DE2362723C3 - Ionenquelle zur Erzeugung einfach und/oder mehrfach geladener Ionen - Google Patents

Description

doch erfordert bei den Penning-Ionenquellen mit kalten Kathoden bzw. selbstgeheizten Kathoden die Notwendigkeit der Formierung des Entladungsstromes ein intensives Bombardement der Kathode'i, wodurch eine empfindliche Lebensdauerbegrenzung infolge Kathodenzerstäubung auftritt bzw. die Entladungsstromstärke reduziert werden muß, was geringere Intensitäten der erzielbaren Ströme hochgeladener Ionen mit sich bringt

Außerdem wird bei den Penning-Ionenquellen die Primärelektronenenergie nicht in weiten Grenzen variierbar, ohne daß ungünstige Nebenwirkungen auftreten. Bei Ausführungsformen mit fremdgeheizten Kathoden ist meist eine indirekte Heizung durch Elektronenbombardement üblich, was wiederum erhöhten technischen Aufwand und größeren Leistungsbedarf mit sich bringt.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Ionenquelle zur Erzeugung einfacher i:-ad/oder mehrfach geladener Ionen mit variierbarer Ladungszustandsdichteverteilung zu erhalten, bei der die Entladungsspannung zur Erzeugung hochgeladener Ionen derart erhöht werden kann, daß der größte Teil dieser Spannung infolge Gradientenbildung im anodischen Entladungsbereich anfällt.

Die Lösung dieser Aufgabe ist in dem kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 beschrieben.

Weiterführungen und vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den weiteren Ansprüchen wiedergegeben.

Die besonderen Vorteile der erfindungsgemäßen Ionenquelle bestehen darin, daß die Primärelektronen, welche in ari sich bekannter Weise aus einer komprimierten Niedervoltbogenentladung erzeugt werden, in den Hochladungsionisationsbereich derart eingeschlossen werden, daß sie die zur Aufrechterhaltung ihrer Stromdichte notwendigen lonisationsakte nicht in einem einzigen Prozeß, sondern in mehreren aufeinanderfolgenden durchführen können, indem es ihnen ermöglicht wird, infolge der Einwirkung einer Reflektor-Elektrode mehrmals zwischen dieser und der Kompressionselektrode hin und her zu pendeln. Dies ist u. a. durch die geeignete Anpassung der Abmessungen von Kompressionselektrodenöffnung, Anodenöffnung und Emissionsöffnung in der Reflektorelektrode möglieh, so daß gleichzeitig im Kathodenraum derart hohe Gasdrücke zu erhalten sind, daß bei Strömen von etwa 1 bis 2 A ruhiger Niedervoltbogen-Betrieb eingehalten werden kann und ein kleiner Kathodenfall eine hohe Kathodenlebensdauer garantiert sowie im anodischen lonisationsraum der Druck derart gesenkt werden kann, daß die Erzeugung hochgeladener Ionen mit hohem Anteil möglich ist.

Auf diese Weise ist es im Gegensatz zur Duoplasmatron-Hochladungsionenquelle möglich, die Energie der Primärelektronen in Abhängigkeit vom Arbeitsgasdruck auf wesentlich höhere Werte zu steigern, was sich günstig für die Erzielung hoher Ladungszustände auswirkt. Andererseits ist im Gegensatz zur Penning-Ionenquelle diese Energiesteigerung unabhängig vom Material der Kompressions- bzw. Reflektorelektrode erzielbar.

Auf diese Weise kann die Primärelektronen-Energie im Gegensatz zu den anderen bekannten Typen von Hochladungsionenquellen im weiten Rahmen variiert werden, was die Möglichkeit eröffnet, daß die Charakteristik der lonenladungsverteilung unter Rücksichtnahme auf die Ionenquelle-Lebensdauer den jeweiligen Erfordernissen optimal angepaßt werden kann.

