DE3104461A1

DE3104461A1 - Verfahren zur erzeugung von stark geladenen schweren ionen, vorrichtung zur durchfuehrung des verfahrens und eine verwendung dieses verfahrens

Info

Publication number: DE3104461A1
Application number: DE19813104461
Authority: DE
Inventors: Jaquot 38120 Saint Egreve Bernard; Richard 38000 Grenoble Geller
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 1980-02-13
Filing date: 1981-02-09
Publication date: 1982-02-18
Also published as: US4417178A; GB2069230A; JPS56128600A; FR2475798B1; JPH0341934B2; FR2475798A1; GB2069230B

Description

-A-

Beschreibung:

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung von stark geladenen schweren Ionen, eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens und eine Verwendung dieses Verfahrens.

Genauer gesagt bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren und eine Vorrichtung/ die ermöglichen/ daß man ausgehend von schweren Atomen, d.h. von Atomen, die mehr als zwei Elektronen haben, stark geladene schwere Ionen erzeugt und bildet. Unter stark geladenen schweren Ionen sind solche Atome zu verstehen, die alle ihre Elektronen verloren haben, die in ihren inneren Schalen vorhanden sind. Diese Atome können neutral oder vorionisiert sein. Die stark geladenen Ionen werden zur Messung von physikalischen Konstanten verwendet und sind insbesondere für Teilchenbeschleuniger bestimmt, die sowohl in der Wissenschaft als auch in der Medizin Anwendung finden.

Es ist bekannt, daß man ausgehend von einem Gas oder einem Metalldampf Ionen erhalten kann, die neutrale Atome enthalten, wenn man diese durch Zusammenstöße mit ionisierenden Elektronen ionisiert.

Selbstverständlich gibt es eine Vielzahl von Verfahren und Vorrichtungen oder Quellen, aus denen man Ionen erhalten kann, wie Bogenquellen, Einschlußquellen, zyklotronische, elektronische Resonanzquellen, usw..

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Die von diesen unterschiedlichen Quellen erzeugbaren Mengen an Ionen ergeben sich aus der Wechselwirkung von zwei Entstehungsprozessen:

- die Bildung dieser Ionen durch Ionisation in den aufeinanderfolgenden Elektronenschalen des neutralen Atoms;

- die Zerstörung dieser Ionen durch Rekombination in einfacher oder mehrfacher Weise während eines Zusammenstoßes mit einem neutralen Atom. Dieses neutrale Atom kann von einem noch nicht ionisierten Gas stammen oder kann auf den Wandungen der Vorrichtung während des Aufpralls eines elektrisierten bzw. geladenen Teilchens auf diesen Wandungen erzeugt werden.

Es besteht dennoch das Problem, die Zerstörung dieser Ionen zu vermeiden, indem man jeglichen Zusammenstoß mit einem neutralen Atom verhindert. Selbstverständlich läßt sich die Menge an neutralen Atomen reduzieren, indem man in diesen Quellen ein Hochvakuum mit Hilfe von üblichen Pumpen erzeugt, obgleich diese derartige neutrale Atome nicht vollständig verhindern können.

Ferner sind die von diesen Quellen kommenden Teilchen nicht zu 100 % ionisiert, d.h. daß diese Atome nicht vollständig ihre Elektronen verloren haben. Um die Ionisation dieser Atome fortführen zu können, werden diese Ionen auf eine dünne Folie (mit einigen μπι Stärke) geschickt, nachdem sie beschleunigt worden sind, oder auch auf einen Auffänger, der von Elektronenplasma gebildet wird. Mit Hilfe dieser unterschiedlichen Ver-

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fahren können stark geladene Ionen erzeugt werden, wobei diese Verfahren mehr oder weniger kompliziert und teuer sind.

Die Erfindung zielt daher darauf ab, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erzeugung von stark geladenen Ionen zu schaffen, die die Überwindung dieser Schwierigkeiten ermöglichen und die insbesondere eine quasi totale Ionisation von neutralen Atomen, die von dem Gasstrom mitgenommen werden, sowie von neutralen Atomen, die selbst noch beim Erzeugen eines Hochvakuums zurückbleiben, auf einfache Weise ermöglichen.

Auch befaßt sich die Erfindung mit einer Anwendung bzw. Verwendung eines solchen Verfahrens.

