JPH0442774B2 - - Google Patents
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- JPH0442774B2 JPH0442774B2 JP63248939A JP24893988A JPH0442774B2 JP H0442774 B2 JPH0442774 B2 JP H0442774B2 JP 63248939 A JP63248939 A JP 63248939A JP 24893988 A JP24893988 A JP 24893988A JP H0442774 B2 JPH0442774 B2 JP H0442774B2
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Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
- H01J27/00—Ion beam tubes
- H01J27/02—Ion sources; Ion guns
- H01J27/26—Ion sources; Ion guns using surface ionisation, e.g. field effect ion sources, thermionic ion sources
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- Chemical & Material Sciences (AREA)
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- Combustion & Propulsion (AREA)
- Electron Sources, Ion Sources (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】
<発明の利用分野>
この発明は、適当な粒子、例えば原子、をイオ
ン化電極の加熱された表面上で接触イオン化
(Kontaktionsation)により生成して、この接触
イオン化表面で生成されたイオンをイオン化電極
と加速電極との間の加速領域で加速して、加速さ
れたイオンのビームを作るための装置に関するも
のである。
ン化電極の加熱された表面上で接触イオン化
(Kontaktionsation)により生成して、この接触
イオン化表面で生成されたイオンをイオン化電極
と加速電極との間の加速領域で加速して、加速さ
れたイオンのビームを作るための装置に関するも
のである。
<発明の背景>
簡単に「熱表面イオン源」または「接触イオン
化源」と呼ばれるこの型の装置は、例えば、1973
年ニューヨークで発行されたウイルソン(R.G.
Wilson)氏及びブリユウ(G.R.Brewer)氏によ
る「イオンビーム(Ion Beams)」、特に、その
26〜36頁及び72〜77頁に記載されている。この種
の装置は、中性の原子が、それが吸収されない程
充分に加熱された表面に当たると、その原子のう
ちの幾つかはその加熱表面を離れる時にイオン化
されるという現象に基づいている。イオン化度
R、即ち、加熱表面を離れる粒子の総数に対する
イオンの比率にはサハ・ラングミユアの法則があ
てはまる。陽イオンについてのイオン化度R+は R+=n+/(n0+n+)=(1+K+exp((I−W
)/kT))-1……(1) また、陰イオンについてのイオン化度R-は、 R-=n-/(n0+n-)=(1+K-exp((W−E
)/kT))-1……(2) で表わされる。ここで n+は表面を離れる陽イオンの数 n-は表面を離れる陰イオンの数 n0は表面を離れる中性の原子の数 Wは表面の電子仕事関数 Iは原子のイオン化仕事(Ionisierungsarbeit) Eは原子の電子親和力 Tは表面の温度 kはボルツマン定数 K+、K-はそれぞれ、陽イオンと陰イオンにつ
いての統計的係数(アルカリ金属に対しては、
K+=2、ハロゲンに対してはK-=4) である。
化源」と呼ばれるこの型の装置は、例えば、1973
年ニューヨークで発行されたウイルソン(R.G.