Weiterhin ist es von Vorteil, daß durch die Ausbildung des magnetischen Kreises die Erzeugung geeignet geformter Magnetfelder im anodischen Entladungsbereich ermöglicht wird, um die Entstehung hochgeladener Ionen zu erleichtern. Der Magnetfeldverlauf im Bereich der Kompressionselektrode· Anode-Reflektorelektrode ist nämlich derart ausgebildet, daß im Innern der Anodenöffnung axial ein Magnetfeldmaximum auftritt, welches nach den beiden Seitenelektroden hin vollkommen symmetrisch abfällt; in radialer Richtung handelt es sich um eine sogenannte »minimum B«-Geometrie, d. h., die Feldstärke nimmt über den Querschnitt des ionisationsraumes nach außen hin zu. Diese Magnetfeldkonfiguration fördert die Vergrößerung der Ioneneinschlußzeit.

Weiterhin ist ein besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen Ionenquelle darin zu sehen, daß bei ihrem Betrieb die Wahl der Materialien an der Front von Kompressions- und Reflektoi elektrode frei ist, so daß sich die gute Möglichkeit ergibt, durch Einsatz verschiedener Metalle deren hochgeladene Ionen in bequemer Weise zu erzeugen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels mittels einer Figur näher erläutert.

Die Figur zeigt einen Schnitt durch eine rotationssymmetrische Anordnung, wobei die Achse 1 die Symmetrieachse bildet. Der Kathodenraum 2 wird im wesentlichen becherförmig von einer Kompressionselektrode 3 und einer Abdeckplatte 4, durch welche die Zuführungen 5 und 6 für eine Glühkathode 7 isoliert hindurchgeführt sind, eingeschlossen. Die Kompressionselektrode 3 besteht aus magnetischem Edelstahl und weist eine Durchtrittsöffnung 8 am spitzen Ende eines Konusses auf, der der Glühkathode 7 gegenüberliegt. Die Durchtrittsöffnung 8 besitzt einen Durchmesser von 2,5 mm und eine Länge von 10 mm und ist zum Anodenraum 9 hin konisch sich erweiternd ausgebildet. In dieser Ausführungsform ist die Durchtrittsöffnung 8 von einem Einsatz 10 umgeben, welcher aus magnetischem Material oder aus dem zu verdampfenden Material bestehen kann. Die Kompressionselektrode 3 ist weiterhin über die Dichtung 11 an die Abdeckplatte 4 angeflanscht. In der Abdeckplatte 4 befindet sich eine Durchtrittsöffnung 12, durch welche in den Kathodenraum 2 ein Arbeitsgas wie z. B. UFö, Argon oder ein anderes Edelgas eingefüllt werden kann. Der Druck des Arbeitsgases im Kathodenraum 2 ist über eine nicht nähei dargestellte Ventilanordnung bzw. Pumpenanordnung einstellbar und liegt in der Größenordnung von 13 bis 1,3 Pa.

An die Kompressionselektrode 3, deren Stirnfläche 13 zumindest stückweise glatt ausgebildet ist, schließt sich ein Anodenring 14 an, der von einem Halterungsring 15 und einem Befestigungsring 16 gefaßt ist. Der Halterungsring 15 ist an der Kompressionselektrode bzw. einem Teilstück davon über die Dichtungen 17 und 18 sowie den Isolationsring 19 dicht und elektrisch isoliert gehaltert. Die Durchtrittsöffnung 20 des Anodenringes 14 hat einen Durchmesser von ca. 10 mm. Das Material des Anodenringes 14 ist Wolfram oder Kupfer, das des Halterungs- und Befestigungsringes 15 bzw. 16 ist Kupfer. Das Potential der Anode 14 liegt für Argon als Arbeitsgas bei 50 bis 500 Volt gegenüber der Kompressionselektrode 3. Auch die Stirnflächen 21 und 22 der Anode sind elatt.

Der Stirnfläche 22 der Anode 14 steht eine ebenfalls ring- bzw. scheibenförmig ausgebildete Reflektorelektrode 23 gegenüber, die auf dem gleichen Potential wie die Kompressionselektrode 3 liegt. Sie kann vollständig aus Kupfer bestehen bzw. einen Einsatz 24 aufweisen, der in Richtung Anode 14 konisch sich erweiternd ausgebildet ist und eine Durchtrittsöffnung 25 der Länge von 0,5 mm und einem Durchmesser von 1,2 mm aufweist. Der Einsatz 24 kann aus dem gleichen Material wie der Einsatz 10 in der Kompressionselektrode bestehen und zur Erzeugung von hochgeladenen und/oder einfachgeladenen Festkörperionen verwendbar sein.