Erfindungsgemäß zeichnet sich ein Verfahren zur Erzeugung von stark geladenen Ionen, die durch das Zusammentreffen mit Elektronen ein neutrales Atomengas ionisieren können, bei dem das Gas in einen Höchstfrequenzhohlraum eingeleitet wird, der wenigstens durch ein elektromagnetisches Hochfrequenzfeld erregt wird, das mit einem magnetischen Feld verbunden ist, dessen Amplitude derart gewählt ist, daß die dem magnetischen Feld zugeordnete zyklotronische elektronische Frequenz gleich der Frequenz des in dem Hohlraum erzeugten elektromagnetischen Feldes ist, wobei der Hohlraum mit einer Öffnung versehen ist, über die die Ionen mit Hilfe von geeigneten Elektroden abgezogen werden können, dadurch aus, daß das magnetische Feld dadurch gebildet wird, daß ein mehrpoliges radiales magnetisches Feld, das eine minimale Amplitude

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im Mittelteil des Hohlraums hat, einem axialen drehsymmetrischen magnetischen Feld überlagert wird, das längs der Achse einen Gradienten hat, daß das sich ergebende magnetische Feld derart gesteuert wird, daß es sich in dem Hohlraum in Form wenigstens einer magnetischen Schale befindet, die vollständig geschlossen ist und die keinen Kontakt mit den Wandungen des Hohlraums hat, daß auf der Schale der Zustand der zyklotronischen, elektronischen Resonanz derart ausreichend ist, daß man eine Ionisation des durchgehenden Gases erreicht, daß die gebildeten Ionen anschließend über die Abzugsöffnung abgeleitet werden, die sich in der Nähe der äußren Schale befindet, wobei das Abziehen mit Hilfe von Abzugselektroden erfolgt, die keine Berührung mit der Schale haben, und daß dann die Ionen mit Hilfe geeigneter Einrichtungen selektiert werden.

Durch das Zusammenwirken eines elektromagnetischen Hochfrequenzfeldes und eines axialen magnetischen Feldes in dem Höchstfrequenzhohlraum, dessen Amplitude derart gewählt ist, daß die diesem Feld zugeordnete zyklotronische, elektronische Frequenz gleich der Frequenz des elektromagnetischen Feldes ist, erhält man eine starke Ionisation der neutralen Atome. Tatsächlich werden die ausgesandten Elektronen aufgrund der elektronischen zyklotronischen Resonanz stark beschleunigt. Hinsichtlich näherer Einzelheiten über die elektronische zyklotronische Resonanz (Elektronenspinnresonanz) sei auf die Anmeldung Nr. 7127812 hingewiesen, die am 29. Juli 1971 vom Atomenergieministerium angemeldet worden ist und den Titel trägt "Ionenquellen unter Verwendung eines Höchstfrequenz-

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hohlraums". Die Überlagerung eines radialen magnetischen mehrpoligen Feldes, das eine minimale Amplitude im Mittelteil des Köchstfrequenzhohlraums hat und eines axialen magnetischen Feldes ermöglicht eine Einschließung der beim Eintritt in die magnetische Schale gebildeten Ionen und hierdurch wird die Dichte der neutralen Atome in dem Bereich der Einschließung sowie die Dichte der Elektronen herabgesetzt, d.h. es wird ermöglicht, daß die Ionen und die Elektronen wieder auf der Schale eingefangen werden, die die Schale infolge eines Zusammenstoßes mit einem neutralen Atom oder schon ionisierten Atom verlassen haben. Dank dieses Einschlusses haben die Elektronen Zeit ein und dasselbe Ion mehrmals zu bombardieren und dieses daher vollständig zu ionisieren. Um die bei den aufeinanderfolgenden Ionisierungen eines Atoms verloren gegangene Energie wieder zu gewinnen, muß das Elektron die Resonanzschale wieder passieren, die nicht unterbrochen sein darf. Diese Resonanzschale hindert die neutralen Atome an einem Eindringen in den Mittelbereich dieser Schale. Daher können die mehrfach geladenen Ionen in der Nähe dieser Schale abgezogen werden, die in situ eine Ionenpumpflache bildet.

Dank der Tatsache, daß ferner die Anzahl der im Inneren der Schale vorhandenen neutralen Atome sehr klein ist, werden die Rekombinationseffekte durch Ladungsaustausch zwischen einem neutralen Atom und einem stark ionisierten Atom beträchtlich eingeschränkt, wodurch die für die Ionen erreichten stark geladenen Zustände aufrecht erhalten werden können.