Wilson)氏及びブリユウ(G.R.Brewer)氏によ
る「イオンビーム(Ion Beams)」、特に、その
26〜36頁及び72〜77頁に記載されている。この種
の装置は、中性の原子が、それが吸収されない程
充分に加熱された表面に当たると、その原子のう
ちの幾つかはその加熱表面を離れる時にイオン化
されるという現象に基づいている。イオン化度
R、即ち、加熱表面を離れる粒子の総数に対する
イオンの比率にはサハ・ラングミユアの法則があ
てはまる。陽イオンについてのイオン化度R+は R+=n+/(n0+n+)=(1+K+exp((I−W
)/kT))-1……(1) また、陰イオンについてのイオン化度R-は、 R-=n-/(n0+n-)=(1+K-exp((W−E
)/kT))-1……(2) で表わされる。ここで n+は表面を離れる陽イオンの数 n-は表面を離れる陰イオンの数 n0は表面を離れる中性の原子の数 Wは表面の電子仕事関数 Iは原子のイオン化仕事(Ionisierungsarbeit) Eは原子の電子親和力 Tは表面の温度 kはボルツマン定数 K+、K-はそれぞれ、陽イオンと陰イオンにつ
いての統計的係数(アルカリ金属に対しては、
K+=2、ハロゲンに対してはK-=4) である。
W−I>0.4eVで、E−W>0.4eVならば、R+
とR-はほぼ1であり、表面に衝突する実質的に
全ての原子が陽イオン及び陰イオンとなる。例え
ば、セシウム蒸気(I=3.88eV)が加熱された
(1300〓)のタングステン表面(W=4.54eV)に
当たると、実用上完全に陽イオン化され、また、
例えば、ヨー素蒸気(E=3.23eV)が加熱され
た六硼化ランタン表面(W=2.70eV)に当たる
と、実質的に完全に陰イオン化される。他のアル
カリ金属やハロゲン、あるいは、他の多数の原子
についても、同様な高イオン化度が達成できる。
とR-はほぼ1であり、表面に衝突する実質的に
全ての原子が陽イオン及び陰イオンとなる。例え
ば、セシウム蒸気(I=3.88eV)が加熱された
(1300〓)のタングステン表面(W=4.54eV)に
当たると、実用上完全に陽イオン化され、また、
例えば、ヨー素蒸気(E=3.23eV)が加熱され
た六硼化ランタン表面(W=2.70eV)に当たる
と、実質的に完全に陰イオン化される。他のアル
カリ金属やハロゲン、あるいは、他の多数の原子
についても、同様な高イオン化度が達成できる。
イオン化用粒子を蒸気の形で、適当な材料で作
つたイオン化電極の前方からその加熱表面上へ通
過させ、あるいは、後方から適当な材料のフリツ
トを加熱したものを通して、多孔質な表面に拡散
させることは知られている。その結果生じたイオ
ンは、上記表面とこれから前方に間隔を置いて配
置された加速電極との間に形成された電界によつ
て、上記表面から吸引されて離される。この場
合、得ることのできる電流密度Jはチヤイルドの
空間電荷の法則によつて決まる。即ち、平面的な
構成については、 J=5.45×10-8V1.5 /√d2Acm-2 ……(3) である。ここで、 Vは加速電圧 Mは質量数 dはイオン化表面と加速電極または抽出電極と
の間の距離である。
つたイオン化電極の前方からその加熱表面上へ通
過させ、あるいは、後方から適当な材料のフリツ
トを加熱したものを通して、多孔質な表面に拡散
させることは知られている。その結果生じたイオ
ンは、上記表面とこれから前方に間隔を置いて配
置された加速電極との間に形成された電界によつ
て、上記表面から吸引されて離される。この場
合、得ることのできる電流密度Jはチヤイルドの
空間電荷の法則によつて決まる。即ち、平面的な
構成については、 J=5.45×10-8V1.5 /√d2Acm-2 ……(3) である。ここで、 Vは加速電圧 Mは質量数 dはイオン化表面と加速電極または抽出電極と
の間の距離である。
ドイツ特許公報第DE−PS 28 05 273 C3号で
公知の、接触イオン化により加速イオンのビーム
を作るための装置においては、放出電流密度の空
間電荷による限界値は、平面状電極の場合に比較
すると、イオン化表面に大きな凸状湾曲を与えて
その上に非常に高い電界強度が得られるようにす
ることによつて、より高い値になつている。する
と、放出電流密度はイオン化用元素の電極間の蒸
気圧によつて左右されることになる。この蒸気圧
は蒸気中における衝撃イオン化による電気的降服
を生じさせない程度の高さに選択すればよい。
公知の、接触イオン化により加速イオンのビーム
を作るための装置においては、放出電流密度の空
間電荷による限界値は、平面状電極の場合に比較
すると、イオン化表面に大きな凸状湾曲を与えて
その上に非常に高い電界強度が得られるようにす
ることによつて、より高い値になつている。する
と、放出電流密度はイオン化用元素の電極間の蒸
気圧によつて左右されることになる。この蒸気圧
は蒸気中における衝撃イオン化による電気的降服
