DE2738405A1

DE2738405A1 - Tandemionenbeschleuniger mit materiefreiem ionenumladebereich

Info

Publication number: DE2738405A1
Application number: DE19772738405
Authority: DE
Inventors: Eberhard F Dr Krimmel
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1977-08-25
Filing date: 1977-08-25
Publication date: 1979-03-01
Also published as: GB2003318A; GB2003318B; US4209704A; JPS5445496A; DK373178A

Description

AETIENGESELLSCHAfI¹ ^ Unser Zeichen Berlin und Minchen ^ TPA 77 P 7 1 0 6 BRO

Tandemionenbeschleuniger mit materiefreiem Ionenumladebereich.

Die Erfindung betrifft einen Tandemionenbeschleuniger mit materiefreiem Ionenumladebereich, wie er im Oberbegriff des Patentanspruches 1 näher angegeben ist.

Zur Dotierung von Festkörpern mit Fremdelementen, zur Anwendung in der medizinischen Heilpraxis, zur Untersuchung von Reaktionen zwischen energetischen Teilchen In den verschiedenen Aggregatzuständen u.s.w. werden in der Forschung und in rapide steigendem MaBe auch in der Industrie schnelle, d.h.

hochenergetische Ionen angewendet. Nach dem heutigen Stand der Technik werden schnelle Ionen bevorzugt über Linearbeschleuniger, Ringbeschleuniger und Elektronenringbeschleuniger gewonnen.

Industriell werden im mittleren Energiebereich Linearbeschleuniger hauptsächlich auf dem Gebiet der Ionenimplantation eingesetzt. Einfache Linearbeschleuniger, z.B. nach dem Tan de Graaff-Prinzip, finden die häufigste Anwendung. Diese Beschleuniger bestehen aus einer einfachen, ein- oder mehrgliedrigen Beschleunigungsstrecke. Im allgemeinen liegt die Ionenquelle auf Hochspannung, das Objekt auf Erdpotential und der Massen-Separator entweder auf Erdpotential oder auf Hochspannung. Andere kompliziertere Betriebsweisen haben sich nicht durchgesetzt.

909809/0517 SIz 1 BIa / 18.8.1977

Werden Beschleunigungsspannungen Im MeY-Bereich benötigt, so werden die auf Hochspannung liegenden Teile und die Beschleunigungsstrecke in Hochdrucktenks betrieben, um die bei Atmosphärendruck sonst notwendigen großen und damit untragbaren Sicherheitsabstände gegen Überschläge wesentlich zu verringern. Man nimmt dabei den Nachteil in Sauf, daß die Ionenquelle,, die eine häufige Wartung benötigt, nur noch unter großem Aufwand zu erreichen ist. Eine oft erwünschte Yor«erlegung des Ionenstrahles ist ebenfalls praktisch nicht mehr möglich. Hochstromionenquellen werden deshalb in solchen Anlagen bis heute nicht eingesetzt.

Das Problem, daß die empfindlichen Teile einer Beschleunigungsanlage auf Hochspannung liegen und in einem Drucktank angeordnet sind, kann durch Tandembeschleuniger umgangen werden. Beim Tandembeschleuniger emittiert ein auf Erdpotential liegender Injektor (Ionenquelle und Massenseparator) negative Ionen in eine Beschleunigungsstrecke, deren Ende also auf Hochspannung liegt. Im anschließenden Gas- oder Festkörpertarget werden diese negativen Ionen durch Zusammenstöße mit den Targetatomen durch Elektronenentzug zu positiven Ionen umgeladen. In einer zweiten anschließenden Beschleunigungsstrecke, deren Ende nun auf Erdpotential liegt, werden die nun positiven Ionen nochmal beschleunigt und erhalten somit die doppelte Energie. Die Ionen können nochmal separiert werden. Das Bestrahlungsobjekt liegt auf Erde.

