DE3829338A1

DE3829338A1 - Device for ionising a polarised atomic beam

Info

Publication number: DE3829338A1
Application number: DE19883829338
Authority: DE
Inventors: Erfinder Wird Nachtraeglich Benannt Der
Original assignee: Scherrer Paul Institut; Kernforschungszentrum Karlsruhe GmbH
Current assignee: Scherrer Paul Institut; Forschungszentrum Karlsruhe GmbH
Priority date: 1988-08-30
Filing date: 1988-08-30
Publication date: 1990-03-01
Also published as: DE3829338C2

Abstract

A polarised atomic beam 1 is ionised in a device (Fig.) in an alternating field at an electron-cyclotron-resonance frequency. In this case, the nuclei or ions of the beam remain polarised. An electric field originates from extraction electrodes 8 and focuses and further accelerates the ion beam 3a. The electrodes 8 are hollow discs having a specific minimum width of the hole diameter, which has proved essential for maintaining the polarisation of the ions. The electrons remain trapped in a magnetic mirror field. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Ionisation eines polarisierten Atomstrahls.The invention relates to a device for ionizing a polarized atomic beam.

Mit derartigen Vorrichtungen erhält man aus einem polarisier ten Atomstrahl einen Ionenstrahl, bei dem die Polarisation er halten bleibt.With such devices one obtains from a polarized atom beam is an ion beam in which the polarization lasts.

Das bisher erfolgreichste Ionisationssystem ist der Elektro nenstoßionisierer (Electron Bombardement Ionizer) nach dem CERN-ANAC-Design. Er ist bei polarisierten Quellen im Kernfor schungszentrum Karlsruhe eingesetzt. Es gibt kaum noch Mög lichkeiten, dieses Ionisationsprinzip weiter zu verbessern, insbesondere was die Strahlqualität - charakterisiert durch Emittanz und Energieschärfe - betrifft.The most successful ionization system to date is the electron bombardment ionizer based on the CERN-ANAC design. It is used for polarized sources in the Karlsruhe Nuclear Research Center. There is hardly yet possible to bo opportunities to improve this ionization continues, particularly in the beam quality - characterized by emittance and energy spread - concerns.

Von Elektron-Zyklotron-Resonanz-Ionenquellen für hochgeladene, nicht polarisierte Ionen ist bekannt, daß sie bei hoher Aus beute Ionenstrahlen mit guter Strahlqualität liefern. Dadurch lag es nahe, die Elektron-Zyklotron-Resonanz-Ionisation auf vollständig polarisierte Atomstrahlen auszuweiten.From electron cyclotron resonance ion sources for highly charged, Non-polarized ions are known to be at high levels provide prey ion beams with good beam quality. Thereby the electron cyclotron resonance ionization was the obvious choice expand fully polarized atomic beams.

Der Stand der Technik über Quellen polarisierter Ionen ist in den folgenden Literaturstellen beschrieben:The prior art on sources of polarized ions is in described in the following references:

1. S. Jaccard, Proceedings of the Int. Workshop on Polarized Proton sources, Ann Arbor, AIP Conf. Proc. 80 (1982) 95,
2. T. B. Clegg, V. König, P. A. Schmelzbach and W. Grüebler, Nucl. Instr. and Meth. A 238 (1985) 195,
3. T. B. Clegg and M. B. Schneider, Proceedings of the Int. Workshop on Polarized Sources and Targets, SIN, Montana, Helv. Phys. Acta 59 (1986) 553,
4. S. Jaccard, Proceedings of the 6th Int. Symp. On Polarized Phenomena in Nucl. Phys., Journal of the Phys. Society of Japan 55 (1986) 1062.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen polarisierten Atomstrahl in einer Vorrichtung möglichst vollständig zu ioni sieren.The invention has for its object a polarized Atomi beam as completely as possible in a device sieren.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung mit den kennzeichnenden Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Die Un teransprüche beschreiben eine zweckmäßige und vorteilhafte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung.The object is achieved by a device with the characterizing features of claim 1 solved. The Un Claims describe an expedient and advantageous Development of the device according to the invention.