を生じさせない程度の高さに選択すればよい。
<発明の概要>
この出願の特許請求の範囲に示した発明は、上
記した限界値を克服するものである。即ち、イオ
ン化のための蒸気は加速電極とイオン化電極の大
きく凸状に湾曲した加熱されたイオン化表面との
間の空間中に導入されない。この発明では、イオ
ン化電極は、好ましくは、例えば、穿孔の如き、
毛管状の管を有し、イオン化される原子は気体あ
るいは蒸気の形で、貯蔵装置、炉あるいは他の任
意の適当なイオン化原子源から、この管の後部入
口を介し管を通して送られる。この管はフリツト
の孔に比較して巨視的である。加熱された穿孔あ
るいは毛管を通過する時、原子は内壁でイオン化
され、管の出口から出ると直ちに、イオン化電極
の先端にある強い電界に遭遇して、これによつて
加速される。加速領域における蒸気圧は、少量
の、毛管から出てくるイオン化されなかつた蒸気
と、イオンの形で加速電極を衝撃し、後続のイオ
ンによつて再び原子の形をとつた原子とによつて
決まる。前述した同形式の公知の装置と同じ放出
電流密度を得るには、蒸気圧は相当低くでき、逆
に、蒸気の供給率を適当に高くすると、電気降服
を生じさせることなく、従来の装置に比してかな
り高い放出電流密度を達成することが可能であ
る。
記した限界値を克服するものである。即ち、イオ
ン化のための蒸気は加速電極とイオン化電極の大
きく凸状に湾曲した加熱されたイオン化表面との
間の空間中に導入されない。この発明では、イオ
ン化電極は、好ましくは、例えば、穿孔の如き、
毛管状の管を有し、イオン化される原子は気体あ
るいは蒸気の形で、貯蔵装置、炉あるいは他の任
意の適当なイオン化原子源から、この管の後部入
口を介し管を通して送られる。この管はフリツト
の孔に比較して巨視的である。加熱された穿孔あ
るいは毛管を通過する時、原子は内壁でイオン化
され、管の出口から出ると直ちに、イオン化電極
の先端にある強い電界に遭遇して、これによつて
加速される。加速領域における蒸気圧は、少量
の、毛管から出てくるイオン化されなかつた蒸気
と、イオンの形で加速電極を衝撃し、後続のイオ
ンによつて再び原子の形をとつた原子とによつて
決まる。前述した同形式の公知の装置と同じ放出
電流密度を得るには、蒸気圧は相当低くでき、逆
に、蒸気の供給率を適当に高くすると、電気降服
を生じさせることなく、従来の装置に比してかな
り高い放出電流密度を達成することが可能であ
る。
<実施例の説明>
以下、図面を参照して、この発明を詳細に説明
する。
する。
図に示した加速セシウムイオンのビームを作る
ための装置は、高い電子仕事関数を持つた材料、
例えばタンタル、で作つた細長い管状のイオン化
電極1と、このイオン化電極1の前端部の前方に
距離dを置いて配置された環状デイスクの形の加
速電極3とを備えている。イオン化電極の前端部
は加速電極3の方向にテーパが施されており、そ
の先端で毛管孔を有するドーム状の先端部2を形
成している。この先端部の直径は加速電極3から
の距離dに比較して小さい。管状イオン化電極1
の内径は、第1図に示すように、先端部に近づく
に従つて、段階的に小さくなつている。
ための装置は、高い電子仕事関数を持つた材料、
例えばタンタル、で作つた細長い管状のイオン化
電極1と、このイオン化電極1の前端部の前方に
距離dを置いて配置された環状デイスクの形の加
速電極3とを備えている。イオン化電極の前端部
は加速電極3の方向にテーパが施されており、そ
の先端で毛管孔を有するドーム状の先端部2を形
成している。この先端部の直径は加速電極3から
の距離dに比較して小さい。管状イオン化電極1
の内径は、第1図に示すように、先端部に近づく
に従つて、段階的に小さくなつている。
管状イオン化電極1の前端部は環状の熱陰極6
によつて取囲まれており、熱陰極6は熱遮蔽体と
して働く金属シート製の円筒7によつて包囲され
ている。管状イオン化電極1の加速電極3から遠
い側の端部は貯蔵器8に連絡している。貯蔵器8
はセシウム金属9で部分的に満たされており、ま
た、セシウムの蒸気圧を所要の値にすることがで
きるように貯蔵器8を加熱する加熱ジヤケツト1
0を備えている。
によつて取囲まれており、熱陰極6は熱遮蔽体と
して働く金属シート製の円筒7によつて包囲され
ている。管状イオン化電極1の加速電極3から遠
い側の端部は貯蔵器8に連絡している。貯蔵器8
はセシウム金属9で部分的に満たされており、ま
た、セシウムの蒸気圧を所要の値にすることがで
きるように貯蔵器8を加熱する加熱ジヤケツト1
0を備えている。
代表的な寸法は、先端部の直径=0.4mm、毛管
の直径=0.1mm、距離d=5mmである。
の直径=0.1mm、距離d=5mmである。
動作を説明すると、イオン化電極1の前端部は
電子衝撃によつて約1300〓の所要温度まで加熱さ
れる。これを行うために、毛管を環状に包囲する
