DE2261720A1 - ION SOURCE - Google Patents
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Description
GCMTl I1-* M. n.M/!D ■-.- ,GCMTl I 1 - * M. nM /! D ■ -.-,
γ. . ■ ..,.., ' pen. 6o6h. γ. . ■ .., .., ' pen. 6o6h .
Anm-elder: N.V. Pü.JfVüLuJLÄÄlP^FABrticKEil ' - Va / ¥JM.Note elder: N.V. Pü.JfVüLuJLÄÄlP ^ FABrticKEil '- Va / ¥ JM.
Akia: T?VJ1- 6 O (ζ 4
Anmeldung vom» 1^. "D^Z. 1Γ7? Akia: T? V J1- 6 O (ζ 4
Registration from »1 ^. "D ^ Z. 1 Γ 7?
IonenquelleIon source
Die Erfindung bezieht sich auf eine Ionenquelle mit einer ersten Kathode, einer zweiten Kathode mit einer Ionenaustrittsöffnung, einer Anode zwischen den beiden Kathoden und Mitteln zum Erzeugen eines axialen Magnetfeldes,The invention relates to an ion source with a first cathode, a second cathode with an ion outlet opening, an anode between the two Cathodes and means for generating an axial magnetic field,
Eine derartige Ionenquelle ist aus der USAOne such ion source is from the USA
Patentschrift Nr. 3. 4θ8.526 bekannt und weist den Vorteil auf, dass sie bei einem verhältnismässig niedrigen Gasdruck arbeiten kann. Dies ist der Tatsache zuzuschreiben, dass sich die Elektronen, die in der Gasentladung zwischen der Anode und den beiden Kathoden gebildet werden, im wesentlichen nur in Richtung der Kraftlinien des Magnetfeldes bewegen können und demzufolge einen langen Weg zurücklegen, bevor sie die Anode erreichen. Dieser länge Weg hat zurPatent No. 3. 408. 526 known and has the advantage that it can work at a relatively low gas pressure. This is due to the fact that the electrons which are formed in the gas discharge between the anode and the two cathodes can essentially only move in the direction of the lines of force of the magnetic field and consequently travel a long distance before they reach the anode. This long way has to
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Folge, fass für jedes Elektron die Ionisationsmöglichkeit gross ist.Consequence, grasp the possibility of ionization for each electron is big.
Ein Ionenbündel wird der Ionenquelle dadurchThis creates an ion beam for the ion source
entnommen, dass ein Potentialunterschied zwischen einer Beschleunigungselektrode und der Kathode mit der Ionenaustrittsöffnung angelegt wird. Die beschleunigten Ionen treffen dann im allgemeinen auf eine Auftreffplatte auf, deren Gestalt durch die Art der Vorrichtung bestimmt wird, in der die Ionenquelle angewandt wird. Ein Teil der Ionen des Ionenbündels ionisiert jedoch das Gas, das in dem Raum vorhanden ist, in dem das beschleunigende Feld vorherrscht. Die dadurch gebildeten Elektronen - wenn die von der Ionenquelle gelieferten Ionen positiv sind - negativen Ionen bzw. - wenn die Ionenquelle negative Ionen liefert - positiven Ionen werden vom beschleunigenden Feld in umgekehrter Richtung beschleunigt» Diese Teilchen erhalten infolge der im allgemeinen hohen angewandten Beschleunigungsspannung eine grosse Energie, passieren die Ionenaustrittsöffnung in umgekehrter Richtung und treffen auf die dieser öffnung gegenüber liegende Kathode auf. Diese Kathode wird dadurch stark erhitzt, was im Zusammenhang mit zerstäubtem und durch die ganze Ionenquelle zerstreutem Kathodenmaterial sehr nachteilig ist. Auch dauermagnetisches Material, das zur Erzeugung des genannten axialen Magnetfeldes verwendet wird und das sich, zum Erhalten eines möglichst starken Feldes, vorzugsweise in der unmittelbaren Nähe der , Kathode befinden muss, ist nicht gegen diese starke Erhitzung beständig.taken that a potential difference between an accelerating electrode and the cathode with the ion exit opening is applied. The accelerated ions then hit generally on a target, its shape is determined by the type of device in which the ion source is used. Part of the ions in the ion beam however, it ionizes the gas that is present in the space where the accelerating field prevails. The thereby formed electrons - if the ions supplied by the ion source are positive - negative ions or - if the Ion source supplies negative ions - positive ions are accelerated in the opposite direction by the accelerating field » As a result of the generally high acceleration voltage applied, these particles receive a large amount of energy, they happen the ion exit opening in the opposite direction and strike the cathode opposite this opening. These The cathode is strongly heated as a result, which is related to sputtered and scattered throughout the ion source Cathode material is very disadvantageous. Also permanently magnetic Material which is used to generate said axial magnetic field and which is used to obtain a possible strong field, preferably in the immediate vicinity of the cathode, is not against this strong heating resistant.
