass throughputs can be achieved.
Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung sind in den ünteransprüchen gekennzeichnet0 Further developments and embodiments of the invention are characterized in the subclaims 0
Die Erfindung wird im folgenden aafoand von AusführungsbeispMen in Verbindung mit der Zeichnung näher erläutert, es zeigen:The invention is described in the following by embodiments explained in more detail in connection with the drawing, it demonstrate:
Fig» 1 eine schematiseh© Darstellung einer Ionenquelle gemäß einem ersten Ausführangsbeispiel dei3 Erfindung, undFigure "1 is a schematiseh © representation of an ion source according to a first Ausführangsbeispiel dei 3 invention, and
Fig» 2 eine schematissh© Darstellung ©ines· Ionenquelle gemäß einen zweiten lusfüiteungslbeigpiel des* Erfindonge Fig »2 a schematissh © © ines representation · ion source according to a second lusfüiteungslbeigpiel of Erfindong * e
Die in Figo i sich@iaaii;is©h da^gssisellfe© Ionenquelle ist in einem nicht; öa.i»g©3t@llfe@3a ¥iikuurag©flß asig<s*ä?dnet und enthält eine Ionisi©rungs©!©kteod® 10 iia F©na ©ines» goB<> kreisförmigen g The ion source shown in Fig. 1 is not in one; öa.i »g © 3t @ llfe @ 3a ¥ iikuurag © liquid asig <s * ä? dnets and contains an ionization ©! © kteod® 10 iia F © na © ines» g o B <> circular g
ebenen Platte,» die cliis^eh 3©s©Ii?all i?i'e ül©kte©n©n heilbar !&%# welsth© dureii ein© Oilibteatiioö® 3.2 Qi"s©ugt wia öuiesh ©in© auiis, voa eia®r SoiMaaaaguqualls I^ auf ύΧ® M©k^®it© ά®% flat plate, »the cliis ^ eh 3 © s © Ii ? all i? i'e ül © kte © n © n curable ! &% # welsth © dureii a © Oilibteatiioö® 3.2 Qi "s © ugt wia öuiesh © in © auiis, voa eia®r SoiMaaaaguqualls I ^ on ύΧ® M © k ^ ®it © ά®%
_ 3 —_ 3 -
10 beschleunigt werden. Vor der Ionisierungselektrode 10 ist eine Verdampfereinrichtung 16 angeordnet, die z.B. durch eine elektrische Anordnung 18 heizbar ist und einen Strahl 20 aus Atomen des zu ionisierenden Materials 22 gegen die Vorderflache der Elektrode 10 richtet.10 can be accelerated. A vaporizer device 16 is arranged in front of the ionization electrode 10, e.g. Arrangement 18 is heatable and a beam 20 of atoms of the material to be ionized 22 against the front surface of the Electrode 10 aligns.
Im Abstand vori der Ionisierungselektrode 10 ist eine durchbrochenej z.B. netzförmige Elektrode 24 angeordnet. Ferner ist eine nicht dargestellte Vorrichtung, z.B. eine das Vakuumgefäß umgebende zylinderförmige Magnetspule, vorgesehen, die im Raum zwischen den Elektroden 10 und 24 ein durch einen Pfeil angedeutetes, im wesentlichen homogenes magnetisches Gleichfeld B von z.B. 2 bis 8 kö erzeugt.In the distance in front of the ionization electrode 10 is a perforated, e.g., reticulated electrode 24 is arranged. Further a device (not shown), for example a cylindrical magnetic coil surrounding the vacuum vessel, is provided which is implemented in the Space between the electrodes 10 and 24, an essentially homogeneous constant magnetic field indicated by an arrow B produced from e.g. 2 to 8 kö.
Die Ionisierungselektrode 10 besteht aus einem Material, das die zu ionisierenden Atome durch Kontaktionisation zu ionisieren vermag. Das bedeutet, daß die Ionisierungsspannung der zu ionisierenden Atome vergleichbar mit der Austrittsspannung des Elektrodenmaterials sein muß. Zur Ionisierung von Alkali- und Erdalkalimetallen sowie Uran und dgl. kann also z.B. eine Elektrode aus Wolfram, Rhenium oder Tantal verwendet werden. Bei Verwendung von Kohlenstoff für die Ionisierungselektrode können auch Elemente mit noch höheren lonisierungspotentialen ionisiert werden.The ionization electrode 10 consists of a material that ionizes the atoms to be ionized by contact ionization able. This means that the ionization voltage of the atoms to be ionized is comparable to the exit voltage the electrode material must be. For the ionization of alkali and alkaline earth metals as well as uranium and the like, for example, a Electrode made of tungsten, rhenium or tantalum can be used. When using carbon for the ionization electrode elements with even higher ionization potentials can also be ionized.