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Die Vorrichtung nach der Erfindung zur Durchführung des Verfahrens ist gekennzeichnet durch wenigstens eine Gasquelle, einen Hochstfrequenzhohlraum, der mit Vakuumpumpen verbunden ist und mit einer Öffnung versehen ist, über die die Ionen abgezogen werden können, durch Erzeugungseinrichtungen für ein axiales magnetisches Feld und Erzeugungseinrichtungen für ein radiales magnetisches Feld, das über die ganze Fläche des Hohlraums verteilt ist, durch Zuführungseinrichtungen, die das elektromagnetische Feld in den Mehrfachwellenhohlraum einleiten, Abzugselektroden für das ionisierte Gas und Selektionseinrichtungen für die Ionen.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung. Darin zeigt:

Figur 1 eine schematische Ansicht einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung, und

Figur 2 eine schematische Ausschnittsansicht der Vorrichtung von Figur 1.

Bei der Auslegung nach Figur 1 kommt von zwei nicht dargestellten Quellen ionisierbares Gas, das vorionisiert ist oder nicht, und das durch Leitungen 2 und 4 geht, die in einen abgeschlossenen bzw. eingeschlossenen Vakuumraum 6 münden, der einen Oszillationsraum für eine diskrete Wellenform oder eine Mehrfachwelle höherer Ordnung bildet, d.h. der in bezug zu den Abmessungen der Wellenlänge des elektromagne-

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tischen Feldes groß bemessen ist. Das elektromagnetische Feld liegt über Wellenleiter an, die beispielsweise mit 8 und 10 bezeichnet sind,. Diese Wellenleiter 8 und 10 können einen kreisförmigen oder rechteckförmigen Querschnitt haben.

Der geschlossene Raum bzw. der Hohlraum 6_f der irgendeine Form haben kann, ist mittels einer Leitung 12 mit einer nicht dargestellten Vakuumpumpe verbunden, die von an sich bekannter Bauart sein kann (wie zum Beispiel eine Diffusionspumpe, eine turbomolekulare Pumpe, eine Cryogenpumpe, usw...). Diese Vakuumpumpe kann ein Hochvakuum erzeugen und ermöglicht, daß ständig Ionen abgezogen bzw. abgeleitet werden können. Die Leitungen 2 und 4 sowie der Hohlraum 6 sind von Paaren von axialen Spulen umgeben, die beispielsweise mit 14 und 16 bezeichnet sind, und die das axiale magnetische Feld erzeugen können, das sich dem elektromagnetischen Hochfrequenzfeld überlagert, wodurch die elektronische zyklotronische Resonanz erzielt wird.

Die Elektronen und die Ionen werden mit Hilfe eines mehrpoligen radialen magnetischen Feldes eingeschlossen, das im Mittelteil des Hohlraums eine Amplitude von Null hat und das sich mit Hilfe von zylindrischen Bahnen 18 erzeugen läßt, die parallel nebeneinanderliegend angeordnet sind. Diese Bahnen 18 können in einem supraleitenden Zustand sein. Diese sind in zylindrischen Schutzrohren angeordnet, die Kühlflüssigkeit mit einer Temperatur fördern, die so ausreichend niedrig ist, daß die Flüssigkeit eventuell in eine Cryogenpumpenanlage durch Kondensation

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oder durch Titandampf einbezogen werden kann. Ein Teil dieser Bahnen 18 durchquert den Mehrfachwellenhohlraum 6.

Selbstverständlich können auch andere Mittel verwendet werden, um die magnetischen Felder zu erzeugen, und insbesondere können Permanentmagnete verwendet werden. Für das radiale magnetische Feld können die Magnete in zylindrischen Schutzrohren angeordnet sein, die in den Hohlraum eintauchen oder sie können außerhalb des Hohlraums 6 angeordnet sein.

In Figur 2 ist schematisch der Innenteil der Vorrichtung und insbesondere der Höchstfrequenzhohlraum 6 gezeigt. Dieser Hohlraum ist mit einer öffnung 20 versehen, über die gebildete Ionen abgeleitet bzw. abgezogen werden können. Das Abziehen der Ionen aus dem Hohlraum 6 kann mit Hilfe von Elektroden 22 erfolgen, zwischen denen Dank einer Versorgungsquelle 24 eine negative Potentialdifferenz erzeugt wird. Die so aus dem Hohlraum 6 abgezogenen Ionen werden entsprechend ihrem Ionisationsgrad mit Hilfe von irgendwelchen an sich bekannten Mitteln unter Verwendung eines elektrischen Feldes und/oder eines magnetischen Feldes selektiert. Bei der schematischen Ansicht sind zwei Resonanzschalen 26 und 28 gezeigt, die vollständig geschlossen sind und die keine Berührung mit dem Hohlraum 6 haben.