Der Ring der Reflektorelektrode 23 kann auf einem Teil 26 aus magnetischem Edelstahl festgeschraubt sein, weiches wiederum Teil des Bodens eines Napfes 27 ist. Das Teil 26 kann in der der Stirnfläche 28 der Reflektorelektrode 23 entgegengerichteten Seite konisch sich erweiternd ausgebildet sein und weist eine an die Durchtrittsöffnung 25 anschließende Durchtrittsöffnung 29 von ca. 10 mm Durchmesser auf. Hieran schließt sich eine Ziehelektrode 30 an, welche auf ca. 20 kV liegt und im einzelnen nicht näher dargestellt ist. Das Vakuum auf dieser Seite liegt in der Größenordnung von 1,3 - 10-" PA.

Die Reflektorelektrode 23 bzw. der Boden des Napfes 27 ist über die Dichtungen 31 und 32 sowie den Isolationsring 33 an den Halterungsring 15 der Anode 14 angeflanscht, gepreßt bzw. geschraubt.

Im Anodenraum 9 wird ein Druck von ca. 0,13 Pa aufrechterhalten, was durch die Dimensionierung der Durchtrittsöffnung 8 der Kompressionselektrode 3 sowie der Durchtrittsöffnung 25 der Reflektorelektrode 23 und des eingestellten Druckes innerhalb des Kathodenraumes 2 erreichbar ist.

Zur Kühlung der Kompressionselektrode 3, der Anode 14 und der Reflektorelektrode 23 sind Kühlkanäle 34, 35 und 36 vorgesehen, welche von außerhalb der Quelle mit Wasser oder einem anderen Kühlmedium beaufschlagt werden können. Die Kühlmittelzuführung sowie deren Regelung, ist im einzelnen nicht näher dargestellt.

Um ein Teil der Kompressionselektrode 3, insbesondere dem vorderen zur Anode 14 hinweisenden Teil, um die Anode 14 und um die Reflektorelektrode 23 herum ist eine Magnetspule 37 angeordnet, welche von dem Napf 27 sowie einem Ring 38 eingeschlossen ist wobei der Ring 38 selbst zusätzlich noch die Kompressionselektrode 3 halten. Die Versorgung der Spule 37, die auch aus zwei Teilspulen bestehen kann, erfolgt über die Strom- und Spannungszuführungen 39 und 40. Die Spule 37 ist in der Lage, innerhalb des Anodenraumes 9 zumindest streckenweise ein Magnetfeld in der

^r, Größenordnung von 0,05 bis 0,5 T zu erzeugen. Weiterhin ist die Spule 37 derart ausgebildet bzw. gewickelt, daß im Innern der Anodenöffnung 20 axial ein Magnetfeldmaximum auftritt, welches nach den beiden Seitenelektroden (Kompressionselektrode 3 und

κι Reflektorelektrode 23) hin vollkommen symmetrisch abfällt. In radialer Richtung ist ein sogenanntes minimum-B-Geometriefeld ausgebildet, d. h. die Feldstärke nimmt über den Querschnitt des Ionisationsraumes bzw. Anodenraumes 9 nach außen hin zu.

Die Ionisation erfolgt derart, daß von der Anode 14 elektronen aus dem Kathodenraum 2 durch die Durchtrittsöffnung 8 hindurchtreten und dort das Gas ionisieren. Die freie Weglänge dieser Elektronen ist aber durch die Magnetfeldkonfiguration sowie durch den Druck von 0,13 Pa im Anodenraum 9 so groß (zumindest größer als der Abstand zwischen Reflektor- und Kompressionselektrode 23 bzw. 3), daß sie von der Reflektorelektrode 23 reflektiert und entlang der Symmetrieachse 1 wiederum zur Kompressionselektrode 3 hingeführt werden. Sie gewinnen dabei so viel Energie, daß sie mehrere lonisationsprozesse erzeugen können.

