EP1222677B1 - Elektronenstossionenquelle - Google Patents

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EP1222677B1
EP1222677B1 EP00982966A EP00982966A EP1222677B1 EP 1222677 B1 EP1222677 B1 EP 1222677B1 EP 00982966 A EP00982966 A EP 00982966A EP 00982966 A EP00982966 A EP 00982966A EP 1222677 B1 EP1222677 B1 EP 1222677B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
electron
electron beam
ion source
vacuum
axis
Prior art date
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Expired - Lifetime
Application number
EP00982966A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP1222677A2 (de
Inventor
Günter ZSCHORNACK
Vladimir Petrovich Ovsyannikov
Frank Grossmann
Oleg Konstantinovich Koulthachev
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Technische Universitaet Dresden
Original Assignee
Technische Universitaet Dresden
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Publication date
Application filed by Technische Universitaet Dresden filed Critical Technische Universitaet Dresden
Publication of EP1222677A2 publication Critical patent/EP1222677A2/de
Application granted granted Critical
Publication of EP1222677B1 publication Critical patent/EP1222677B1/de
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Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J27/00—Ion beam tubes
    • H01J27/02—Ion sources; Ion guns
    • H01J27/16—Ion sources; Ion guns using high-frequency excitation, e.g. microwave excitation
    • H01J27/18—Ion sources; Ion guns using high-frequency excitation, e.g. microwave excitation with an applied axial magnetic field

Definitions

  • the invention relates to an electron impact ion source according to the preamble of claim 1.
  • the electron impact ion source allows the generation of highly charged ions, their extraction, serves as a source of UV, VUV, infrared rays and highly charged ions of characteristic X-rays.
  • EBIT E Lectron B eam I on T rap
  • MA Levine RE Marrs
  • JR Henderson DA Knapp
  • MB Schneider Physica Scripta, T22 (1988) 157 in which multiply-charged ions are generated in an axisymmetric high-density electron beam which is accelerated by a system of consecutive drift tubes under ultra-high vacuum conditions and focused by superconductive home-coil coils.
  • the system consists of an electron gun, several cylindrical drift tubes, an electron collector, an extractor, a focusing magnet system and a system for creating ultra-high vacuum conditions in the plant.
  • the electron beam generates in the middle part of the system an ion trap, which holds the ions in the radial direction by their space charge forces.
  • the obtained highly charged ions can be extracted from the ion trap along the trap axis by lowering the trap potential at the last drift tube.
  • characteristic x-ray radiation and other long-wave electromagnetic radiation emitted by the stored ions are emitted in the meridian plane of the magnet system and perpendicular to the source axis.
  • the maximum achievable ionic charge is a function of the ionization factor j ⁇ , ie the product of the electron current density j and the ion residence time ⁇ in the electron beam of the trap.
  • the process limiting the achievement of highest charge states is essentially the process of transhipment of multiple charged ions to residual gas atoms. Therefore, devices that generate highly charged ions based on the described method must be Forming a high-density electron beam under ultra-high vacuum conditions.
  • cryogenic technology in connection with superconducting technology is used in EBIT plants.
  • Superconducting Helmholtz coils with magnetic field inductions of 3T to 5T are used here to focus the electron beam over the length of the ion trap, which does not exceed 25 mm in known systems.
  • the current density of the electron beam over the case length is 2,000-5,000 A / cm 2 for a total length of the electron-optical system (cathode-electron collector) of more than 30 cm.
  • the cryogenic system fulfills in addition to the Kryostat ist the superconducting Helmholtz coils at a temperature of 4.2 K, the function of an efficient cryopump in the range of the ion trap to create a vacuum of ⁇ 10 -11 to 10 -12 Torr.
  • MTCRO-EBIT As in H. Khodja, JP Briand; Physica Scripta, T71 (1997) 113 described.
  • the basic idea of the design of these plants is that a compact, industrially manufactured klystron is used to generate an ion trap of the EBIT type.
  • the focusing magnetic field which limits the radial dimensions of the electron beam in the region of the ion trap, is generated by two C-shaped permanent magnets, which provide a magnetic induction of strength 0.25 T.
  • the original cathode of the klystron with a maximum emissivity of 2.5 A / cm 2 is used.
