DE2037029C3

DE2037029C3 - Thermal ion source

Info

Publication number: DE2037029C3
Application number: DE2037029A
Authority: DE
Inventors: Mujeeb Dr. Hashmi; Adriaan Julius Van Der Dr. 8000 Muenchen Houven Van Oordt
Original assignee: Max Planck Gesellschaft zur Foerderung der Wissenschaften eV
Current assignee: Max Planck Gesellschaft zur Foerderung der Wissenschaften eV
Priority date: 1970-07-25
Filing date: 1970-07-25
Publication date: 1974-03-14
Also published as: SE368112B; IT939320B; LU63603A1; BE770373A; GB1347110A; CA940239A; DE2037029A1; NL7110208A; DE2037029B2; ZA714746B; AU3136371A; AU465912B2; FR2101716A5

Description

von Natur aus quasineutral ist, so daß keine Raumi >is by nature quasi-neutral, so that no space is>

35 dung auftreten kann, die den Ionenstrom beschru : ken könnte. An die mit Öffnungen zum Durchir/;35 dung can occur that affects the ion current: could ken. To those with openings for passage;

Die vorliegende Erfindung betrifft eine thermische der erzeugten Ionen versehene Elektrode brauch.?- Ionenquelle m' einer großflächigen heizbaren Elek- nur Spannungeil in der Größenordnung von 10Vr trode aus einem Material, das zu ionisierende Atome, und darunter angelegt zu werden, da die angelegdie auf die heiße Elektrode antreffen, durch Kon- 30 Spannung nicht zum Absaugen der Ionen dient, so; laktionisation zu ionisierer, verrrrg, und mit einer ne- dem im wesentlichen nur zum Zurückhalten d; gativ vorspannbaren, mit Öffnungen zum Durchtritt Elektronen, die sonst mit den Elektronen aus de der erzeugten Ionen versehenen Elektrode. Plasma herauszudiffundieren streben.The present invention relates to a thermal electrode provided with ions. Ion source m 'a large-area heatable elec- tron only voltage part in the order of magnitude of 10Vr Trode made of a material, the atoms to be ionized, and underneath to be applied as the applied contact with the hot electrode, does not serve to suck off the ions due to the con-voltage, so; actionization to ionizer, verrrrg, and with a ne- dem essentially just to hold back d; Negatively pre-stressable, with openings for the passage of electrons, which otherwise with the electrons from de the generated ions provided electrode. Strive to diffuse out plasma.

An lonenquellen, die einen guten Wirkungsgrad Es sei noch bemerkt, daß die Verwendung eine;In terms of ion sources which have a good degree of efficiency, it should also be noted that the use of a;

aufweisen und größere Ionenströme zu liefern ver- 35 Magnetfeldes in Verbindung mit einer geheizten Irimögen, besteht ein erheblicher Bedarf. Wenn solche dium-Elektrode, an der Lithhnridampf durch Konlonenquellen zur Verfügung ständen, wäre z. B. eine taktionisation ionisiert wird, bei einer Einrichtung zur wesentlich wirtschaftlichere Isotopentrennung als mit Untersuchung der Elektronen- und Ionenemission den derzeit gebräuchlichen Verfahren möglich, da von Iridium in Lithiumdampf bekannt ist (Journ. man dann hierfür Einrichtungen verwenden könnte, 40 Appl. Phys. 37, Nr. 12, November 1966, 4458-die auf dem Prinzip eines Massenspektrometers ar- 4462). Die bekannte Untersuchungsapparat^ ist beiten. Solche Isotopentrenneinrichtungen zeichnen aber weder als Ionenquelle bestimmt noch als solche sich nämlich durch einen sehr hohen Trennfaktor geeignet, und das Magnetfeld, dessen Stärke nur etwa aus, sie konnten jedoch bisher nicht wirtschaftlich 800 Gauß beträgt, dient lediglich zur Beschränkung eingesetzt werden, da lonenquellen mit der erforder- 45 der von einem Becherkollektor erfaßten Emissionslichen Leistung nicht zur Verfügung standen. fläche der geheizten Iridiumelektrode. Der Kollek-and to deliver larger ion currents with a magnetic field in connection with a heated iris there is a significant need. If such a dium electrode, contact the lithium vapor by means of ion sources would be available, would be z. B. a action ionization is ionized at a facility for Much more economical isotope separation than with the investigation of electron and ion emissions the currently used methods are possible, as is known of iridium in lithium vapor (Journ. one could then use facilities for this, 40 Appl. Phys. 37, No. 12, November 1966, 4458-the on the principle of a mass spectrometer ar-4462). The well-known examination apparatus ^ is work. Such isotope separation devices are neither intended nor intended as an ion source Namely suitable due to a very high separation factor, and the magnetic field, whose strength is only about from, but it could not be economically 800 Gauss up to now, is only used as a limitation are used, since ion sources with the required emission levels detected by a cup collector Power were not available. area of the heated iridium electrode. The Collective

