DE2657129C3 - Ladungsaustauscher - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Ladungsaustauscher mit den im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmalen. ίο

Ein Ladungsaustauscher dieser Art ist in »Soviet Physics - Technical Physics«, Bd. 12, No. 10, April 1968, Seiten 1331 bis 1335 beschrieben. Bei diesem bekannten Ladungsaustauscher tritt ein Strahl von Wasserstoffionen mit Kohlendioxid in Ladungsaustausch, das sich in einem Gehäuse befindet, in das es über eine in besonderer Weise geformte Düse eingebracht wird. Des weiteren sind in dem Gehäuse mehrere Blenden vorgesehen, die dazu dienen sollen, die Divergenz des Ionenstrahl in einem bestimmten Abschnitt zu ^r>o vermindern bzw. auszuschalten, um einen möglichst konzentrierten Neutralstrahl aus diesem Ionenstrahl zu gewinnen. Eine derartige Konzentrationsmethode für den Ionenstrahl ist aber zwangsläufig mit erheblichen Verlusten an Strahlteilchen verbunden, da für den austretenden Neutralstrahl nur die Ionen des primären Ionenstrahl wirksam werden, die mit der Gasfüllung im Ladungsaustauscher und nicht mit dessen Wänden in Wechselwirkung treten. Darüber hinaus können Blenden auch nicht den von der Raumladung innerhalb des Ionenstrahls ausgehenden Divergenzeffekt beseitigen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Ladungsaustauscher der eingangs erwähnten Art so auszugestalten, daß der austretende Neutralstrahl eine möglichst geringe Divergenz aufweist und insbesondere b^r> auch der divergierenden Wirkung von Raumladungen begegnet wird.

Die gestellte Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Ladungsaustauscher, wie er im Patentanspruch 1 gekennzeichnet ist, und vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Patentansprüchen 2 bis 6.

Die erfindungsgemäße Ausbildung des Ladungsaustauschers führt zu einer Fokussierung der Ionen bzw. der entsprechenden Atome oder Moleküle, wobei sich auch eine wesentliche Verbesserung im Wirkungsgrad für den Ladungsaustausch und damit für die Umwandlung der Ionen in Atome bzw. Moleküle erzielen läßt Die eintretenden Ionen ergeben nach dem Ladungsaustausch mit den Atomen oder Molekülen des Gases im Ladungsaustauscher neutrale Atome oder Moleküle mit einer längs der Gehäuseachse des Ladungsaustauschers gerichteten Geschwindigkeit bzw. kinetischen Energie sowie Ionen von geringer Energie, und diese Ionen werden durch die im Gehäuse des Ladungsaustauschers gemäß der Erfindung wirksam werdenden elektrisjhen Felder von neuem beschleunigt und können dann erneut mit den Atomen oder Molekülen der Gasfüllung im Gehäuse des Ladungsaustauschers in Ladungsaustausch treten, während sie dieses Gehäuse durchfliegen. Die Beschleunigung der noch entladenen Ionen wirkt gleichzeitig auch der Divergenzwirkung durch die Raumladung entgegen, so daß sich mit Hilfe eines erfindungsgemäß ausgebildeten Ladungsaustauschers auch Ionenstrahlen sehr hoher Intensität praktisch divergenzf^rei in Neutralstrahlen umwandeln lassen.

In der Zeichnung ist die Erfindung an Hand von Ausführungsbeispielen veranschaulicht; dabei zeigt

F i g. 1 eine schematische Darstellung zur Veranschaulichung der Arbeitsweise eines erfindungsgemäß ausgebildeten Ladungsaustauschers,

F i g. 2 ein erstes Ausführungsbeispiel in Form eines Ladungsaustauscher, in dessen Gehäuse mehrere durchlässige Gitter angeordnet sind, die gegenüber dem Gehäuse zunehmend negativere Potentiale aufweisen, und

F i g. 3 ein zweites Ausführungsbeispiel in Form eines Ladungsaustauschers mit einem Gehäuse, das in mehrere voneinander isolierte Teile unterteilt ist, die auf unterschiedlichem Potential liegen.

In F i g. 1 ist ein zylindrischer Ladungsaustauscher mit einer Achse Oz dargestellt, in den ein primärer Ionenstrahl Fi einfällt, der aus sich mit einer Geschwindigkeit V] längs der Achse Oz bewegenden Ionen A * zusammengesetzt ist. Im Inneren des Ladungsaustauschers treffen die Ionen auf neutrale Atome oder Moleküle A und reagieren gemäß der Beziehung

Am Ausgang des Ladungsaustauschers wird ein Neutralstrahl Fi erhalten, der durch Neutralisation des primären Ionenstrahls Fi entstanden ist. Zum Fokussieren oder Konzentrieren der Ionen nahe der Achse Oz des Ladungsaustauschers sind Einrichtungen M vorgej^ sehen, die parallel zur Achse Oz ein elektrisches Feld E erzeugen wie das in F i g. 1 dargestellt ist. Das elektrische Feld Ebewirkt, daß die geladenen Ionen des primären Strahls Fi oder die sekundären Ionen, die eine Ladungsaustausch-Kollision erfahren haben, einer Kraft Fparallel zur Achse Ozausgesetzt sind.

Der die Divergenz oder Streuung des Neutralstrahls F₂ messende oder bezeichnende Winkel β ist durch die

elektrische Einrichtung 11 zum Konzentrieren des Ionenstrahls Fj herabgesetzt

In Fig.2 ist ein Ausführungsbeispiel für einen Ladungsaustauscher dargestellt, der eine Reihe von Gittern 4, 6, 8 und 10 enthält, die über Isolierdurchführungen 12, 14, 16 und 18 auf negativem Potential gegenüber dem Gehäuse 2 des Ladungsaustauschers gehalten werden. Die Gitter 4, 6, 8 und 10 liegen auf negativen Potentialen — Vl, — V2, — V3 bzw. — K₄, deren Absolutwert in dieser Reihenfolge ansteigt. Es gilt also V₁ < V₂ < V₃ < V*.