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Die Erfindung bezweckt, eine Ionenquelle zuThe invention aims to provide an ion source
schaffen, in der diese Nachteile nicht auftreten, was dadurqh erzielt wird, dass die erste Kathode und die Mittel zum Erzeugen eines axialen Magnetfeldes mit einer axialen Bohrung versehen werden und dass eine Kollektor-Elektrode auf der von der Anode abgekehrten Seite der ersten Kathode angebracht wird, Dadurch können die in entgegengesetzter Richtung beschleunigten Teilchen die erste Kathode passieren, wonach sie auf die Kollektor-Elektrode auftreffen, die derart angeordnet und aufgebaut werden kann, dass die entwickelte Wärme keine nachteiligen Folgen hat.create in which these disadvantages do not occur what dadurqh it is achieved that the first cathode and the means for generating an axial magnetic field with an axial bore and that a collector electrode is attached to the side of the first cathode facing away from the anode, This allows the particles accelerated in the opposite direction to pass the first cathode, whereupon they hit the Impinge collector electrode, which is arranged and can be built up so that the heat generated does not have any detrimental effect Has consequences.
Die Kollektor-Elektrode ist vorzugsweise mitThe collector electrode is preferably with
einer trichterförmigen Höhlung versehen, wodurch die entwickelte Wärme über ein grosses Gebiet verteilt wird.provided a funnel-shaped cavity, whereby the developed Heat is distributed over a large area.
Die Erfindung wird nachstehend an Hand derThe invention is described below with reference to
Zeichnung näher erläutert, deren einzige Figur einen Neutronengenerator zeigt, in dem die Ionenquelle nach der Erfindung verwendet wird. .Drawing explained in more detail, the only figure of which is a neutron generator shows in which the ion source of the invention is used. .