Es sind lonenquellen bekannt, bei denen die zu torstrom wird dementsprechend durch das Magnetionisierenden Atome durch Elektronenstoß ionisiert feld nicht nennenswert beeinflußt, werden (deutsche Auslegeschrift 1 281 187). Bei so!- Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfin-Ion sources are known in which the current to be toroided is correspondingly passed through the magnet ionizer Atoms ionized by electron impact field not significantly affected, (German Auslegeschrift 1 281 187). With so! - Further training and developments of the invention

chen lonenquellen ist es auch bekannt, mittels eines 50 dung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet. Magnetfeldes den Ionisierungswirkungsgrad durch Die Erfindung wird im folgenden an Hand vonChen ion sources are also known, and are characterized in the subclaims by means of a 50. Magnetic field the ionization efficiency by The invention is in the following with reference to

Verlängerung der Elektronenbahnen zu erhöhen und Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichdas Plasma, aus dem die Ionen durch eine negative nung näher erläutert. Es zeigt Spannung abgesogen werden, zusammenzuschnüren. F i g. I eine schematische Darstellung einer Ionen-To increase the extension of the electron orbits and examples in connection with the drawing Plasma from which the ions are explained in more detail by a negative voltage. It shows tension being sucked off, constricting. F i g. I a schematic representation of an ion

Es sind ferner aus dem Buch von Ewald/Hin- 55 quelle gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der tenberger »Methoden und Anwendungen der Erfindung, undThere are also from the book by Ewald / Hin source 55 according to a first embodiment of the tenberger »Methods and Applications of the Invention, and

Massenspektroskopie«, Weinheim 1953, S.42 und 43· Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Ionen-Mass Spectroscopy «, Weinheim 1953, pages 42 and 43 · Fig. 2 is a schematic representation of an ion

sowie zahlreichen wissenschaftlichen Veröffentli- quelle gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der chungen sogenannte thermische Ionenquellen be· Erfindung.as well as numerous scientific publications source according to a second embodiment of the so-called thermal ion sources.

kannt, die auf dem Prinzip des Langmuir-Effektes 60 Die in Fig. 1 schematisch dargestellte Ionenquelle arbeiten. Bei diesen lonenquellen werden die zu ioni- ist in einem nicht dargestellten Vakuumgefäß ansierenden Atome an einer Metallfläche durch Kon- geordnet und enthält eine Ionisierungselektrode 10 in taktionisation ionisiert und mit einem elektrischen Form einer z. B kreisförmigen, ebenen Platte, die Hilfsfeld durch eine durchbrochene Elektrode aus durch Beschüß mit Elektronen heizbar ist, welche dem !onisierungsraum herausgezogen. Der lonisie- 65 durch eine Glühkathode 12 erzeugt und durch eine rungswirkungsgrad hängt vom Verhältnis der Elek- Spannung von einer Spannungsquclle 14 auf die tronen-Austrittsarbeit der Metallfläche zur lonisie- Rückseite der Platte 10 beschleunigt werden. Vor der rungsarheit der Atome ab. Ionisierungselektrode 10 ist eine Verdampfereinrich-Known based on the principle of the Langmuir effect 60 The ion source shown schematically in FIG work. In the case of these ion sources, the ions that are too ionic are stored in a vacuum vessel (not shown) Atoms on a metal surface ordered by con and contains an ionization electrode 10 in actionization ionized and with an electrical form of a z. B circular, flat plate that Auxiliary field can be heated by bombarding electrons with a perforated electrode, which pulled out of the! onization room. The ionizing 65 generated by a hot cathode 12 and by a Efficiency depends on the ratio of the electrical voltage from a voltage source 14 to the Tronen work function of the metal surface to the ionization back of the plate 10 are accelerated. Before the the rarity of the atoms. Ionization electrode 10 is an evaporator device

tung 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 Vorderfläche der Elektrode !0 richtet.device 16 is arranged, which can be heated for example by an electrical arrangement 18 and a beam 20 from Atoms of the material to be ionized 22 is directed against the front surface of the electrode! 0.

Im Abstand vor der Ionisierungselektrode 10 ist eine durchbrochene, z. B. netzförmige Elektrode 24 angeort'net. Ferner ist eine nicht dargestellte Vorrichtung, ζ. 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 2 bis 8 kG erzeugt.At a distance in front of the ionization electrode 10 is a perforated, z. B. mesh-shaped electrode 24 angeort'net. Furthermore, a device, not shown, ζ. B. a cylindrical magnet coil surrounding the vacuum vessel is provided, which generates a substantially homogeneous constant magnetic field B of 2 to 8 kG in the space between the electrodes 10 and 24, indicated by an arrow.