Bei einem einen Ionenstrahl der Energie 5000 eV verwendenden Ausführungsbeispiel ist das erste Gitter 4 gegenüber dem Gehäuse 2 des Ladungsaustauschers isoliert und liegt beispielsweise auf —1000 V. Die anderen Gitter liegen auf - 3000, - 5000 bzw. - 7000 V. Unter diesen Bedingungen verläuft der primäre Ionenstrahl Fi nahe der Achse Oz des Gehäuses 2, und der Ladungsaustausch erzeugt in mehreren Stufen wirksam einen Atom- oder Molekül-Sttahl, der im wesentlichen diese axiale Richtung besitzt. Andererseits schlagen die positiven Ladungen nicht auf das Gehäuse 2 des Ladungsaustauschers auf. Beispielsweise sind die Bestandteile des Atomstrahls und des Ionenstrahl Argon. Wenn das Gehäuse 2 des Ladungsaustauschers gasförmiges Argon enthält und die Primärionen Ionen Ar⁺ sind, erzeugen die Ionen Argonatome, die am Ausgang eine Energie zwischen beispielsweise 6000 und 12 00OeV besitzen.

Wie bereits erwähnt, erhöht die Fokussierungseinrichtung mittels des elektrischen Feldes E oder des magnetischen Feldes B die Intensität oder Stärke des ausgangsseitigen Molekül- oder Atomstrahls F2. Anstatt eines Wirkungsgrades von z. El. 0,8 bei 5000 eV für den Ladungsaustausch wird ein Wirkungsgrad von 0,70 für Energien zwischen 6000 und 12 00OeV erhalten sowie darüber hinaus ein Nutzwirkungsgrad der Größenordnung von 0,4 für Energien zwischen 0 und 6000 eV. Bekanntlich ist der Wirkungsquerschnitt für den Ladungsaustausch größer, wenn die Primarionen eine geringere Energie besitzen. Bei einem praktisch gebauten Molekülstrahlvervielfacher konnte ausgehend von einem Ionenstrahl von 50 mA bei 5 keV ein beschleunigter Ionenstrahl im Inneren des Gerätes erhalten werden, aus dem sich am Ausgang ein neutraler Atomstrahl von beispielsweise 60 bis 80 mA mit einer Energie zwischen 1 und 12keV erhalten ließ. Der Neutralladungsstrahl am Ausgang ist ah>o 1,5- bis 3mal größer als ohne die Einwirkung der elektrischen Fokussierungseinrichtung.

In F i g. 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel dargestellt, bei dem gleiche Bezugszeichen gleiche Bauteile wie in F i g. 2 bedeuten. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind verschiedene Teile 20, 22, 24 des Gehäuses 2 durch Isolierstücke aus z. B. Polyvinyltetrafluorid voneinander getrennt und liegen auf verschiedenen positiven Potentialen.

Grundsätzlich kann das Gehäuse des Ladungsaustauschers jede beliebige Form besitzen, wie Zylinderform, Parailefepipedform usw. Dabei können stets die gleichen Einrichtungen zum Fokussieren des lonenstrahls längs der Achse des Gehäuses des Ladungsaustauschers verwendet werden. Schließlich können komplementäre Einrichtungen zum Fokussieren und zum Beschleunigen des Ionenstrahls in unmittelbarer Nähe des Gehäuses des Ladungsaustauschers verwendet werden. Statt dessen kann auch ein thermischer oder ein Überschall-Molekülstrahl senkrecht zum Ionenstrahl eingesetzt werden, der z. B. zwischen zwei Gittersystemen angeordnet ist, die den primären Ionenstrahl beschleunigen. Das heißt, die den Ladungsaustausch bewirkenden neutralen Teilchen können zu einer Gesamtgeschwindigkeit angeregt werden, wie dies auch bei einem von D e ν i e η η e und S ο u q u e t angegebenen Verfahren mit zwei gekreuzten Strahlen bzw. Strahlenbündeln geschieht, das zum Neutralisieren eines Ionenstrahl ohne Beschleunigung dient.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

1. Patentansprüche:

   t. Ladungsaustauscher mit einem ein Gas enthaltenden Gehäuse zum Herstellen eines Neu- s tralstrahls aus einem Strahl positiv geladener Ionen, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb der Ladungsaustauschstrecke (Gehäuse 2) elektrische Felder (E) angelegt werden, die noch nicht entladene Ionen auf die Strahlachse (Oz)lenken.
2. 2. Ladungsaustauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrischen Felder (E) zwischen zur Strahlachse (Oz) senkrecht stehenden Gittern (4 bis 10) angelegt sind und daß die elektrischen Felder auf die Ionen beschleunigend wirken.
3. 3. Ladungsaustauscher nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (2) auf einem gegenüber den Gittern (4 bis 10) positiven Potential liegt.
4. 4. Ladungsaustauscher nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (2) aus mehreren voneinander isolierten Teilen (20 bis 24) besteht, die auf verschiedenen Potentialen liegen können.
5. 5. Ladungsaustauscher nach einem der Ansprüche r-> 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas im Gehäuse (2) und der Ionenstrahl (Fi) aus Atomen oder Molekülen bzw. Ionen derselben Art bestehen.
6. 6. Ladungsaustauscher nach einem der Ansprüche

   1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas im jo Gehäuse (2) in Form eines thermischen oder eines Überschallstrahls von Molekülen bzw. Atomen enthalten ist.