Der dargestellte Neutronengenerator ist vomThe neutron generator shown is from
abgeschmolzenen Typ und enthält in einer Umhüllung 1 ein Gasgemisch aus 50 fo Deuterium und 50 fo Tritium mit einem Druckmelted type and contains in an envelope 1 a gas mixture of 50 fo deuterium and 50 fo tritium at a pressure
_3
von etwa 5 x 10 mm Quecksilbersäule. Ein Druckregler 2
liefert das Gasgemisch und hält den Druck dieses Gemisches auf dem richtigen Wert.. Der Druckregler 2 enthält eine grosst
Menge des Gasgemisches, in feinverteiltem Titanpulver absorbiert,
und kann dieses Gemisch durch Erhitzung abgeben»_3
of about 5 x 10 mm of mercury. A pressure regulator 2 supplies the gas mixture and keeps the pressure of this mixture at the correct value. The pressure regulator 2 contains a large amount of the gas mixture, absorbed in finely divided titanium powder, and can release this mixture by heating »
Das Gemisch von Deuterium und Tritium wird inThe mixture of deuterium and tritium is in
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der Ionenquelle 3 ionisiert und ein Bündel positiver Deuteriumionen und Tritiumionen wird mittels der Beschleunigungselektrode k der Ionenquelle 3 entnommen. Die Ionenquelle 3 weist eine positive Spannung von 250 kV in bezug auf die Beschleunigungselektrode k auf. Das gebildete Ionenbündel passiert die Schirmelektrode 5 und trifft auf die Auftreffplatte 6 auf. Die Auftreffplatte 6 besteht aus einer Grundplatte 7 aus einem Material mit einem kleinen Absorptionskoeffizienten und einem kleinen Diffusionskoeffizienten für Deuterium und Tritium (z.B. Kupfer) und einer Reaktionsschicht 8 aus einem Material mit einem grossen Absorptionskoeffizienten ftii* Deuterium und Tritium. Die Reaktionsschicht 8 besteht aus einer 5 /um dicken Titanschicht.ionized from the ion source 3 and a bundle of positive deuterium ions and tritium ions is removed from the ion source 3 by means of the acceleration electrode k. The ion source 3 has a positive voltage of 250 kV with respect to the accelerating electrode k . The ion bundle formed passes the shield electrode 5 and strikes the impact plate 6. The impact plate 6 consists of a base plate 7 made of a material with a small absorption coefficient and a small diffusion coefficient for deuterium and tritium (eg copper) and a reaction layer 8 made of a material with a large absorption coefficient ftii * deuterium and tritium. The reaction layer 8 consists of a 5 μm thick titanium layer.
Die Auftreffplatte 6 ist, ohne dass sie mitThe target 6 is without it with
Deuterium und Tritium gesättigt ist, in dem Neutronengenerator angebracht und absorbiert in den ersten Betriebsstunden des Generators Deuterium und Tritium aus dem auf die Auftreffplatte 6 auftreffenden Ionenbündel. Das absorbierte Deuterium und Tritium kann nicht in erheblichem Masse zu Stellen der Auftreffplatte 6 wegdiffundieren, die tiefer als die Dicke der Reaktionsschicht 8 liegen, weil die Grundplatte 7 einen kleinen Absorptions- und Diffusionskoeffizienten für Deuterium und Tritium aufweist. Dies hat zur Folge, dass die Reaktionsschicht 8 immer stärker mit Deuterium und Tritium gesättigt wird, wodurch die Neutronenabgabe in Gang gesetzt wird. Die Neutronenabgabe wird insbesondere durch die Reaktion zwischen Deuterium und Tritium erzielt. Die Kollision mit einer EnergieDeuterium and tritium is saturated, placed in the neutron generator and absorbed in the first hours of operation of the Generator's deuterium and tritium from which on the target 6 impinging ion bundles. The absorbed deuterium and Tritium cannot diffuse away to a significant extent to locations on the target 6 that are deeper than the thickness of the Reaction layer 8 are because the base plate 7 has a small absorption and diffusion coefficient for deuterium and tritium. As a result, the reaction layer 8 becomes increasingly saturated with deuterium and tritium , whereby the neutron emission is set in motion. The neutron release is particularly due to the reaction between Deuterium and tritium achieved. The collision with an energy
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. . ■ 22)51720 .-■-.. . . ■ 22) 51720 .- ■ - ..
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von 250 keV zwischen einem Deuteriumkern und einem Tritiumkern liefert ein Neutron mit einer Energie von 14 MeV und ein Alpha-Teilchen mit einer Energie von 3t& MeV. Es sei; bemerkt, dass in geringem Masse auch Neutronen durch die Reaktion "-zwischen zwei Deuteriumkernen erhalten werden. Diese Neutronen weisen eine viel geringere Energie auf. Die Neutro.-· nen mit einer Energie von 14 MeV bilden die nutzliche Aus-of 250 keV between a deuterium nucleus and a tritium nucleus provides a neutron with an energy of 14 MeV and an alpha particle with an energy of 3t & MeV. Let it be; notes that neutrons are also obtained to a small extent through the reaction between two deuterium nuclei. These neutrons have a much lower energy. The neutrons with an energy of 14 MeV form the useful training
1212th
beute von etwa 10 Neutronen/sec des Generators. Diese Neutronenausbeute wird nach einigen Betriebsstunden erreicht, wenn die Sättigung der Reaktionsschicht 8 mit Deuterium und Tritium einen Gleichgewichtszustand erreicht hat.Loot of about 10 neutrons / sec of the generator. This neutron yield is reached after a few hours of operation, when the saturation of the reaction layer 8 with deuterium and tritium has reached a state of equilibrium.