  • the ultra-high vacuum in the system is achieved after heating at 300 ° C according to standard technology with the combination of a turbomolecular and an ion getter pump.
  • Ar 16+ ions were detected after an ionization time of 1.2 s, ie an ionization factor of about 1.10 20 cm -2 was achieved, which corresponds to an electron current density of 14 A / cm 2 .
  • This system has a low electron current density in the beam (100 times less than for superconducting EBIT). Associated with this is a limitation to relatively low Tonenladungszupoint as Ar 16+.
  • the unsuitable choice of a cathode with comparatively low emissivity and, associated therewith, the use of an electron gun with a relatively large electrostatic divergence of the electron beam is another decisive disadvantage.
  • a minimum value for the aberrations is possible in the case of paraxial and laminar flows, ie for an electron gun with minimal divergence (compression) of the electron beam and thus for a maximally efficient cathode, ie for a cathode with maximum emission density.
  • the object of the invention is to provide an effective electron impact ion source (WEBIT) without any cryogenic components and without superconducting technique for the preservation highly charged ions, X-ray and VUV spectroscopy on these ions and the extraction of the highly charged ions from the trap for a variety of scientific, technological and technical applications.
  • WEBIT electron impact ion source
  • the object is achieved in conjunction with the features mentioned in the preamble of claim 1, characterized in that the device for axially symmetrical focusing of the electron beam consists of at least two oppositely radially magnetized ring structures and each of the ring structures surrounds the electron beam, and two oppositely radially magnetized ring structures are connected to form a uniform magnetic system by magnetic conductors, wherein the closing magnetic field the residence area of the ions in the trap penetrates.
  • magnetized permanent magnet blocks are assembled into ring structures and enclosed by magnetic conductors of soft magnetic material, so that there is a radial magnetization.
  • magnetized permanent magnet blocks cuboid of hard magnetic materials such as Sm 5 Co or NdFeB, which can be produced efficiently the ring structures.
  • the opening and closing of the ion trap advantageously consists of a three-part drift tube mounted on a high-voltage insulator. At the middle part of a controllable acceleration potential and the two outer parts is set an adjustable trap potential.
  • the central part of the drift tube is provided with a number of slots or other suitable openings running along the axial electron beam, which allow efficient pumping in the region of the ion trap.
  • a vacuum recipient is provided with four flanges in which two opposing flanges form a first axis and two further flanges form a second axis, with first and second axes intersecting on the first axis electron gun, drift tube, electron collector and extractor are arranged in this order, and along the second axis to a flange, a high-voltage bushing for positioning the drift tube in the course of the first axis and at the other flange, a vacuum pump is connected.
  • Other solutions with more or less flanges are possible.
  • the magnetic conductors advantageously pierce the vacuum recipient parallel to the first axis on both sides of the second axis and form a seating for the rings there.
  • the protruding into the vacuum recipient part of the magnetic conductor is angled in a 1-shape and magnetically short-circuited with the drift tube.
  • the advantage of the invention is that highly charged ions can be generated efficiently without cryogenic technology.
  • FIG. 1 the invention is shown schematically.
  • electron gun 3 with cathode 14 three drift tubes 4 , 15 , 4 , an electron collector 5 , and an extractor 6 are arranged in this order.
  • the ion trap is formed by the three drift tubes 4 , 15 , 4 .
  • Two counter-radially magnetized ring structures 2 enclose the axis 16 at the input and output of the drift tube structure 4 , 15 and thus the producible electron beam.
  • the ring structures 2 contain a number of permanent magnet blocks 8 with which the ring structures 2 receive a radial magnetization.
  • inner pole shoes are arranged with which closed magnetic circuits 13 are generated via the drift tube structure 4 , 15 .
  • an electron impact ion source consisting of a vacuum recipient 1 , a magnetically focussing system 2 , an electron gun 3 , a drift tube structure 4 , 15 mounted on a high voltage insulator, which under certain circumstances may dispense with the high voltage insulator, an electron collector 5 and an extractor 6 exists.
  • a vacuum recipient 1 pole pieces 7 of soft magnetic material for field formation in the region of the ion trap are mounted in its interior.