Außerdem können Ionen, welche im Anodenraum 9 erzeugt wurden, durch die Durchtrittsöffnung 8 der

jo Kompressionselektrode 3 in den Kathodenraum 2 eindringen und somit dafür sorgen, daß das Druckgefälle zwischen beiden Räumen 2 und 9 erhalten bzw. sogar noch verbessert wird und dadurch die freie Weglänge der Elektronen noch erhöht wird. Weiterhin ist es möglich, diese Ionen dazu zu verwenden, bei ihrem Auftreffen auf die Einsätze 10 bzw. 24 in der Kompressionselektrode 3 bzw. Reflektorelektrode 23 aus dem Material Atome des Materials herauszuschlagen (dies geht insbesondere dann, wenn im Anodenraum 9 ein Hilfsgas eingeführt wurde), die dann durch die Elektronen selbst hochionisiert werden. Die hochgeladenen Ionen treten dann durch die Durchtrittsöffnung 25 der Reflektorelektrode 23 aus und können als Strahl weiterverwendet werden. In der vorliegenden Anordnung ist ein Ionenstrom von ca. 1 bis 10 mA erzeugbar. Als Material für die Einsätze 10 und 24 ist praktisch jedes Material denkbar, welches über entsprechende Temperatur- und Festigkeitseigenschaften verfügt

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

1 Patentansprüche:

1. Ionenquelle zur Erzeugung einfach und/oder mehrfach geladener Ionen mit variierbarer Ladungszustandsdichteverteilung mit einer Glühkathode, einer Kompressionselektrode, einer Anode und einer Reflektorelektrode, wobei die Reflektorelektrode auf der der Kompressionselektrode gegenüberliegenden Seite der Anode angeordnet ist, mit einem aus einem Kathoden- und einem Anodenraum bestehenden Niederdruckgasentladupgsraum, in dem ein Druck in der Größenordnung von 0,13 Pa aufrechterhalten wird, wobei der Kathodenraum durch die Kompressionselektrode begrenzt ist und der Anodenraum zwischen Kompressions- und Reflektorelektrode liegt und wobei die int Kathodenraum erzeugten Elektronen in den Anodenraum emittiert und von der Reflektorelektrode in den Anodenraum reflektiert werden, und mit einer ein Magnetfeld in der Größenordnung von 0,1 T entlang einer Symmetrieachse für Durchtrittsöffnungen von Kompressionselektrode, Anode und Reflektorelektrode erzeugenden Spule, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchtrittsöffnung (8) der Kompressionselektrode (3) einen Durchmesser der Größenordnung von 2,5 mm und eine Länge der Größenordnung von 10 mm und die Durchtrittsöffnung (25) der Reflektorelektrode (23, 24) einen Durchmesser der Größenordnung von 1,2 mm und eine Länge der Größenordnung von 0,5 mm aufweisen, wodurch unter Aufrechterhaltung des Druckes im Anodenraum (9) in der Größenordnung von 0,13 Pa im Kathodenraum (2) ein Druck in der Größenordnung von 13 bis 1,3 Pa erzeugbar ist, daß das von der Spule (37) erzeugte Magnetfeld entlang der Symmetrieachse (1) symmetrisch zur Durchtrittsöffnung (20) in der Anode (14) ist, und daß die Feldstärke über den Querschnitt des Anodenraumes (9) in radialer Richtung gemäß einer minimum-B- «to Geometrie nach außen hin zunimmt.

2. Ionenquelle nach Anspruch 1 zur Erzeugung von Festkörperionen, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchtrittsöffnung (25; 8) von Reflektorelektrode (23) und/oder Kompressionselektrode (3) von Einsätzen (24; 10) umgeben sind, die den Festkörper enthalten, der durch Beschüß mit Ionen eines Hilfsgases zerstäubbar ist.

3. Ionenquelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einsätze (10,24) aus nichtmagnetischem Material bestehen.

4. Ionenquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kompressionselektrode (3), die Anode (14) und die Reflektorelektrode (23) in einem gemeinsamen Gehäuse (27, 38) sitzen und daß die Kompressionselektrode (3), die Anode (14) und Reflektorelektrode (23) über Kanäle (34,35, 36) kühlbar sind.