Wenn mit Hilfe der Wellenleiter 8 und 10 nur ein einziges elektromagnetisches Feld angelegt wird, entspricht die innere Schale 26 einer Resonanzschale mit einer zyklotronischen, elektronischen Frequenz, die beispielsweise gleich der Frequenz des elektro-

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magnetischen Feldes ist/ und die äußere Schale 28 entspricht einer Oberschwingungsschale, die beispielsweise eine zyklotronische elektronische Frequenz hat, die sich auf das zweifache der Frequenz des elektromagnetischen Feldes beläuft.

Wenn zwei elektromagnetische Felder mit unterschiedlicher Frequenz verwendet werden, ist die innen liegende Resonanz schale 26 dörr elektromagnetischen Feld mit der niedersten Frequenz und die außen liegende Resonanzschale 28 dem elektromagnetischen Feld mit der höchsten Frequenz zugeordnet.

Bei zwei Schalen dient die innere Schale hauptsächlich zur Hochionisierung des Gases und die äußere Schale zur Stützung des Ionisationszustandes der Ionen, die man in Höhe dieser zweiten Schale abzieht. Bei einer einzigen Resonanz schale erfolgt die Ionisation und das Abziehen in Höhe dieser Schale.

Da die Abzugsöffnung 20 in der Nähe der Schale liegt, aber kein Kontakt zwischen der Schale und der Öffnung vorhanden ist, kann die maximale Weglänge der Ionen verringert werden und daher können die Möglichkeiten zur Rekombination mit einem oder mehreren Elektronen eingeschränkt werden, die ihre Energie" bei einem vorhergehenden Zusammenstoß mit einem zu ionisierenden Gasatom oder mit einem neutralen Restatom verloren haben. Man kann die Anwesenheit von ■ neutralen Atomen dadurch beschränken, daß man in dem Raum ein Hochvakuum (kleiner als 10 Torr) erzeugt. Durch die Tatsache, daß die Schale nicht in Berührung mit der Innenwand des Hohlraums oder irgendeiner Wandung (der Abzugselektrode) sein sollte, wird jegliche

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Möglichkeit der Rekombination eines neutralen Atoms durch das Auftreffen eines Ions auf der Wand sowie ein lonenverlust und ein Verlust von eingeschlossenen Elektroden vermieden.

Die Resonanzschalen sind ovalförmig dargestellt. Selbstverständlich ist die Form dieser Schalen durch die Form der Leiter bestimmt, die die magnetischen Felder erzeugen.

Diese Vorrichtung ermöglicht, daß man Bündel von schweren stark geladenen Ionen, d.h. von Atomen erhält, die mehrere oder alle Elektronen verloren haben. Hierzu muß die von dem elektromagnetischen Feld übertragene Hochfrequenzleistung ausreichend sein. Für einen Hohlraum mit einem Volumen vom 1 Liter ist eine Hochfrequenzleistung erforderlich, die größer als 1 kW ist, um die Atome in einem starken Ionisationszustand zu halten, sowie die Ionen ableiten zu können. Für Hohlräume mit beträchtlichen Abmessungen kann die zur Ionisation und zum Abziehen der Ionen erforderliche Leistung von einem elektromagnetischen Feld ^aufgebracht werden, das in. den Hohlraum mittels mehrerer Wellenleiter.oder mittels mehrerer elektromagnetischer Felder aufgebaut wird». Es ist noch darauf hinzuweisen, daß uiß das elektromagnetische Feld einleitenden Wellenleiter mit gasdichten dielektrischen Fenstern versehen sind, 4ie aber für die elektromagnetische Energie frzw. Leistung durchlässig sind.

Mit Hilfe dieser Vorrichtung erhält man insbesondere stark geladene Ionenbündel von Edelgasen,, wie lonenün

g, bündel von Ne⁺¹⁰, Ar⁺¹³, Xe⁺³³, aber auch Ionen C ⁺,

usw.«

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Nachstehend soLl ein Beispiel für das Verfahren erläutert v/erden.