  • the magnetic field is generated by two ring structures 2 of radially magnetized permanent magnet blocks 8 , which, as shown in FIG Fig. 4 are connected to each other by a system of magnetic conductors 7.9 made of soft magnetic material.
  • the individual magnetic elements have the shape of simple cuboid, making it possible without difficulty to use modern hard magnetic materials such as Sm 5 Co or NdFeB.
  • the ring structures 2 are located outside of the vacuum recipient 1 and can therefore be dismantled during the time of a heating of the device to obtain ultrahigh vacuums. This special feature of the system makes it possible to dispense with temperature limitations in the annealing process because of the relatively low Curie temperatures of modern hard magnetic materials.
  • Flanges 10 for the coupling of the system to the system for generating the required vacuum, the isolated vacuum feedthrough 11 to the drift tubes 4,15 and spectroscopic window 12 for the spectroscopy of the characteristic X-rays or VUV radiation, which is formed in the ion-charged electron beam are in the meridian plane of the device. Therefore, the distances between the location of the formation of the characteristic X-ray radiation or the VUV radiation and possible detectors and the distances to the required vacuum pumps can be minimized. This has the consequence that the system has a maximum large solid angle (and thus maximum detection efficiency) in the registration of the characteristic X-ray radiation or VUV radiation and a maximum pumping speed at the vacuum generation.
  • the electron gun 3 differs by its geometric dimensions, in particular by the cathode diameter, which is chosen with the aim to reduce the angular divergence of the electron beam and to achieve a paraxial current.
  • the compression level of the electron beam in the electron gun 3 is 4 (ie, the ratio of the cathode radius to the radius of the electron beam in the cross-over is 2).
  • the values given were obtained for a Brillouin field value of 250 mT and for a cathode emissivity of 25 A / cm 2 .
  • Table I shows the ions obtained with the electron impact ion source of the present invention.
  • Table I element ordinal Maximum state of charge * argon 18 17 krypton 36 34 xenon 54 44 cerium 58 48 iridium 77 67 mercury 80 70 * ) confirmed by X-ray spectroscopy at an electron energy of 15 keV

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  • Chemical & Material Sciences (AREA)
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Description

  • Die Erfindung betrifft eine Elektronenstoßionenquelle gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Elektronenstoßionenquelle erlaubt die Erzeugung hochgeladener Ionen, deren Extraktion, dient als Quelle von UV-, VUV-, Infrarotstrahlen und von charakteristischer Röntgenstrahlung hochgeladener Ionen.
  • Bekannt sind Anlagen des Typs EBIT (Electron Beam Ion Trap) nach M. A. Levine, R. E. Marrs, J. R. Henderson, D. A. Knapp, M. B. Schneider; Physica Scripta, T22 (1988) 157, in denen vielfachgeladene Ionen in einem axialsymmetrischen Elektronenstrahl hoher Dichte erzeugt werden, der durch ein System aufeinanderfolgender Driftröhren unter Ultrahochvakuumbedingungen beschleunigt und durch supraleitende Heimholtzspulen fokussiert wird.
    Die Anlage besteht aus einer Elektronenkanone, mehreren zylindrischen Driftröhren, einem Elektronenkollektor, einem Extraktor, einem fokussierendem Magnetsystem und einem System zur Erzeugung von Ultrahochvakuumbedingungen in der Anlage.
    Der Elektronenstrahl erzeugt im mittleren Teil der Anlage eine Ionenfalle, welche die Ionen in radialer Richtung durch ihre Raumladungskräfte hält. In axialer Richtung werden die Ionen, die im Elektronenstrahl durch Elektronenstoßionisation erzeugt werden, durch positive Potentiale an den Enden der Driftröhrenstrukturen entsprechend E. D. Donets; USSR Inventors Certificate No. 248860, March 16, 1967 , Bull. OIPOTZ No.23 (1969) 65 gehalten.
  • Die erhaltenen hochgeladenen Ionen können aus der Ionenfalle längs der Fallenachse extrahiert werden, indem das Fallenpotential an der letzten Driftröhre abgesenkt wird. Während der Ionenspeicherung in der Falle wird von den gespeicherten Ionen emittierte charakteristische Röntgenstrahlung und andere langwellige elektromagnetische Strahlung in der Meridianebene des Magnetsystems und senkrecht zur Quellenachse abgestrahlt.
