DE3739253A1

DE3739253A1 - Mit kontaktionisation arbeitende einrichtung zum erzeugen eines strahles beschleunigter ionen

Info

Publication number: DE3739253A1
Application number: DE19873739253
Authority: DE
Inventors: Helmut Dipl Phys Dr Liebl
Original assignee: Max Planck Gesellschaft zur Foerderung der Wissenschaften eV
Current assignee: Max Planck Gesellschaft zur Foerderung der Wissenschaften eV
Priority date: 1987-11-19
Filing date: 1987-11-19
Publication date: 1989-06-01
Also published as: GB2212654B; GB2212654A; JPH0442774B2; FR2623658A1; GB8820818D0; US4983845A; JPH01151130A

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Erzeugen eines Strahles beschleunigter Ionen durch Kontaktionisation von entsprechenden Teilchen, wie Atomen, an einer erhitzten Oberfläche einer Ionisationselektrode und zum Beschleunigen der an der Kontaktionisationsoberfläche erzeugten Ionen in einer Beschleunigungsstrecke zwischen der Ionisationselektrode und einer Beschleunigungselektrode.

Einrichtungen dieser Art, die auch kurz als "thermische Oberflächenionenquellen" oder "Kontaktionisationsquellen" bezeichnet werden können, sind z. B. in dem Buch von R. G. Wilson und G. R. Brewer "Ion Beams", New York 1973, insbesondere Seite 26 bis 36 und Seite 72 bis 77 beschrieben. Sie beruhen auf dem Effekt, daß wenn neutrale Atome auf eine Oberfläche auftreffen, die genügend heiß ist, so daß die Atome nicht an der Oberfläche sorbiert werden, ein Teil der Atome beim Verlassen der Oberfläche ionisiert ist. Für den Ionisierungsgrad R, also das Verhältnis der Ionen zur Gesamtzahl der die Oberfläche verlassenden Teilchen, gilt das Saha-Langmuir-Gesetz und zwar ist der Ionisierungsgrad R ₊ für positive Ionen

R ₊ = n ₊/(n ₀ + n ₊) = (1 + K ₊ exp(I - W/kT)) ^-1 (1)

bzw. der Ionisierungsgrad R _- für negative Ionen:

R _- = n _-/(n ₀ + n _-) = (1 + K _- exp(W - E)/kT)) ^-1 (2)

dabei bedeuten:

n ₊ = Anzahl der die Oberfläche verlassenden positiven Ionen,
n _- = Anzahl der die Oberfläche verlassenden negativen Ionen,
n ₀ = Anzahl der die Oberfläche verlassenden neutralen Atome,
W = Elektronenaustrittsarbeit der Oberfläche
I = Ionisierungsarbeit der Atome,
E = Elektronenaffinität der Atome,
T = Oberflächentemperatur
k = Boltzmann-Konstante,
K ₊ bzw. K _- = statistische Faktoren für positive bzw. negative Ionen,
(für Alkalimetalle K ₊ = 2,
für Halogene K _- = 4).

Ist W - I < 0,4 eV bzw. E - W < 0,4 eV, dann hat R ₊ bzw. R _- nahezu den Wert 1, d. h. fast alle Atome, welche auf die Oberfläche auftreffen, dampfen als positive bzw. negative Ionen ab. So wird z. B. Cäsium-Dampf (I = 3,88 eV) beim Auftreffen auf eine heiße (1300 K) Wolframoberfläche (W = 4,54 eV) praktisch vollständig positiv ionisiert, während andererseits zum Beispiel Jod-Dampf (E = 3,12 eV) beim Auftreffen auf eine heiße Lanthan-He xaborid-Oberfläche (W = 2,70 eV) fast völlig negativ ionisiert wird. Ähnlich hohe Ionisationsgrade lassen sich auch für die übrigen Alkalimetalle und Halogene sowie für eine Vielzahl anderer Atome erreichen.

Es ist bekannt, die zu ionisierenden Teilchen als Dampf entweder von vorn auf die heiße Oberfläche der aus geeignetem Material betehenden Ionisierungselektrode zu leiten oder von hinten durch eine heiße Fritte aus dem betreffenden Material zu der dann porösen Oberfläche diffundieren zu lassen. Die entste henden Ionen werden dann von der Oberfläche durch ein elek trisches Feld abgesaugt, das zwischen der Oberfläche und einer im Abstand vor dieser angeordneten Beschleunigungselek trode erzeugt wird. Die erreichbaren Stromdichten J sind bei den obenerwähnten Fällen durch das Child'sche Raumladungs gesetz begrenzt, das für eine ebene Anordnung lautet:

J = 5,45 × 10^-8 V^1,5/√M d ² A cm^-2 (3)

Dabei bedeuten

V = Beschleunigungsspannung,
M = Massenzahl,
d = Abstand zwischen der ionisierenden Oberfläche und der Beschleunigungs- oder Extraktionselektrode.