Die Beschleunigungselektrode 4 weist ein negatives Potential von einigen Hundert Volt in bezug auf die Schirmelektrode 5 und die Auftreffplatte 6 auf, um zu verhindern, dass Sekundärelektronen, die auf der Auftreffplatte 6 gebildet werden, zu der Ionenquelle 3 beschleunigt werden. Der Neutronengenerator enthält weiter ein lonisationsmanometer 9 zum Kontrollieren des Gasdruckes.The accelerating electrode 4 has a negative potential of several hundred volts with respect to the Shield electrode 5 and the target plate 6 to prevent secondary electrons that are on the target plate 6 are formed to be accelerated to the ion source 3. The neutron generator also contains an ionization manometer 9 for controlling the gas pressure.
Die Ionenquelle 3 enthält eine Anode 10, eineThe ion source 3 includes an anode 10, a
erste Kathode 11 und eine zweite Kathode 12* Die Kathoden 11 und 12 weisen das gleiche' Potential auf. Die Anode 10 weist ein positives Potential von 3 kV in bezug auf die Kathoden 11 und 12 auf. Die Ionenquelle 3 enthält waiter einen Dauermagneten 13i der aus sechs dauermagnetischen Ringen besteht, die derart magnetisiert sind, dass ein axiales Magnetfeld mit einer zu dem Pfeil 14 parallelen Hauptrichtung erzeugt wird« Ein dauermagnetischer. Ring 15 ist derart 'magnetisiert, dassfirst cathode 11 and a second cathode 12 * the cathodes 11 and 12 have the same potential. The anode 10 has a positive potential of 3 kV with respect to the cathodes 11 and 12 on. The ion source 3 also contains a permanent magnet 13i which consists of six permanent magnetic rings that are magnetized in such a way that an axial magnetic field with a main direction parallel to arrow 14 is generated « A permanent magnet. Ring 15 is magnetized in such a way that
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dieses Feld in der Nähe der zweiten Kathode 12 verstärkt wird. Der Magnetkreis, von dem die Dauermagnete 13 und 15 einen Teil bilden, ist unter Umgehung der Anode 10 von der ferroraagnetischen Buchse 16 geschlossen. Die Anodenspannung wird über den Anschluss 17 zugeführt. Die Hochspannung, die die Kathoden 11 und 12 auf ein Potential von 250 kV in bezug auf die Beschleunigungselektrode k bringt, wird über den Anschluss 18 zugeführt.this field in the vicinity of the second cathode 12 is intensified. The magnetic circuit, of which the permanent magnets 13 and 15 form a part, is closed by the ferromagnetic socket 16, bypassing the anode 10. The anode voltage is supplied via connection 17. The high voltage, which brings the cathodes 11 and 12 to a potential of 250 kV with respect to the acceleration electrode k , is supplied via the connection 18.