    Die maximal erreichbare Ionenladung ist eine Funktion des Ionisationsfaktors jτ, d.h. des Produktes aus der Elektronenstromdichte j und der Ionenaufenthaltszeit τ im Elektronenstrahl der Falle. Als für das Erreichen höchster Ladungszustände begrenzender Prozess wirken im wesentlichen Umladungsprozesse vielfachgeladener Ionen an Restgasatomen. Daher müssen Geräte, die auf der Basis der beschriebenen Methode hochgeladene Ionen erzeugen, die Formierung eines hochdichten Elektronenstrahls unter Ultrahochvakuumbedingungen ermöglichen.
  • Zum Erreichen der genannten Ziele wird in EBIT-Anlagen kryogene Technik in Verbindung mit Supraleitungstechnik eingesetzt. Supraleitende Helmholtzspulen mit Induktionen des magnetischen Feldes von 3T bis 5T werden hier zur Fokussierung des Elektronenstrahls über die Länge der Ionenfalle eingesetzt, wobei diese in bekannten Anlagen 25 mm nicht überschreitet. Die Stromdichte des Elektronenstrahls beträgt über die Fallenlänge 2.000-5.000 A/cm2 bei einer Gesamtlänge des elektronenoptischen Systems (Kathode - Elektronenkollektor) von mehr als 30 cm. Das kryogene System erfüllt neben der Kryostatierung der supraleitenden Helmholtzspulen bei einer Temperatur von 4,2 K die Funktion einer leistungsfähigen Kryopumpe im Bereich der Ionenfalle zur Erzeugung eines Vakuums von ≥ 10-11 bis 10-12 Torr.
  • Ebenfalls bekannt sind Anlagen des WEBIT-Typs (V.P. Ovsyannikov, G. Zschomack; Review of Scientific Instruments, 70 (1999) 2646, welche ebenfalls aus einer Elektronenkanone, drei zylindrischen Driftröhren, einem Elektronenkallektor, einem Ionenextraktor, einem fokussierenden Magnetssystem und einem aufwändigen System zur Erzeugung von Ultrahochvakuumbedingungen bestehen.
  • Die ausgesprochen anspruchsvollen technischen Parameter derartiger Anlagen führen zu komplexe, technisch schwierigen und sehr teuren Anlagen. Zusätzlich begrenzend wirken die erforderliche kryogene und Ultrahochvakuumtechnik.
  • Eine Absenkung der Elektronenstromdichte auf 200 bis 500 A/cm2 führt zu einer Erhöhung der zur Erzeugung eines bestimmten Ionenladungszustandes erforderlichen Zeit in der Falle und damit zu einer Verringerung der mittleren Strahlintensität für extrahierte vielfachgeladene Ionen, die aber durch eine Vergrößerung des Elektronengesamtstroms kompensiert werden kann.
    Zur Formierung von Elektronenstrahlen mit den oben angegebenen Dichten sind fokussierende Magnetfelder der Stärke 0,2 T bis 0,5 T erforderlich, die von Permanentmagnetsystemen auf der Basis moderner magnetischer Materialien erzeugt werden können.
    Der Einsatz moderner Vakuumtechnik ermöglicht es, Ultrahochvakua im Druckbereich bis 10-12 Torr ohne kryogene Technik zu erreichen.
  • Dies führte zum Bau einer sogenannten MTCRO-EBIT, wie in H. Khodja, J. P. Briand; Physica Scripta, T71 (1997) 113 beschrieben. Die grundlegende Idee der Konstruktion dieser Anlagen besteht darin, daß ein kompaktes, industriell gefertigtes Klystron zur Erzeugung einer Ionenfalle des EBIT-Typs genutzt wird. Das fokussierende magnetische Feld, welches die radialen Abmaße des Elektronenstrahls im Bereich der Ionenfalle begrenzt, wird von zwei C-förmigen Permanentmagneten erzeugt, die eine magnetische Induktion der Stärke 0,25 T liefern. Zur Generierung des Elektronenstrahls wird die Originalkathode des Klystrons mit einer maximalen Emissivität von 2,5 A/cm2 genutzt. Das Ultrahochvakuum in der Anlage wird nach einem Ausheizen bei 300°C nach Standardtechnologie mit der Kombination von je einer Turbomolekular- und einer Ionengetterpumpe erreicht. In der MICRO-EBIT wurden Ar16+ Ionen nach einer Ionisationszeit von 1,2 s nachgewiesen, d.h. es wurde ein lonisationsfaktor von etwa 1.1020 cm-2 erreicht, was einer Elektronenstromdichte von 14 A/cm2 entspricht.