Bei einer aus DE-PS 28 05 273 C3 bekannten Einrichtung zum Erzeugen eines Strahles beschleunigter Ionen durch Kontaktioni sation wird die Raumladungsbegrenzung der Emissionsstromdichte dadurch zu weit höheren Werten als im Fall von ebenen Elektroden verschoben, daß die ionisierende Oberfläche stark konvex gekrümmt ist, so daß auf ihr eine sehr hohe elektrische Feldstär ke herrscht. Die Emissionsstromdichte ist dann durch den zwischen den Elektroden herrschenden Dampfdruck des zu ionisie renden Elements begrenzt. Dieser darf nämlich nur so hoch gewählt werden, daß noch keine elektrischen Überschläge infolge von Stoßionisation im Dampf auftreten.

Die in den Patentansprüchen gekennzeichnete Erfindung umgeht diese Begrenzung dadurch, daß der zu ionisierende Dampf nicht in den Raum zwischen der Beschleunigungselektrode und der stark konvexen heißen ionisierenden Oberfläche der Ionisierungs elektrode geleitet wird, sondern daß letztere einen vorzugsweise kapillarenartigen Kanal, wie eine Bohrung, aufweist, und daß die zu ionisierenden Atome in Gas- oder Dampfform von hinten aus einem Vorratsbehälter, Ofen oder irgendeiner anderen geeigneten Quelle durch diesen, im Gegensatz zu den Poren einer Fritte makroskopischen Kanal geleitet wird. Auf dem Weg durch die geheizte Bohrung oder Kapillare werden die Atome an der Innenwand ionisiert und beim Austritt aus der Mündung des Kanals sofort von dem an der Spitze der Ionisierungs elektrode herrschenden starken elektrischen Feld erfaßt und beschleunigt. Der in der Beschleunigungsstrecke herrschende Dampfdruck beruht auf dem geringen Anteil nichtionisierten Dampfes aus der Kapillare sowie von Atomen, die als Ionen auf die Beschleunigungselektrode getroffen waren und durch die nachfolgenden Ionen wieder zerstäubt werden. Bei gleicher Emissionsstromdichte wie bei den obenerwähnten bekannten Einrichtungen dieser Art ist der Dampfdruck wesentlich geringer oder andererseits kann man bei entsprechender Erhöhung des Dampfdurchsatzes eine wesentlich höhere Emissionsstromdichte als im bekannten Falle erreichen, bevor es zu elektrischen Durchbrüchen kommt.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert, es zeigt

Fig. 1 eine Teilansicht und

Fig. 2 eine vereinfachte Schnittansicht einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die zum Erzeugen eines Strahles positiver Cäsiumionen dient.

Die in der Zeichnung dargestellte Einrichtung zum Erzeugen eines Strahles beschleunigter Cäsiumionen enthält eine Ionisie rungseleketrode (1) in Form eines dünnen, länglichen Röhrchens, aus einem Material hoher Elektronenaustrittsarbeit, z. B. Tantal, und eine in einem Abstand d vor dem vorderen Ende der Ionisierungselektrode (1) angeordnete, ringscheibenförmige Beschleunigungselektrode (3). Das vordere Ende der Ionisierungs elektrode (1) verjüngt sich in Richtung auf die Beschleu nigungselektrode (3) und bildet an der Spitze eine kapillar durchbohrte Kuppe (2), deren Durchmesser klein ist, verglichen mit dem Abstand d zur Beschleunigungselektrode (3). Der Innen durchmesser der röhrchenförmigen Ionisierungselektrode (1) verjüngt sich zur Spitze hin stufenweise, wie aus Fig. 1 ersichtlich ist.

Das vordere Ende der röhrchenförmigen Ionisierungselektrode (1) ist von einer ringförmigen Glühkathode (6) und diese wiederum von einem Blechzylinder (7), der als Hitzeschild dient, umgeben. Das der Beschleunigungselektrode (3) abgewandte Ende der röhrchenförmigen Ionisierungselektrode (1) mündet in einem Vorratsbehälter (8), der mit Cäsiummetall (9) teilweise gefüllt ist und eine Heizmantel (10) aufweist, mit dem der Vorratsbehälter (8) erhitzt und dadurch der Cäsiumdampfdruck auf einen gewünschten Wert gebracht werden kann.

Typische Abmessungen sind:

Kuppendurchmesser = 0,4 mm,
Kapillarendurchmesser = 0,1 mm,
Abstand d = 5 mm.