5. Ionenquelle nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Hilfsgas ein Edelgas ist.

6. Ionenquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetische Flußdichte des von der Spule (37) erzeugten Magnetfeldes zwischen 0,05 und 0,5 T liegt.

Die Erfindung betrifft eine Ionenquelle zur Erzeugung einfach und/oder mehrfach geladener Ionen mit variierbarer Ladungszustandsdichteverteilung mit einer Glühkathode, einer Kompressionselektrode, einer Anode und einer Reflektorelektrode, wobei die Reflektorelektrode auf der der Kompressionselektrode gegenüberliegenden Seite der Anode angeordnet ist, mit einem aus einem Kathoden- und einem Anodenraum besiehenden Niederdruckgasentladungsraum, in dem ein Druck in der Größenordnung von 0,13 Pa aufrechterhalten wird, wobei der Kathodenraum durch die Kompressionselektrode begrenzt ist und der Anodenraum zwischen Kompressions- und Reflektorelektrode liegt und wobei die im Kathodenraum erzeugten Elektroden in den Anodenraum emittiert und von der Reflektorelektrode in den Anodenraum reflektiert werden, und mit einer ein Magnetfeld in der Größenordnung von 0,1 T entlang einer Symmetrieachse für Durchtrittsöffnungen von Kompressionselektrode, Anode und Reflektorelektrode erzeugende Spule. Eine derartige Ionenquelle ist aus dem Report BNL 767, Brookhaven, 1962, S. 224—253 bekannt.

Für die Schwerionenphysik und die Schwerionentechnologie ist die Bereitstellung leistungsfähiger Hochladungsionenquellen mit einfacher Bedienbarkeit und möglichst großer Lebensdauer ein grundlegendes Erfordernis. Die hochgeladenen Ionen selbst können prinzipiell dadurch erzeugt werden, daß Atome des betreffenden Stoffes einem Bombardement mit Elektronen hoher Stromdichte und zweckdienlich gewählter Energie ausgesetzt werden; dabei ist durch geeignete Maßnahmen dafür zu sorgen, daß sich die einzelnen Gasteilchen möglichst lange im Ionisationsraum aufhalten.

Bei der bekannten Ionenquelle wird eine Möglichkeit des Pendeins der Primärelektronen im anodischen Bereich dazu verwendet, um beim Betrieb mit Wasserstoffgas die Anteile der Atom- und Molekülionen im extrahierten Strahl zu steuern. Diese sog. Duo-Pigatron-Ionenquellen sind Weiterentwicklungen der Duoplasmatron-Ionenquellen unter Beifügung einer weiteren Elektrode, welche die durch die Anode fliegenden schnellen Elektronen abbremst und evtl. reflektieren kann, so daß eine bessere Ausnützung dieser Elektronen stattfinden kann. Dadurch gelingt es, den Wirkungsgrad der Ionenquelle einerseits zu verbessern, andererseits den emittierten Ionenstrom zu erhöhen und vor allem die Ausbildung eines großen, gleichmäßigen Plasmamenikus in der Expansionsregion der Reflektorelektrode zu erreichen, um damit eine Verbesserung der Ionenstrahlqualität zu erzielen. Einer Verwendung dieser Ionenquelle als Hochladungsionenquelle jedoch steht entgegen, daß ihre Konzeption eine zur Erzeugung wesentlicher Anteile hochgeladener Ionen ausreichende Anhebung der Primärelektrodenenergie deshalb nicht zuläßt, weil im Verlaufe der dazu notwendigen Druckabsenkung des Arbeitsgases die kathodische Entladung nicht mehr existenzfähig bleibt.

Bei der Duoplasmatron-Ionenquelle selbst ist (Unilac-Projektberichte Nr. 8 und 9,GSI 73-4 bzw. 73-9,1973 die Energie der ionisierenden Primärelektronen aufgrund der Eigenheiten der Entladungsstruktur begrenzt, weshalb für jedes Element die erreichbare lonenladungszahl in vorhersehbarer Weise nach oben hin beschränkt wird.

Eine weitere bekannte als Penning-Ionenquelle (IEEE Trans. Nucl. Sei., NS-19/2, S. 48-66, 1972) bezeichnete Quelle erlaubt es, höhere Ladungszustände zu erreichen,