    Diese Anlage weist eine niedrige Elektronenstromdichte im Strahl (100 mal geringer als für supraleitende EBIT) auf. Damit verbunden ist eine Beschränkung auf vergleichsweise geringe Tonenladungszustände wie Ar16+.
    Die ungeeignete Wahl einer Kathode mit vergleichsweise geringer Emissivität und damit verbunden die Verwendung einer Elektronenkanone mit einer relativ großen elektrostatischen Divergenz des Elektronenstrahls ist ein weiterer entscheidender Nachteil.
  • Wie aus S. I. Molokovski, A. D. Suschkov; Intensive Elektronen- und Ionenstrahlen, Vieweg Verlag, Wiesbaden, 1999 bekannt ist, kann die maximale Stromstärke im durch ein magnetisches Längsfeld fokussierten Elektronenstrahl für Brillouinsche Fokussierung erhalten werden, wenn das Magnetfeld am Ort der Kathode verschwindet. In einem solchen System ist die sogenannte Brillouindichte des Elektronenflusses durch thermische Geschwindigkeitskomponenten der Elektronen bei ihrem Austreten aus der Kathode (siehe auch M.Szilagyi; Electron and Ion Optics, Plenum Press, New York and London, 1988) und durch Aberrationen in der Anodenlinse begrenzt. Ein minimaler Wert für die Aberrationen ist für den Fall paraxialer und laminarer Flüsse möglich, d.h. für eine Elektronenkanone mit minimaler Divergenz (Kompression) des Elektronenstrahls und somit für eine maximal effiziente Kathode, d.h. für eine Kathode mit maximal hoher Emissionsdichte.
  • Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Schaffung einer effektiven Elektronenstoßionenquelle (WEBIT) ohne jegliche kryogene Komponenten und ohne Supraleitungstechnik für den Erhalt hochgeladener Ionen, der Röntgen- und VUV-Spektroskopie an diesen Ionen und der Extraktion der hochgeladenen Ionen aus der Falle zum Zwecke unterschiedlichster wissenschaftlicher, technologischer und technischer Anwendungen.
  • Erfindungsgemäß wird die Aufgabe in Verbindung mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Merkmalen dadurch gelöst, daß
    die Einrichtung zur axialsymmetrischen Fokussierung des Elektronenstrahles aus wenigstens zwei gegenläufig radial magnetisierten Ringstrukturen besteht und jeder der Ringstrukturen den Elektronenstrahl umschließt, und je zwei gegenläufig radial magnetisierte Ringstrukturen zu einem einheitlichen Magnetsystem durch magnetische Leiter verbunden sind, wobei das sich schließende Magnetfeld den Aufenthaltsbereich der Ionen in der Falle durchdringt.
  • Vorteilhaft sind magnetisierte Permanentmagnetblöcke zu Ringstrukturen zusammengefügt und durch magnetische Leiter aus weichmagnetischem Material umschlossen, so daß sich eine radiale Magnetisierung ergibt.
  • Weiter vorteilhaft sind die magnetisierten Permanentmagnetblöcke Quader aus hartmagnetischen Materialien wie Sm5Co oder NdFeB, wodurch sich die Ringstrukturen rationell herstellen lassen.
  • Die zu öffnende und zu schließende Ionenfalle besteht vorteilhaft aus einer auf einem Hochspannungsisolator montierten dreigeteilten Driftröhre. An den mittleren Teil ist ein steuerbares Beschleunigungspotential und die beiden äußeren Teile ein einstellbares Fallenpotential gelegt.
  • Zur Erzeugung eines maximalen Vakuums in der Ionisationszone ist der mittlere Teil der Driftröhre mit einer Anzahl von entlang des axialen Elektronenstrahls verlaufenden Langlöchern oder anderen geeigneten Öffnungen versehen, die ein effizientes Pumpen im Bereich der Ionenfalle ermöglichen.