Ein Nachteil dieser Anordnung besteht darin, daß die Ausbeute an negativen Ionen am Injektorausgang gering ist und daß durch die Wechselwirkung der negativen Ionen mit dem Umladetarget verschiedene positive Ladungszustände mit einer Energieverbreitung gegenüber dem einfallenden Strahl und mit einer Erhöhung der Strahldivergenz entstehen. Dies bedeutet eine Reduktion der Strahlintensität. Tandembeschleuniger sind daher in vielen Dingen den einfachen Beschleunigern vorzuziehen, liefern jedoch nur geringe Ionenströme.

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Weitere Nachteile der konventionellen Tandembeschleuniger

ergeben sich daraus, daß durch die Wechselwirkung der ursprünglich negativen Ionen mit den neutralen oder geladenen Atomen oder Molekülen der Materie des Umladetargets eine 7erteilung über die verschiedenen möglichen positiven Ladungazustände entsteht. Bei der Anwendung ist man Jedoch meist auf einen monoenergetischen Teilchenstrahl angewiesen, muß also aus den Ionen verschiedener Ladungszustände Ionen eines einzigen Ladungszustandes ausfiltern· Das Ausfiltern reduziert die Ionenausbeute· Durch die Wechselwirkung der Ionen im Umladetarget treten Streuprozesse auf, so daß die Teilchen aus ihrer ursprünglichen Bahn abgelenkt werden. Dadurch weitet sich das Ursprungsstrahlenbündel auf. Diese Aufweitung vermindert ebenfalls die Strahlintensität. Ebenso kann unter Umständen die durch den Streuprozeß bewirkte normale Verbreiterung der Ionenenergie stören. Feste Umladetargets bestehen aus dünnen Folien, die schnell unbrauchbar werden, so daß die Druckkammer zum Folienwechsel häufig geöffnet werden muß. Gastargets bringen Yakuumprobleme, d.h.

Evakuierungsprobleme mit sich, die sich auch durch die unerwünschte Entstehung von durch Sekundärelektronen hervorgerufener intensiver Röntgenstrahlung äußert.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Tandembeschleuniger mit einem Umladebereich anzugeben, in dem im wesentlichen nur Ionen eines positiven, frei wählbaren Ladungszustandes mit einem Ionenstrahlbündel geringer Divergenz hergestellt werden.

Diese Aufgabe wird durch einen wie im Oberbegriff des Patentanspruches 1 angegebenen Tandembeschleuniger gelöst, der erfindungsgemäß nach der im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 angegebenen Weise ausgestattet ist.

Bevorzugte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Tandembeschleunigers sind in den Unteransprüchen angegeben.

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Gemäß der Erfindung werden die zuvor genannten Nachteile der Entstehung verschiedener Ladungszustände, der Strahlverbreiterung u.s.w. vermieden, indem der Umladebereich materiefrei bleibt und die Umladung der negativen Ionen durch deren optische Anregung die Absorption elektromagnetischer Strahlung mit Frequenzen bevorzugt in den zugehörigen Resonanzbereichen erfolgt. Als Quelle für die elektromagnetischen Strahlen werden bevorzugt Laser verwendet, weil diese eine besonders hohe Bestrahlungsdichte im Umladebereich herzustellen gestatten. Durch Einsatz ein oder mehrerer Laser geeigneter Emissionsfrequenzen kann entsprechend der Anregungswahrscheinlichkeit der Ionen dann ein gewünschter spezieller Ladungszustand mit hohem Anteil erzeugt werden. Der Vorteil der Verwendung elektromagnetischer Strahlung zur Umladung liegt auch darin, da6 die als Lichtquellen verwendeten Laser außerhalb des Drucktankes und damit auf Erdpotential liegen können. Die elektromagnetische Strahlung wird dem Umladebereich durch Fenster und über Spiegel zugeführt.

Im folgenden wanden der erfindungsgemäße Tandemionenbeschleuniger und seine Wirkungsweise anhand eines in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert.

Fig.1 zeigt schematisch den allgemeinen Aufbau des Tandemionenbeschleunigen,

Fig. 2 stellt ausschnittsweise den Umladebereich des in Fig.1 erläuterten Tandemionenbeschleunigers dar.