Ein elektronenpolarisierter Atomstrahl fokussiert auf der Strahlachse in einem Bereich unmittelbar vor der Vorrichtung zur Ionisation desselben. In diesem Bereich werden die Kerne der Strahlatome über Hochfrequenzübergänge vollends polari siert.An electron polarized atomic beam focuses on the Beam axis in an area immediately in front of the device to ionize it. In this area the cores the beam atoms are completely polar over high-frequency transitions siert.

Für eine höchstmögliche Ausbeute an polarisierten Ionen ist es vorteilhaft, die Ionisation der Strahlatome räumlich unmittel bar nach der Kernpolarisation durchzuführen, wo der Strahl noch nicht zu sehr aufgeweitet ist.It is for the highest possible yield of polarized ions advantageous to spatially direct the ionization of the beam atoms to perform bar after nuclear polarization where the beam has not yet expanded too much.

Das axiale, magnetische Spiegelfeld, das die bei der Ionisa tion freiwerdenden Elektronen gefangen hält, muß an seinen Rändern, insbesondere in der unmittelbaren Nähe der Kern polarisationsvorrichtung auf einen Wert abfallen, der diese Polarisation nicht stört. Dies geschieht dadurch, daß sich die magnetischen Randfelder in Schalen aus geeignetem magnetischem Material konzentrieren. Zum Strahleintritt bzw. -austritt ha ben die Schalen in der Mitte ein Loch für das Strahlrohr.The axial, magnetic mirror field that the Ionisa tion released electrons must be trapped at its Edges, especially in the immediate vicinity of the nucleus polarizer drop to a value that this Polarization doesn't bother. This happens because the magnetic boundary fields in shells made of suitable magnetic Concentrate material. For beam entry or exit ha Ben the bowls in the middle a hole for the jet pipe.

Zwischen den beiden, das magnetische Spiegelfeld erzeugenden Spulensystemen ist die evakuierbare Plasmabrennkammer einge baut. Das Material ist dielektrisch. Hierin trifft der Atom strahl auf das senkrecht zur Strahlachse, über einen Hohllei ter eingestrahlte Wechselfeld und wird ionisiert. Das Wechsel feld hat Elektron-Zyklotron-Resonanz-Frequenz.Between the two that generate the magnetic mirror field The evacuable plasma combustion chamber is installed in coil systems builds. The material is dielectric. This is where the atom hits beam onto the perpendicular to the beam axis, over a hollow wire radiated alternating field and is ionized. The change field has electron cyclotron resonance frequency.

Damit an in der Plasmabrennkammer vorhandenem Restgas ge streute Strahlatome nicht sofort verloren sind, ist einerseits der Brennkammerdurchmesser groß gegenüber dem Strahldurch messer und andererseits besteht die Kammer aus Material, das einen kleinen Rekombinationskoeffizienten hinsichtlich der Molekülbildung aus Strahlatomen hat.So that ge in the plasma combustion chamber residual gas scattered beam atoms are not immediately lost, on the one hand the combustion chamber diameter is large compared to the jet diameter knife and on the other hand the chamber consists of material that a small recombination coefficient with regard to the Has molecule formation from beam atoms.

Axial angeordnete Extraktionselektroden für den Ionenstrahl am Ausgang der Plasmabrennkammer sind vorteilhaft gestaltet, wenn ihre lichte Weite wenigstens gleich dem Durchmesser des dort hypothetisch angenommenen Atomstrahls ist. Das trägt entschei dend zur Polarisationserhaltung bei.Axial extraction electrodes for the ion beam on Output of the plasma combustion chamber are advantageously designed if their clear width at least equal to the diameter of the one there hypothetically assumed atomic beam. That is decisive end to polarization maintenance.