  • Bei einer vorteilhaft ausgestalteten Elektronenstoßionenquelle ist ein Vakuumrezipient mit vier Flanschen vorgesehen, bei dem zwei sich gegenüberliegende Flansche eine erste Achse bilden und zwei weitere Flansche eine zweite Achse bilden, wobei erste und zweite Achse sich kreuzen, auf der ersten Achse Elektronenkanone, Driftröhre, Elektronenkollektor und Extraktor in dieser Reihenfolge angeordnet sind, und entlang der zweiten Achse an einem Flansch eine Hochspannungsdurchführung zur Positionierung der Driftröhre im Verlauf der ersten Achse und an dem anderen Flansch eine Vakuumpumpe anschließbar ist. Andere Lösungen mit mehr oder weniger Flanschen sind möglich.
  • Vorteilhaft durchstechen bei einer derartigen Ausführung die magnetischen Leiter parallel zur ersten Achse den Vakuumrezipienten beidseits der zweiten Achse und bilden dort einen Aufsitz für die Ringe. Der in den Vakuumrezipienten ragende Teil der magnetischen Leiter ist 1-förmig abgewinkelt und mit der Driftröhre magnetisch kurzgeschlossen.
  • Mit der erfindungsgemäßen Elektronenstoßionenquelle ist ein minimaler Wert der Aberrationen für paraxiale und laminare Flüsse möglich, Dazu wird eine Elektronenkanone mit minimaler Divergenz (Kompression) des Elektronenstrahls und somit mit maximal effizienter Kathode, d.h. eine Kathode mit maximal hoher Emissionsdichte, eingesetzt.
  • Somit besteht der Vorteil der Erfindung darin, daß hochgeladene Ionen ohne kryogene Technik auf effiziente Weise erzeugt werden können.
  • Die Erfindung wird nachfolgend an Ausführungsbeispielen näher erläutert. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen:
    • Fig. 1 eine schematische Darstellung der Erfindung
    • Fig. 2 eine vorteilhafte Ausführung der Erfindung in schematisch geschnittener Darstellung
    • Fig. 3 einen Schnitt A-A entsprechend der Darstellung in Fig. 2
    • Fig. 4 eine Darstellung entsprechend Fig. 3
  • In der Fig. 1 ist die Erfindung schematisch dargestellt. Auf der Achse 16 sind Elektronenkanone 3 mit Kathode 14 drei Driftröhren 4, 15, 4, ein Elektronenkollektor 5, und ein Extraktor 6 in dieser Reihenfolge angeordnet. Die Ionenfalle wird durch die drei Driftröhren 4, 15, 4 gebildet. Zwei gegenläufig radial magnetisierte Ringstrukturen 2 umschließen die Achse 16 eingangs und ausgangs der Driftröhrenstruktur 4,15 und somit den erzeugbaren Elektronenstrahl. Die Ringstrukturen 2 enthalten eine Anzahl von Permanentmagnetblöcken 8, mit denen die Ringstrukturen 2 eine radiale Magnetisierung erhalten. Zwischen den Enden der Driftröhrenstruktur 4,15 und den Ringstrukturen 2 sind innere Polschuhe angeordnet, mit denen über die Driftröhrenstruktur 4,15 geschlossene magnetische Kreise 13 erzeugt werden.
  • In den Figuren 2 und 3 ist eine erfindungsgemäße Elektronenstoßionenquelle dargestellt, die aus einem Vakuumrezipienten 1, einem magnetisch fokussierenden System 2, einer Elektronenkanone 3, aus einer auf einen Hochspannungsisolator montierten Driftröhrenstruktur 4,15, wobei unter bestimmten Umständen auf den Hochspannungsisolator verzichtet werden kann, einem Elektronenkollektor 5 und einem Extraktor 6 besteht. Im Vakuumrezipienten 1 sind in seinem Inneren Polschuhe 7 aus weichmagnetischem Material zur Feldformierung im Bereich der Ionenfalle montiert.