Für ein axiales Feld 2wischen 3000 und 5000 Gauß und ein radiales Feld, deis sich von 0 bis 5000 Gauß ändert, wählt man eine Frequenz für das elektromagnetische Feld, die zwischen 10 und 11 Gigahertz liegt,

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Leerseite

Claims

PATENTANWÄLTE

310446

A. GRÜNECKER

DiPL-INa

H. KINKELDEY

DR.-!Nd

W. STOCKMAlR

Dn-INa AeE (CAUEClt)

K. SCHUMANN

OH R£R ΝΑΓ D(PL PMVS

P. H. JAKOB

OJPL-ING

G. BEZOLD

0« R

DIPLCHEM.

COMI-IISARIAT A L-¹EEERGIE ATOMIQUE
31/33, rue de la Federation,
75015 Paris, Frankreich

8 MÜNCHEN

MAXIMILIANSTRASSE

P 15 926

9. Februar 1981

Verfahren zur Erzeugung von stark geladenen schweren Ionen, Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens und eine Verwendung dieses Verfahrens

* Patentansprüche

Verfahren zur Erzeugung von stark geladenen Ionen, die durch das Zusammentreffen mit Elektronen ein neutrales Atomengas ionisieren können, bei dem das Gas in einen Höchstfrequenzhohlraum eingeleitet
wird., der wenigstens durch ein elektromagnetisches Hochfrequenzfeld erregt wird, das mit einem magnetischen Feld verbunden ist, dessen Amplitude derart gewählt ist, daß die dem magnetischen Feld zugeordnete zyklotronische elektronische Frequenz gleich der Frequenz, des in dem Hohlraum erzeugten elektromagnetischen Feldes ist, wobei der Hohlraum mit einer

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telefon (öse) aaaeea

TELEX 0S-29 38O

TELEKOPIERER

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Öffnung versehen ist, über die die Ionen mit Hilfe von geeigneten Elektroden abgezogen werden können, dadurch gekennzeichnet, daß das magnetische Feld dadurch gebildet wird, daß ein mehrpoliges radiales magnetisches Feld, das eine minimale Amplitude im Mittelteil des Hohlraums (6) hat, einem axialen drehsymmetrischen magnetischen Feld überlagert wird, das längs der Achse einen Gradienten hat, daß das sich ergebende magnetische Feld derart gesteuert wird, daß es sich in dem Hohlraum (6) in Form wenigstens einer magnetischen Schale (26 und 28) befindet, die vollständig geschlossen ist und die keinen Kontakt mit den Wandungen des Hohlraums (6) hat, daß auf der Schale der Zustand der zyklotronischen, elektronischen Resonanz derart ausreichend ist, daß man eine Ionisation des durchgehenden Gases erreicht, daß die gebildeten Ionen anschliessend über die Abzugsöffnung (20) abgeleitet werden, die sich in der Nähe der äußersten Schale (28) befindet, wobei das Abziehen mit Hilfe von Abzugselektroden (22) erfolgt, die keine Berührung mit der Schale (28) haben, und daß dann die Ionen mit Hilfe geeigneter Einrichtungen selektiert werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das elektromagnetische Feld eine auf die Volumeneinheit des Höchstfrequenzhohlraums (6) bezogene Energie bzw. Leistung hat, die größer als 1 kW pro Liter ist.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eines der axialen und radialen magnetischen

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Felder stetig ist.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eines der axialen und radialen magnetischen Felder pulsierend ist.
5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch wenigstens eine Gasquelle, einen Höchstfrequenzhohlraum (6), der mit Vakuumpumpen verbunden ist und mit einer Öffnung (20) versehen ist, über die die Ionen abgezogen werden können, durch Erzeugungseinrichtungen (14 und 16) für ein axiales magnetisches Feld und . Erzeugungseinrichtungen (18) für ein radiales magnetisches Feld, das über die ganze Fläche des Hohlraums (6) verteilt ist, durch Zuführungseinrichtungen (9 und 10), die das elektromagnetische Feld in den Mehrfachwellenhohlraum (6) einleiten, Abzugselektroden (22) für das ionisierte Gas und Selektionseinrichtungen für die Ionen.
6. Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 5 mit der Maßgabe, daß stark geladene Ionen eines Edelgases erzeugt werden.

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