Eine Kavität ist um die Plasmabrennkammer gebaut, vorteilhaf terweise mit einem radialen Abstand. Dadurch läßt sich über ein dazwischen strömendes Kühlmedium Wärme von der Brennkam mermantelfläche abführen. Gleichzeitig ist das zur Ionisation eingestrahlte Hochfrequenzfeld nach außen hin abgeschirmt.A cavity is built around the plasma combustion chamber, advantageous with a radial distance. This allows about a cooling medium flowing in between heat from the burner Remove the outer surface. At the same time it is for ionization radiated high-frequency field shielded from the outside.

Anhand der Zeichnung, die eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung enthält, soll ein Ausführungs beispiel zur Erzeugung eines polarisierten Deuteronenstrahls erläutert und beschrieben werden.Using the drawing, which is a schematic representation of the Contains device according to the invention, an execution example for the generation of a polarized deuteron beam are explained and described.

Die Figur zeigt eine schematisch dargestellte Vorrichtung zur Ionisation eines polarisierten Atomstrahls.The figure shows a schematically illustrated device for Ionization of a polarized atomic beam.

Der polarisierte Atomstrahl 1 fokussiert im Bereich der Vor richtungen 2 zur Kernpolarisation. Im weiteren Verlauf nach rechts weitet sich der polarisierte Atomstrahl wieder auf, tritt durch ein Glasrohr 4 in die Plasmabrennkammer 6 ein. Das über den Hohlleiter 7 eingestrahlte Wechselfeld mit der Elek tron-Zyklotron-Resonanzfrequenz ionisiert den Atomstrahl 3, ohne die Polarisation der Kerne zu ändern. Über das an Extrak tionselektroden 8 liegende elektrische Potential werden die Protonen nach rechts aus dem Plasmavolumen 9 wegbeschleunigt und leicht gebündelt. Die Extraktionselektroden 8 haben wenig stens eine solche lichte Weite, daß der nicht ionisierte, sich weitende Atomstrahl 3 sie ungestört durchlaufen könnte. Diese Größe der Öffnungen hat sich als sehr vorteilhaft für die Er haltung der Polarisation der Kerne bzw. Ionen herausgestellt.The polarized atomic beam 1 focuses in the area of the devices 2 for nuclear polarization. In the further course to the right, the polarized atomic beam expands again, enters the plasma combustion chamber 6 through a glass tube 4 . The alternating field irradiated via the waveguide 7 with the electron cyclotron resonance frequency ionizes the atomic beam 3 without changing the polarization of the nuclei. Via the electrical potential at the extraction electrodes 8 , the protons are accelerated to the right out of the plasma volume 9 and slightly bundled. The extraction electrodes 8 have at least such a clear width that the non-ionized, expanding atomic beam 3 could pass through them undisturbed. This size of the openings has proven to be very advantageous for maintaining the polarization of the nuclei or ions.

Die durch die Ionisation freigewordenen Elektronen bleiben in dem von den beiden Spulensystemen 10 gebildete axialen, magne tischen Spiegelfeld gefangen. Ein zwischen den Spulensystemen axial angebrachter Sechspolpermanentmagnet 11 verhindert, daß die Elektronen im mittleren Bereich an die Innenwand der Plas mabrennkammer gelangen.The electrons released by the ionization remain trapped in the axial, magnetic mirror field formed by the two coil systems 10 . A six-pole permanent magnet 11 axially attached between the coil systems prevents the electrons from reaching the inner wall of the plasma combustion chamber in the central region.

Die Randfelder des magnetischen Spiegelfeldes sind nach außen hin in Schalen 12 aus Weicheisen geführt. Die Schalen 12 sind von außen her um die Spulensysteme 10 gelegt. Auslaufende Spiegelfeldanteile greifen so nicht mehr beeinflussend in die Vorrichtung 2 zur Kernpolarisation über.The edge fields of the magnetic mirror field are guided outwards in shells 12 made of soft iron. The shells 12 are placed around the coil systems 10 from the outside. Leaking mirror field portions no longer influence the device 2 for nuclear polarization in an influencing manner.