  • Das Magnetfeld wird von zwei Ringstrukturen 2 aus radial magnetisierten Permanentmagnetblöcken 8 erzeugt, die entsprechend der Darstellung in Fig. 4 miteinander durch ein System magnetischer Leiter 7,9 aus weichmagnetischem Material verbunden sind. Die einzelnen magnetischen Elemente haben die Form einfacher Quader, was es ohne Schwierigkeiten möglich macht, moderne hartmagnetische Materialien wie Sm5Co oder NdFeB zu nutzen.
  • Die Ringstrukturen 2 befinden sich außerhalb des Vakuumrezipienten 1 und können daher während der Zeit einer Ausheizung des Gerätes zum Erhalt von Ultrahochvakua demontiert werden. Diese Besonderheit der Anlage ermöglicht es, auf Temperaturbegrenzungen im Ausheizprozeß wegen der relativ niedrigen Curietemperaturen moderner hartmagnetischer Materialien zu verzichten.
  • Flansche 10 für die Ankopplung der Anlage an das System zur Erzeugung des erforderlichen Vakuums, die isolierte Vakuumdurchführung 11 zu den Driftröhren 4,15 und spektroskopische Fenster 12 zur Spektroskopie der charakteristischen Röntgenstrahlung bzw von VUV-Strahlung, die im mit Ionen beladenen Elektronenstrahl entsteht, befinden sich in der Meridianebene des Gerätes. Daher können die Abstände zwischen dem Ort des Entstehens der charakteristischen Röntgenstrahlung bzw der VUV-Strahlung und möglichen Detektoren sowie die Abstände zu den erforderlichen Vakuumpumpen minimal gehalten werden. Dies hat zur Folge, daß die Anlage einen maximal großen Raumwinkel (und damit maximale Nachweiseffektivität) bei der Registration der charakteristischen Röntgenstrahlung bzw. der VUV-Strahlung und eine maximal große Pumpgeschwindigkeit bei der Vakuumerzeugung aufweist.
  • Die Elektronenkanone 3 unterscheidet sich durch ihre geometrischen Abmaße, hier insbesondere durch den Kathodendurchmesser, der mit dem Ziel gewählt wird, die Winkeldivergenz des Elektronenstrahls zu verringern und einen paraxialen Strom zu erreichen.
  • Dies wird durch die Verwendung hocheffektiv emittierender Kathodenmaterialien erreicht, wie sie zum Beispiel als monokristalline Bor-Lanthan-Kathoden bekannt sind.
  • Zum Vergleich mit bekannten EBIT und EBIS Anlagen werden mindestens die folgenden Parameter erreicht:
    • eine Elektronenstromdichte von 200 A/cm2,
    • ein Elektronenstrom von 50 mA und
    • eine Elektronenenergie von 30 keV.
  • Die Kompressionsstufe des Elektronenstrahls in der Elektronenkanone 3 beträgt 4 (d.h. das Verhältnis vom Kathodenradius zum Radius des Elektronenstrahls im Cross-Over ist gleich 2). Die angegebenen Werte wurden für einen Wert des Brillouinfeldes von 250 mT und für eine Kathodenemissivität von 25 A/cm2 erhalten.