An einer Ionenquelle 1 für negative Ionen ist ein Eztraktionssystem 2 zum Extrahieren und Beschleunigen negativer Ionen auf Energie von einigen keV, z.B. von 20 keV, angebracht. Der Ausgang 3 des Extraktionssystems 2 liegt auf Erdpotential, die Ionenquelle liegt dementsprechend auf negativem Potential. Dieses Potential ist so gering, daß keine besonderen Maßnahmen, wie z.B. ein Drucktank, erforderlich sind. Die Ionenquelle

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ist also problemlos zugänglich. An den Ausgang 3 des Extrak-. tionssystems 2 achlleBt sich unmittelbar ein auf Erdpotential liegender Separator 4 an, der z.B. ein magnetischer Massenseparator ist. Diese vorgenannten Teile 1 bis 4 sind zum Schutz gegen Berührung mit einem geerdeten Gehäuse 5 umgeben. Die Teile 1 bis 5 zusammengenommen werden im folgenden auch als Injektor bezeichnet. An den Injektor ist eine erste Hochspannungsbeschleunigungsstrecke 7 zur Beschleunigung negativer Ionen angeschlossen. Anschließend an die erste Beschleunigungsstrecke 7 schließt sich ein Umladebereich 8 an, in dem negative Ionen in positive Ionen umgeladen werden. Dieser Bereich 8 befindet sich im Innern eines Rohres 18, das auf dem gleichen Potential liegt wie die Austrittselektrode der ersten Beschleunigungsstrecke und die Eingangselektrode der zweiten Beschleunigungs- strecke. Das Rohr 18 liegt somit ebenfalls auf hoher positiver Spannung, z.B. 3 MeV. Auf diesen Umladeberelch 8 folgt eine zweite Hochspannungsbeschleunigungsstrecke 9 für positive Ionen. Der Ausgang dieser zweiten Beschleunigungsstrecke 9 liegt wieder auf Erdpotential. An die zweite Beschleunigungsstrecke 9 schließt sich ein Massenseparator 10 an, der gleichzeitig als Ionenweiche dient. Der so gebildete Strahl positiver Ionen trifft in verschiedenen Bestrahlungskammern 21, 22, 23 auf die darin befindlichen, zu bestrahlenden Objekte 24, 25 und 26. Die Beschleunigungsstrecke 7, der Umladebereich 8 und die zweite Beschleunigungsstrecke 9 sind zur Verminderung der Oberschlagsabstände in einem Hochdrucktank 27 eingebaut. Dieser Hochdrucktank 27 ist z.B. mit SFg mit einem Druck von 20 bar gefüllt. Die zum Evakuieren des Injektors der Beschleunigungsstrecken 7 und 8 und der Bestrahlungskammern 21 und 23 nötigen Hochvakuumpumpen sind nicht eingezeichnet. Die Achse des Strahles der negativen Ionen ist mit411, die der positiven Ionen mit 112 bezeichnet.

In der Ausschnittszeichnung Fig.2 ist die P'^htung des Strahles negativer Ionen 11 und die der positiven Ionen 12 durch die

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Pfeile angedeutet. Hit 31 ist ein Umlenkkondensator für den Strahl111 bezeichnet und mit 32 ein Umlenkkondensator für den Strahl H2 positiver Ionen. Der umlenkkondensator 32 dient gleichzeitig zur Massen- und Ladungsvorzerlegung des Strahles

> 12 der positiven Ionen. Bei der Verwendung von zwei Lasern als Lichtquellen sind Fenster 34 und 38 vorhanden, durch die das Laserlicht aus den Laserlichtquellen 35 und 39 ins Innere der Umladestrecke 8 eintreten kann. Die Laserlichtbündel werden durch die Umlenkspiegel 33 und 37 koaxial auf die Ionenstrahl-

O achse 111,112 zwischen den Umlenkkondensatoren 31 und 32 ausgerichtet. Mit 36 und 40 sind die zugehörigen Brennpunkte gekennzeichnet.