Negative Ionen und Elektronen, die durchNegative ions and electrons passing through
Ionisation mittels des Ionenbündels in dem Gebiet 19 erzeugt werden, werden in Richtung auf die Ionenquelle 3 beschleunigt. Diese negativen Teilchen weisen beim Erreichen der Ionenquelle 3 eine umso grössere Energie auf, in je geringerer Entfernung von der Beschleunigungselektrode 4 sie erzeugt worden sind, und können so eine Energie von 250 keV aufweisen. Diese Teilchen passieren die Ionenaustrittsöffnung 20 in der zweiten Kathode 12 in umgekehrter Richtung, aber treffen in einer Ionenquelle nach der Erfindung nicht auf die erste Kathode 11 auf, wodurch diese: derart erhitzt werden würde, dass der Dauermagnet 13 beschädigt und Kathodenmaterial durch die ganze Ionenquelle hindurch zerstäubt werden würde. Die erste Kathode 11 und der Dauermagnet 13 sind nämlich mit einer axialen Bohrung 21 versehen, die die betreffenden Teilchen passieren, wonach sie auf eine Kollektor-Elektrode 22 auftreffen. Die Kollektor-Elektrode 22 weist das gleiche Potential fie die Kathoden 11 und 12 auf und ist derart montiert, dass die entwickelte Wärme keinen Schaden herbeiführenIonization generated by the ion beam in the region 19 are accelerated in the direction of the ion source 3. When they reach the ion source 3, these negative particles have the greater the energy, the closer they are to the acceleration electrode 4, and can thus have an energy of 250 keV. These particles pass the ion exit opening 20 in the second cathode 12 in the opposite direction, but do not hit the first cathode 11 in an ion source according to the invention, as a result of which it would be heated in such a way that the permanent magnet 13 is damaged and cathode material through the entire ion source would be atomized through. The first cathode 11 and the permanent magnet 13 are in fact provided with an axial bore 21 through which the relevant particles pass, after which they impinge on a collector electrode 22. The collector electrode 22 has the same potential as the cathodes 11 and 12 and is mounted in such a way that the heat generated does not cause any damage
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kann. Die Kollektor-Elektrode 22 ist mit einer trichterförmigen Höhlung 23 versehen, die dazu dient, die entwickelte Wärme über eine möglichst grosse Oberfläche zu verteilen. Es sei bemerkt, dass nur negative Teilchen mit grosser Energie die Kollektor-Elektrode 22 erreichen können. Negative Ionen und Elektronen, die bei einem lonisationsvorgang in der Ionenquelle selber erzeugt werden, können kein Potential erreichen, das niedriger als das Kathodenpotential ist^ so dass nur eingeringer Teil derselben die Bohrung 21, die einen Aequipotentialraum auf Kathodenpotential bildet, erreichen kann..can. The collector electrode 22 is funnel-shaped Cavity 23 is provided, which serves to distribute the heat developed over the largest possible surface. Be it notes that only negative particles with high energy can reach the collector electrode 22. Negative ions and Electrons that are generated in the ion source itself during an ionization process cannot reach a potential, that is lower than the cathode potential ^ so that only slightly Part of the same the bore 21, which forms an equipotential space at cathode potential, can reach.
Das lonenbündel, das der Ionenquelle 3 entnommen wird, weist eine Stromstärke von etwa 15 mA auf. Die Gasentladung in der Ionenquelle 3 führt einen Anodenstrom von etwa 50 mA herbei. Das beschleunigte lonenbündel mit einer Energie von 250 keV führt eine Neutronenausbeute vonThe ion beam which is taken from the ion source 3 has a current strength of approximately 15 mA. the Gas discharge in the ion source 3 leads to an anode current of about 50 mA. The accelerated ion beam with an energy of 250 keV leads to a neutron yield of
12
etwa 10. Neutronen/sec herbei. Der Neutronengenerator kann für wissenschaftliche Zwecke, wie Aktivierungsanalysen, verwendet
werden und eignet sich durch seine grosse Neutronenausbeute besonders gut zur Anwendung für medizinische Zwecke,
wie Krebstherapie, "Total body"-Aktivierungsanalysen und Messungen im Blutkreislauf»12th
about 10 neutrons / sec. The neutron generator can be used for scientific purposes, such as activation analyzes, and its large neutron yield makes it particularly suitable for medical purposes such as cancer therapy, "total body" activation analyzes and measurements in the bloodstream »
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