Zwischen dem Sechspolpermanentmagneten 11 und der Plasmabrenn kammer 6 umschließt konzentrisch die Kavität 13 die Ionisier vorrichtung. In die Kavität 13 strahlt senkrecht zur Strahlachse über den Hohlleiter 7 das Hochfrequenzfeld zur Atomstrahlionisation ein. Gleichzeitig wird es dadurch nach außen hin abgeschirmt.Between the six-pole permanent magnet 11 and the plasma combustion chamber 6 , the cavity 13 concentrically encloses the ionizing device. The high-frequency field for atomic beam ionization radiates into the cavity 13 perpendicular to the beam axis via the waveguide 7 . At the same time, it is shielded from the outside.

Gegenüber dem Hohlleiter 7 ist der Lufteinlaß 14. Durch ihn strömt Luft zur Kühlung in den Ringkanal zwischen Kavität 13 und Plasmabrennkammer 6 und leitet Wärme ab. The air inlet 14 is opposite the waveguide 7 . Air flows through him for cooling into the annular channel between cavity 13 and plasma combustion chamber 6 and dissipates heat.

Über den Puffergaseinlaß 15 läßt man z. B. geringe Mengen Stickstoff oder Helium in die Plasmabrennkammer 6 einströmen. Diese Maßnahme erweist sich bei richtiger Dosierung als stabi lisierend für die Entladung.About the buffer gas inlet 15 , z. B. small amounts of nitrogen or helium flow into the plasma combustion chamber 6 . With the correct dosage, this measure proves to be stabilizing for the discharge.

Bezugszeichenliste:Reference symbol list:

1 elektronenpolarisierter Atomstrahl, polarisierter Atomstrahl
2 Vorrichtungen für Hochfrequenzübergänge, Hochfrequenzfelder
3 kernpolarisierter Atomstrahl
3 a Ionenstrahl
4 Glasrohr
5 Magnetfeldführung
6 Plasmabrennkammer
7 Hohlleiter
8 Extraktionselektroden
9 Plasmavolumen
10 Spulensystem
11 Sechspolpermanentmagnet
12 Schalen aus magnetischem Material
13 Kavität
14 Lufteinlaß
15 Puffergaseinlaß 1 electron-polarized atom beam, polarized atom beam
2 devices for high-frequency transitions, high-frequency fields
3 nuclear polarized atomic beam
3 a ion beam
4 glass tube
5 magnetic field guidance
6 plasma combustion chamber
7 waveguides
8 extraction electrodes
9 plasma volumes
10 coil system
11 six-pole permanent magnet
12 bowls made of magnetic material
13 cavity
14 air intake
15 buffer gas inlet

Claims

1. Device for ionizing a polarized atomic beam in an alternating field with electron cyclotron resonance frequency, the polarization being retained, characterized in that

a) the device for guiding the magnetic field for the inclusion of the electrons released during the ionization on the atomic beam entry side of the plasma combustion chamber is constructed in such a way that at most a negligible superposition with the alternating fields for the high-frequency transitions occurs,
b) the plasma combustion chamber is made of dielectric material, the recombination coefficient of which is small with regard to the molecular formation from beam atoms,
c) axially at the ion beam output of the plasma combustion chamber arranged extraction electrodes have a clear width which is at least equal to the diameter of the atomic beam hypothesized there.

2. Device according to claim 1, characterized in that around the plasma combustion chamber is a cavity that is used for Plasma generation via an alternating field radiated by a waveguide shields from the outside.

3. Apparatus according to claim 2, characterized in that in the ring channel between the cavity and the plasma torch a cooling medium flows from the surface of the plas engine combustion chamber absorbs heat.