Negative Ionen 11 werden in der Ionenquelle 1 erzeugt, durch

das Extraktionssystem 2 aus der Quelle 1 abgezogen und auf den Auetrittsspalt 41 des Massenseparators 4 abgebildet. Das Magnetfeld des Massenseparators 4 wird so gewählt, daß nur die gewünschte Ionensorte 11 den AustrittsspaIt 41 passiert. In der Hochspannungsbeschleunigungsstrecke 7 mit der Spannung U werden

!O die negativen Ionen 11 der Ladung η auf die Energie E_n = neU gebrecht, wobei η eine ganze Zahl ist, e die Elementarladung und U die Beschleunigungsspannung. Im Umladebereich 8 werden die Ionen 11 durch den Umlenkkondensator 31 so umgelenkt, daβ das von der Laserlichtquelle 33 emittierte Laserlichtbündel über den Spiegel 33 entlang der lonenstrahlachse zwischen den Umlenkkondensatoren 31 und 32 geführt werden kann. Die Frequenz V des Laserlxhtes wird so gewählt, daß das Ion angeregt wird und sich infolgedessen umlädt. Sind zum vollständigen Umladen auf einen gewünschten positiven Ionenladungszustand mehrere einzelne Anregungsprozesse nötig, so werden durch weitere Laserquellensysteme entsprechend dem eben beschriebenen diese Prozesse bewerkstelligt. Als Beispiel ist in der Fig. 2 ein zweites System 39, 38, 37 skizziert. Die auf positive Ladung gebrachten Ionen 12 mit der Ladung m (m = ganze Zahl) werden durch den Umlenkkondensator 32 auf die endgültige Bahn gebracht, in der zweiten Be-

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schleunigungastrecke 9 noch einmal beschleunigt, ao daß aie . schließlich mit der Energie E = (n+m)eU den auf Erdpotential liegenden Maasenseparator 10 durchlaufen und je nach Wahl von dessen Magnetfeld auf eines der Objekte 24, 25 oder 26 auftreffen. Anstelle von Umlenkkondensatoren 31 und 32 können auch Umlenkmagnete -verwendet werden.

8 Patentansprüche
2 Figuren

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Claims

Patentansprüche

( 1JTandemlonenbeschleunlger mit einer Vorrichtung zur Umladung negativer Ionen in positive Ionen, dadurch gekennzeichnet , da8 der Bereich, in dem die Umladung erfolgt, materiefrei ist und daß als Vorrichtung zur Umladung der negativen Ionen in positive Ionen eine Lichtquelle (35, 39) hoher Leuchtdichte vorhanden ist.
2. Tandemlonenbeschleunlger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Lichtquelle mit einer den Jeweiligen Anregungsenergien der Ionen entsprechenden, Insbesondere gleichen Quantenenergie emittiert.
3. Tandemionenbeschleuniger nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Vorrichtung als Lichtquelle einen Laser (35, 39) aufweist.
4. Tandemionenbeschleuniger nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet , daß er eine Umlenkeinrichtung aufweist, durch die die Ionenbahn 011,112) verschoben wird, und daβ die Lichtquelle (35, 39) so angebracht ist, daß die Bahn des von der Lichtquelle (35, 39) emittierten Lichtes wenigstens mit einem Teilstück der Ionenbahn (111,112) zusammenfällt.
5« Tandemlonenbeschleunlger nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet , daß die Umlenkeinrichtung (31, 32) einen Kondensator aufweist.
6. Tandemlonenbeschleunlger nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet , daß die Umlenkeinrichtung (31, 32) einen Elektromagnet aufweist.

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ORIGINAL INSPECTED
7. Tandemionenbeschleuniger nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet , daβ entlang der Ionenbahn (Π1,112) mehrere Umlenkeinrichtungen (31, 32) und eine entsprechende Anzahl von Lichtquellen (33, 39) vorhanden sind.
8. Tandemionenbeschleuniger nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet , daß das von den Lichtquellen (35, 39) emittierte Licht auf punktfSrmige, in der Ionenbahn liegende Bereiche (40, 36) fokussiert wird.

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