熱陰極6のフイラメントから電子が放出され、数
KVの電圧よりイオン化電極に向けて半径方向に
加速される。セシウム蒸気4が加熱された貯蔵器
8から管状イオン化電極1を通して送られ、その
際、セシウム蒸気はイオン化電極の加熱された内
壁、特に、前端毛管部分の加熱された内壁に当た
つてイオン化される。イオン化電極1と加速電極
3との間には数KVの電圧が印加されており、そ
の極性は毛管から出たCs+イオンが加速電極3に
向けて加速されるように選ばれている。これによ
り、数KeVのエネルギを持つCs+イオンビーム5
が加速電極3の中心孔から放出される。
電子衝撃によつて約1300〓の所要温度まで加熱さ
れる。これを行うために、毛管を環状に包囲する
熱陰極6のフイラメントから電子が放出され、数
KVの電圧よりイオン化電極に向けて半径方向に
加速される。セシウム蒸気4が加熱された貯蔵器
8から管状イオン化電極1を通して送られ、その
際、セシウム蒸気はイオン化電極の加熱された内
壁、特に、前端毛管部分の加熱された内壁に当た
つてイオン化される。イオン化電極1と加速電極
3との間には数KVの電圧が印加されており、そ
の極性は毛管から出たCs+イオンが加速電極3に
向けて加速されるように選ばれている。これによ
り、数KeVのエネルギを持つCs+イオンビーム5
が加速電極3の中心孔から放出される。
このイオンビームはその前段電極が加速電極3
で構成される静電レンズ11(第2図)によつて
集束させることができる。この装置の全体は、そ
の一部のみが第2図に示されている真空容器12
の中に置かれている。説明を簡単にするために、
第2図では、電極取付け体や電気ブツシング等が
省略されているが、これらは普通の構造のものを
用いることができる。
で構成される静電レンズ11(第2図)によつて
集束させることができる。この装置の全体は、そ
の一部のみが第2図に示されている真空容器12
の中に置かれている。説明を簡単にするために、
第2図では、電極取付け体や電気ブツシング等が
省略されているが、これらは普通の構造のものを
用いることができる。
接触イオン化表面は、管の内壁の少なくとも一
部、特に出口側の毛管部分を覆う、適当な材料の
層で形成することもできる。
部、特に出口側の毛管部分を覆う、適当な材料の
層で形成することもできる。
また、この発明はセシウム以外の元素のイオ
ン、特に他のアルカリ金属のイオンを生成するた
めに用いることもできる。さらに、イオン化電
極、あるいは、少なくとも毛管の内壁を高電子親
和力を持つ材料、例えば、六硼化ランタン等で形
成すれば、陰イオンビーム、特に、ハロゲンイオ
ンのビームを生成することもできる。勿論、上記
した以外の加熱装置やイオン化されるべき原子の
供給装置も使用できる。
ン、特に他のアルカリ金属のイオンを生成するた
めに用いることもできる。さらに、イオン化電
極、あるいは、少なくとも毛管の内壁を高電子親
和力を持つ材料、例えば、六硼化ランタン等で形
成すれば、陰イオンビーム、特に、ハロゲンイオ
ンのビームを生成することもできる。勿論、上記
した以外の加熱装置やイオン化されるべき原子の
供給装置も使用できる。
第1図はセシウム陽イオンのビームを生成する
ための、この発明の推奨実施例の詳細を示す断面
図、第2図はこの発明の推奨実施例の簡略化して
示す断面図である。 1……イオン化電極、2……先端部、3……加
速電極、6……イオン化電極加熱装置、7……熱
遮蔽体、8……貯蔵器、10……貯蔵器用加熱装
置、11……静電レンズ。
ための、この発明の推奨実施例の詳細を示す断面
図、第2図はこの発明の推奨実施例の簡略化して
示す断面図である。 1……イオン化電極、2……先端部、3……加
速電極、6……イオン化電極加熱装置、7……熱
遮蔽体、8……貯蔵器、10……貯蔵器用加熱装
置、11……静電レンズ。
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 1 イオン化されるべき原子の源と、この原子の
接触イオン化のための表面を持つたイオン化電極
と、このイオン化電極のための加熱装置と、上記
イオン化電極から間隔を置いて配置され、上記接
触イオン化表面でイオン化された原子を加速する
ための加速電極とを含み、 特徴として、上記イオン化電極は、上記イオン
化されるべき原子の源から上記加速電極に対向す
る位置にある先端に設けられた出口まで延び、そ
の内壁が上記接触イオン化表面をなす管状の通路
を形成している、加速イオンビームを生成するた
めの接触イオン化装置。 2 上記通路が少なくとも上記出口に隣接する部
分において毛管寸法を有することを特徴とする請
求項1に記載の接触イオン化装置。 3 上記通路がその先端に隣接する部分で約0.1
mmの直径を有することを特徴とする請求項2に記
載の接触イオン化装置。 4 上記イオン化電極が少なくとも上記出口に隣
接する端部で棒状をなし、かつ、上記先端に向か