  • Die folgende Tabelle zeigt die mit der erfindungsgemäßen Elektronenstoßionenquelle erhaltenen Ionen. Tabelle I
    Element Ordnungszahl Maximaler Ladungszustand*)
    Argon 18 17
    Krypton 36 34
    Xenon 54 44
    Cer 58 48
    Iridium 77 67
    Quecksilber 80 70
    *) röntgenspektroskopisch nachgewiesen bei einer Elektronenenergie von 15 keV
    • Bezugszeichenliste
    • 1 -
    Vakuumrezipient
    2 -
    Ring
    3 -
    Elektronenkanone
    4 -
    Driftröhre, zur Realisierung der Ionenfalle
    5 -
    Elektronenkollektor
    6 -
    Extraktor
    7 -
    innerer Polschuh
    8 -
    Permanentmagnetblock
    9 -
    magnetischer Leiter
    10 -
    Flansch
    11 -
    isolierte Vakummdurchführung
    12 -
    spektroskopisches Fenster
    13 -
    magnetischer Kreis
    14 -
    Kathode
    15 -
    zentrale Driftröhre
    16 -
    Achse
    17 -
    Achse

Claims (8)

  1. Elektronenstoßionenquelle zur Erzeugung hochgeladener Ionen, bestehend aus
    - einer Elektronenkanone mit Kathode und Anode zur Erzeugung und Beschleunigung von Elektroden, wobei die Kathode eine Emissivität von ≥ 25 A/cm2 aufweist,
    - einer Einrichtung zur axialsymmetrischen Fokussierung des Elektronenstrahles,
    - Mitteln zur Einbringung von ionisierbaren Substanzen in eine zu öffnende und zu schließende Ionenfalle im Bereich des axialsymmetrisch fokussierten Elektronentrahles,
    - einer Einrichtung zur Vernichtung der Elektronen nach dem Durchgang durch die Ionenfalle,
    - sowie einer Einrichtung zur Erzeugung eines Vakuums um den axialsymmetrisch fokussierten Elektronenstrahl und die darin befindliche Ionenfalle, wobei ein Vakuum von 10-7 bis 10-11 Torr im Aufenthaltsbereich der Ionen während des Betriebs der Elektronenstoßionenquelle einstellbar ist,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    - die Einrichtung zur axialsymmetrischen Fokussierung des Elektronenstrahles aus wenigstens zwei gegenläufig radial magnetisierten Ringstrukturen (2) besteht und jede der Ringstrukturen (2) den Elektronenstrahl umfaßt,
    - je zwei gegenläufig radial magnetisierte Ringstrukturen (2) zu einem einheitlichen Magnetsystem durch magnetische Leiter (7,9) verbunden sind, wobei das sich schließende Magnetfeld den Aufenthaltsbereich der Ionen in der Ionenfalle durchdringt.
  2. Elektronenstoßionenquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die radial magnetisierten Ringstrukturen (2) durch Permanentmagnetblöcke (8) gebildet werden und durch die magnetischen Leiter (7,9) zu einem magnetischen Kreis (13) verbunden sind, wobei die magnetischen Leiter (7, 9) aus weichmagnetischem Material gebildet sind.
  3. Elektronenstoßionenquelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetisierten Permanentmagnetblöcke (8) Quader aus hartmagnetischen Materialien wie Sm5Co oder NdFeB bestehen.
  4. Elektronenstoßionenquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die radial magnetisierten Ringstrukturen (2) außerhalb der Einrichtung zur Erzeugung eines Vakuums abnehmbar angeordnet sind.
  5. Elektronenstoßionenquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die zu öffnende und zu schließende Ionenfalle aus einer auf einem Hochspannungsisolator montierten dreigeteilten Driftröhre (4,15,4) besteht, wobei an den mittleren Teil (15) ein steuerbares Beschleunigungspotential und die beiden äußeren Potentiale ein einstellbares Fallenpotential legbar ist.
  6. Elektronenstoßionenquelle nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die zentrale Driftröhre (15) mit einer Anzahl von entlang des axialen Elektronenstrahls verlaufenden Langlöchern zur Erzeugung eines Vakuums in der Ionisationszone versehen ist.
  7. Elektronenstoßionenquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein Vakuumrezipient (1) mit vier Flanschen (10) vorgesehen ist, bei dem zwei sich gegenüberliegende Flansche eine erste Achse (16) bilden und zwei weitere Flansche eine zweite Achse (17) bilden, wobei erste und zweite Achse (16,17) sich kreuzen, auf der ersten Achse (16) Elektronenkanone (3), Driftröhren (4,15,4), Elektronenkollektor (5) und Extraktor (6) in dieser Reihenfolge angeordnet sind, und entlang der zweiten Achse (17) an einem Flansch eine Hochspannungsdurchführung (11) zur Positionierung der Driftröhren (4,15,4) im Verlauf der ersten Achse (16) und an dem anderen Flansch (10) eine Vakuumpumpe anschließbar ist.
  8. Elektranenstoßionenquelle nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetischen Leiter (7) parallel zur ersten Achse (16) den Vakuumrezipienten (1) beidseits der zweiten Achse (17) durchstechen und einen Aufsitz für die Ringstrukturen (2) bilden, und der in den Vakuumrezipienten (1) ragende Teil der magnetischen Leiter (7) L-förmig abgewinkelt ist und mit den Driftröhren (4) magnetisch kurzgeschlossen ist.
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