Im Betrieb wird das vordere Ende der Ionisierungselektrode (1) durch Elektronenstoß auf die erforderliche Temperatur von ca. 1300 K erhitzt. Hierzu werden Elektronen von dem die Kapillare ringförmig umgebenden Glühdraht der Glühkathode (6) emittiert und durch einige Kilovolt radial auf die Ionisie rungselektrode hin beschleunigt. Aus dem erhitzten Vorratsbe hälter (8) wird Cäsiumdampf (4) durch die röhrchenförmige Ionisierungselektrode (1) geleitet und der Cäsiumdampf wird dabei durch Stöße an der heißen Innenwand der Beschleunigungs elektrode und insbesondere des vorderen, kapillarenartigen Teils ionisiert. Zwischen der Ionisierungselektrode (1) und der Beschleunigungselektrode (3) liegt eine Spannung von einigen Kilovolt, die so gepolt ist, daß die aus der Kapillare austretenden Cs⁺ Ionen zur Beschleunigungselektrode (3) hin beschleunigt werden. Durch eine zentrale Öffnung in der Beschleu nigungselektrode (3) tritt dann ein Cs⁺ Ionenstrahl (5) von einigen keV Energie aus.

Der Elektronenstrahl kann durch eine elektrostatische Linse (11) (Fig. 2) fokussiert werden, deren vordere Elektrode durch die Beschleunigungselektrode (3) gebildet wird. Die ganze Anordnung ist in einem in Fig. 2 nur teilweise dargestell ten Vakuumgefäß (12) angeordnet. Elektrodenhalterungen und elektrische Durchführungen sind in Fig. 2 der Klarheit halber nicht dargestellt, sie können in konventioneller Weise ausgebildet sein.

Die Kontaktionisationsoberfläche kann auch durch eine Schicht aus einem geeigneten Material gebildet werden, die mindestens einen Teil der Innenwand des rohrförmigen Kanals, insbesondere den mündungsseitigen kapillaren Teil, bedeckt.

Die vorliegende Erfindung läßt sich auch zur Erzeugung von Ionen anderer Elemente als Cäsium, insbesondere von anderen Alkalimetallen, verwenden. Auch Strahlen negativer Ionen, insbesondere Halogenionen, können erzeugt werden, wenn die Ionisierungselektrode oder zumindest die Innenwand der Kapil lare aus einem Material hoher Elektronenaffinität, z. B. aus Lanthan-Hexaborid, gefertigt ist. Selbstverständlich können auch andere Heizvorrichtungen und andere Vorrichtungen, die die zu ionisierenden Atome liefern, verwendet werden.

Claims

1. Mit Kontaktionisation arbeitende Einrichtung zum Erzeugen eines Strahles beschleunigter Ionen mit

- einer Quelle (8, 9) für zu ionisierende Atome,
- einer Ionisierungselektrode (1), die eine Oberfläche zur Kontaktionisation der Atome aufweist,
- einer Heizvorrichtung (6) für die Ionisierungselektrode und
- einer im Abstand von der Ionisierungselektrode angeordneten Beschleunigungselektrode (3) zum Beschleunigen der an der Kontaktionisationsoberfläche ionisierten Atome,

dadurch gekennzeichnet, daß die Ionisierungselektrode einen rohrartigen Kanal bildet, welcher von der Quelle (8, 9) für die zu ionisierenden Atome zu einer Mündung an einer der Beschleunigungselektrode (3) gegenüberliegenden Spitze (2) der Ionisierungselektrode führt und dessen Innenwand die Kontaktionisationsoberfläche bildet.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kanal zumindest an dem an die Mündung angrenzenden Teil kapillare Abmessungen hat.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kanal angrenzend an die Spitze (2) einen Durchmesser in der Größenordnung von 0,1 mm hat.

4. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktionisationselektrode (1) zumindest an ihrem mündungsseitigen Ende stabförmig ist und sich zur Spitze hin verjüngt.

5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Spitze an der Mündung des Kanals einen Durchmesser in der Größenordnung von 0,4 mm hat.

6. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Durchmesser des Kanals von der Quelle (8, 9) zur Spitze (2) hin stufenartig verringert.

7. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizvorrichtung eine die Beschleunigungselektrode (1) im Bereich ihrer Spitze umgebende Elektronenquelle (6) enthält.

8. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektronenquelle eine Glühkathode ist und von einem rohr förmigen Hitzeschild (7) umgeben ist.

9. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschleunigungselektrode (3) einen Teil einer elektrosta tischen Linse (11) bildet.

10. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Quelle für die zu ionisierenden Atome einen Vorratsbehäl ter und eine eigene Heizvorrichtung (10) für den Vorratsbehäl ter aufweist.