つてテーパが付けられていることを特徴とする請
求項1に記載の接触イオン化装置。 5 上記通路出口における上記先端の直径が約
0.4mmであることを特徴とする請求項4に記載の
接触イオン化装置。 6 上記通路の直径が上記原子の源から上記先端
に向けて階段的に小さくされていることを特徴と
する請求項1に記載の接触イオン化装置。 7 上記加熱装置がイオン化電極をその先端の領
域で包囲する電子源を備えることを特徴とする請
求項1に記載の接触イオン化装置。 8 上記電子源が熱陰極で、管状の熱遮蔽体で包
囲されていることを特徴とする請求項7に記載の
接触イオン化装置。 9 上記加速電極が静電レンズの一部を構成する
ことを特徴とする請求項1に記載の接触イオン化
装置。 10 上記イオン化されるべき原子の源が貯蔵器
とこの貯蔵器のための別の加熱装置とを含むこと
を特徴とする請求項1に記載の接触イオン化装
置。
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19873739253 DE3739253A1 (de) | 1987-11-19 | 1987-11-19 | Mit kontaktionisation arbeitende einrichtung zum erzeugen eines strahles beschleunigter ionen |
DE3739253.0 | 1987-11-19 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH01151130A JPH01151130A (ja) | 1989-06-13 |
JPH0442774B2 true JPH0442774B2 (ja) | 1992-07-14 |
Family
ID=6340816
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP63248939A Granted JPH01151130A (ja) | 1987-11-19 | 1988-09-30 | 接触イオン化装置 |
Country Status (5)
Country | Link |
---|---|
US (1) | US4983845A (ja) |
JP (1) | JPH01151130A (ja) |
DE (1) | DE3739253A1 (ja) |
FR (1) | FR2623658A1 (ja) |
GB (1) | GB2212654B (ja) |
Families Citing this family (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5449968A (en) * | 1992-06-24 | 1995-09-12 | Denki Kagaku Kogyo Kabushiki Kaisha | Thermal field emission cathode |
US20030201314A1 (en) * | 2002-04-29 | 2003-10-30 | Gabor Perenyi | Food wrapper with rip line |
WO2016061057A1 (en) * | 2014-10-13 | 2016-04-21 | Arizona Board Of Regents, A Body Corporate Of The State Of Arizona, Acting For And On Behalf Of Arizona State University | Cesium primary ion source for secondary ion mass spectrometer |
US10672602B2 (en) | 2014-10-13 | 2020-06-02 | Arizona Board Of Regents On Behalf Of Arizona State University | Cesium primary ion source for secondary ion mass spectrometer |
Family Cites Families (12)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE1248820B (ja) * | 1962-04-02 | |||
GB1298940A (en) * | 1969-04-28 | 1972-12-06 | Ass Elect Ind | Improvements in or relating to ion sources |
LU63436A1 (ja) * | 1971-06-29 | 1972-08-23 | ||
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