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 u. dgl. kann also z.B. eine Elektrode aus Wolfram, Rhe- ao nium oder Tantal verwendet werden. Bei Verwendung von Kohlenstoff für die Ionisierungselektrode können auch Elemente mit noch höheren Ionisierungspotentialen ionisiert werden.The ionization electrode 10 consists of a material that the atoms to be ionized through Able to ionize contact ionization. This means that the ionization voltage of the to be ionized Atoms must be comparable to the exit voltage of the electrode material. For ionization of alkali and alkaline earth metals as well as uranium and the like, e.g. an electrode made of tungsten, rhe- ao nium 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° K 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 Magnetfelds zusammengehaltenes Plasma, aus dem die Ionen durch die bezüglich der lonisierungselektrode 10 negativ vorgespannte durchbrochene Elektrode 24 austreten. Die negative Spannung an der durchbrochenen Elektrode 24 braucht nur verhältnismäßig klein (z.B. 10 bis 20V) zu sein, da sie lediglich dazu dient, die Elektronen des Plasmas zurückzuhalten. Die durch Pfeile 23 angedeuteten Ionen können dann ihrer Bestimmung zugeführt werden, beispielsweise können sie in eine auf dem Prinzip eines Massenspektrometer arbeitende Einru-ntung zur Isotopentrennung eintreten, die in Fig. I nur schematisch als gestricheltes Rechteck angedeu-During operation, the ionization electrode 10 is brought to the operating temperature by electron bombardment, z. B. 2500 ° K heated, and the evaporator device 16, 18 is put into operation, so that from her At the front surface of the electrode 10 directed atomic beam 20 emerges. Those impinging on the electrode 10 Atoms are ionized by contact ionization and form with those of the electrode 10 thermally emitted electrons a plasma held together by the axial magnetic field, from which the ions through the relative to the ionization electrode 10 negatively biased perforated electrode 24 emerge. The negative tension at the perforated electrode 24 need only be relatively small (e.g. 10 to 20V) because it only serves to hold back the electrons in the plasma. The indicated by arrows 23 Ions can then be used for their determination, for example, they can be placed in a facility that works on the principle of a mass spectrometer occur for isotope separation, which in Fig. I. only indicated schematically as a dashed rectangle

tet ist. . .is tet. . .

Das in F i g. 2 dargestellte Ausführungsbeispiel arbeitet auf demselben Prinzip wie das Ausfunrungsbeispiel gemäß F i g. 1. Die Vorrichtung zum Zufuhren der zu ionisierenden Atome ist J^ed°ch bei der Einrichtung gemäß Fig. 2 hinter der Elektrode 10 angeordnet, die Durchbrechungen 30 aufweist. Das zu ionisierende Material wird z. B. durch ein ringformiges Verdampferschiffchen 16' verdampft und tritt dann durch die Durchbrechungen 30, wobei es durch Kontakt mit der Wand dicer Durchbrechungen ΐοπι-siert wird. Die Elektrode 10' ;.ann z. B. durch direkten Stromdurchgang heizbar und zu diesem 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 Er^ze"-gen des axialen Magnetfeldes B ist schematisch als Zylinderspule 35 angedeutet.The in Fig. The embodiment shown in FIG. 2 operates on the same principle as the embodiment according to FIG. 1. The device for supplying the to be ionized atoms is arranged J ^e d ° ch at the device according to Fig. 2 behind the electrode 10 having the openings 30th The material to be ionized is z. B. evaporated by an annular evaporator boat 16 'and then passes through the openings 30, where it is ΐοπι-siert by contact with the wall of the openings. The electrode 10 '; .ann z. B. can be heated by direct passage of current and provided with a center electrode 32 and peripheral electrode 34 for this purpose. As in the example according to FIG. 1, the ions generated emerge through the perforated electrode 24. The apparatus for He ^ze "gene of the axial magnetic field B is indicated schematically as a cylindrical coil 35th

Der Durchmesser der Elektrode 10 betragt vorzugsweise mindestens 50 mm. Der Abstand zwischen den Elektroden 10 und 24 ist vorzugsweise etwa 100 mm oder größer.The diameter of the electrode 10 is 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 heizbaren 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 evaporator device can also consist of a heatable hollow body, in which the material to be ionized and vaporized is located, and the openings corresponding to the openings 30, from which the evaporated material at the same time Ionization emerges on the walls.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings

Claims

1 2 The ion current density that can be achieved with such thermal ion sources is limited by the space charge that is in front of the heated metal surface.

1. Thermal ion source with a large area. One can see the disturbing influences of the Raurnhichigen heatable electrode made of a material, 5 manure by using voi. Suction span andas Atoms to be ionized, which largely eliminate the corresponding size on the hot gene Hit the electrode, the voltages required for this by contact ionization, which amount to 50 kV able to ionize, and with a negative, make the generation of ions! tensionable, with openings for passage of practical purposes too uneconomical.

generated ions provided electrode, because the present invention is now the task! - characterized in that a preliminary is based on specifying a thermal ion source, Direction (35) for generating an essentially high efficiency and high ionic density perpendicular to the heatable electrode (10, capable of delivering currents.

10 ') running magnetic field with a field- According to the invention, this task is dur-ü

strength of 2 to 8 kilogauss in the space between 15 a thermal ion source of the genanni, -. this electrode (10, 10 ') and the type with openings, which is characterized in that a- · provided electrode (24) is provided. Apparatus for generating an essentially.

2. Use of an ion source running perpendicular to the heatable electrode Claim 1, in one on the principle of a mass magnetic field with a field strength of 2 to 8 KiI-: spectrometer working device for separating 20 gauss in the space between this electrode and opening of uranium isotopes. Electrode provided with openings i.,.

The result of the magnetic field is that a constant plasma is created in front of the heated electrode, c