Im Betrieb wird die Ionisierungselektrode 10 durch Elektronenbeschuß auf Betriebstemperatur, z.B. 2500 0K erhitzt und die Verdampfereinrichtung 16, 18 wird in Betrieb genommen, so daß aus ihr ein auf die Vorderfläche der Elektrode 10 gerichteter Atomstrahl 20 austritt. Die auf die Elektrode 10 auftreffenden Atome werden durch Kontaktionisation ionisiert und bilden mit den von der Elektrode 10 thermisch emittierten Elektronen ein durch das axiale Magnetfeld β zusammengehaltenes Plasma, aus dem die Ionen .urch die bezüglich der Ionisierungselektrode 10 negativ vorgesp&nnte durchbrochene Elektrode 24 austreten. Die negative Spannung an der durchbrochenen Elektrode 24 braucht nur verhältnismäßig klein (z.B. 10 - 20 V) zu sein, da sieDuring operation, the ionization electrode 10 is heated to operating temperature, for example 2500 ° K, by electron bombardment, and the vaporizer device 16, 18 is put into operation, so that an atom beam 20 directed onto the front surface of the electrode 10 emerges from it. The atoms striking the electrode 10 are ionized by contact ionization and, together with the electrons thermally emitted by the electrode 10, form a plasma held together by the axial magnetic field β, from which the ions emerge through the perforated electrode 24, which is negatively biased with respect to the ionization electrode 10. The negative voltage at the broken electrode 24 only needs to be relatively small (for example 10-20 V) because it
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lediglich dazu dient, die Elektronen des Plasmas zurückzuhalten. Die durch Pfeile 28 angedeuteten Ionen können dann Ihrer Bestimmung zugeführt werden,beispielsweise können sie in eine auf dem Prinzip eines Massenspektrometer arbeitende Einrichtung zur Isotopentrennung eintreten, die in Fig. 1 nur schematisch als gestricheltes Rechteck angedeutet ist·only serves to hold back the electrons of the plasma. The ions indicated by arrows 28 can then be supplied to your determination, for example they can be placed in an the principle of a mass spectrometer working device for isotope separation occur, which in Fig. 1 only schematically is indicated as a dashed rectangle
Das in Fig. 2 dargestellte Ausführungsbeispiel arbeitet auf demselben Prinzip wie das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1» Die Vorrichtung zum Zuführen der zu ionisierenden Atome ist jedoch bei der Einrichtung gemäß Fig. £, hinter der Elektrode 10f angeordnet, die Durchbrechungen 30 aufweist. Das zu ionisierefide Material wird z.B. durch ein ringförmiges Verdampferschiffchen 16f verdampft und tritt dann durch die Durchbrechungen 30* wobei e§ durch Kontakt mit der Wand dieser Durchbrechungen ionisiert wird. Die Elektrode 10f kann z.B. durch direkten Stromdurchgang heizbar und zu die§em Zweck mit einer Mittelelektrode 32 sowie Umfangselektrode 34 versehen sein. Die erzeugten Ionen treten wie beim Beispiel gemäß Fig. 1 durch die durchbrochene Elektrode 24 aus. Die Vorrichtung zum Erzeugen des axialen Magnetfeldes B ist schematisch als Zylinderspule 35 angedeutet*The embodiment shown in FIG. 2 operates on the same principle as the embodiment according to Fig. 1 "The device for feeding the but is to be ionized atoms in the apparatus of FIG. £, disposed behind the electrode 10 f having perforations 30th The material to be ionized is evaporated, for example, by an annular evaporation boat 16 f and then passes through the openings 30 * , e§ being ionized through contact with the wall of these openings. The electrode 10 f can, for example, be heatable by direct passage of current and, for this purpose, can be provided with a center electrode 32 and a peripheral electrode 34. As in the example according to FIG. 1, the ions generated emerge through the perforated electrode 24. The device for generating the axial magnetic field B is indicated schematically as a solenoid 35 *
Der Durchmesser der Elektrode 10 beträgtThe diameter of the electrode 10 is
vorzugsweise mindestens 50 mm. Der Abstand zwischen den Elektroden 10 und 24 ist vorzugsweise etwa 100 mm oder größer.preferably at least 50 mm. The distance between the electrodes 10 and 24 is preferably about 100 mm or larger.
Die Elektrode 10* und die Verdampfereinrichtung können auch aus einem heizbareil Hohlkörper bestehen, in dem sich das zu ionisierende und zu verdampfende Material befindet, und der Durchbrechungen entsprechend den Durchbrechungen 30 aufweist, aus denen das verdampfte Material bei gleichzeitiger Ionisierung an den Wänden austritt·The electrode 10 * and the vaporizer device can also consist of a heatable hollow body in which the material to be ionized and vaporized is located and which has openings corresponding to the openings 30, from which the vaporized material emerges with simultaneous ionization on the walls.
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Legal Events
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C3 | Grant after two publication steps (3rd publication) |