Opublikowano: 10.11.1969 56616 KI. 21 g, 21/01 MKP G Twórca wynalazku: dr inz. Czeslaw Bobrowski Wlasciciel patentu: Akademia Górniczo-Hutnicza (Instytut Techniki Jad¬ rowej), Kraków (Polska) Selektywne zródlo jonów Przedmiotem wynalazku jest zródlo jonów, wy¬ korzystujace elektrony w celu jonizacji gazów, któ¬ re znajduje zastosowanie w nowoczesnej aparaturze naukowo - badawczej i technicznej, takiej jak akceleratory liniowe cyklotrony, spektrometry ma¬ sowe i inne.Znane dotychczas zródla jonów to zródla z zarzo¬ na lub zimna katoda, zródla z wyladowaniem wy¬ sokiej czestosci oraz lukowe zródla jonów z iskro¬ wym wyladowaniem elektrycznym. Zródla z zarzo¬ na lub zimna katoda, elektrony, emitowane przez katode, zderzaja sie z czasteczkami gazów, powo¬ dujac ich jonizacje, zródla te wykazuja mala wy¬ dajnosc, która jest zalezna od wymiarów geome¬ trycznych zródla, zwlaszcza od dlugosci komory jonizacyjnej. Ponadto zjonizowany gaz zawiera ma¬ lo, bo okolo 15% jonów monoatomowych.Zródla jonów z wyladowaniem wysokiej czesto¬ sci zawieraja szklana lub kwarcowa komore joni¬ zacyjna, w której za pomoca cewki wysokiej cze¬ stosci, wynoszacej powyzej 10 MHz, wytwarza sie szybkozrrfienne pole elektromagnetyczne, wywolu¬ jace oscylacyjny ruch elektronów, które zderzajac sie z czasteczkami gazu, powoduja jego jonizacje.W zródlach tego typu otrzymuje sie prad jonowy, w którym wystepuje okolo 90% jonów atomowych.Wada tych zródel jest skomplikowana budowa, wymagajaca stosowania generatorów wysokiej cze¬ stosci oraz koniecznosc utrzymania w komorze jo¬ nizacyjnej znacznie wyzszego cisnienia niz w prze¬ strzeni przyspieszajacej, wskutek czego zródla te maja duze wymiary gabarytowe, czesto ulegaja uszkodzeniom i wykazuja duzy pobór mocy.Znane lukowe zródla jonów zawieraja dwie me- 5 talowe elektrody, odizolowane od siebie i nasycone izotopami jonizowanego gazu. Pomiedzy elektroda¬ mi wytwarza sie luk elektryczny, powodujacy jo¬ nizacje gazu, a takze równoczesnie jonizacje ato¬ mów metalu, z którego wykonane sa elektrody. 10 Zródla te odznaczaja sie wprawdzie prosta budowa, ale ich okres zycia jest bardzo krótki. Ponadto wy¬ tworzona wiazka jonów, zawierajaca oprócz jonów gazu równiez jony metalu elektrod, powoduje za¬ nieczyszczenie tarczy, bombardowanej tymi jonami. 15 Otrzymane w wymienionych typach zródel wiazki jonów sa mieszanina jonów czasteczkowych i ato¬ mowych, co znacznie utrudnia interpretacje wyni¬ ków pomiarów i powoduje powstawanie nieko¬ rzystnych efektów reakcji jadrowych, wywolanych 20 równoczesnie obu rodzajami jonów. Rozdzialu jo¬ nów czasteczkowych od atomowych dokonuje sie w dodatkowych urzadzeniach, wyposazonych w spe¬ cjalne elektromagnesy.Tych wad nie ma selektywne zródlo jonów we- 25 dlug wynalazku, skladajace sie z elektromagnesu, polaczonego z:próznioszczelna niemagnetyczna obu¬ dowa, zawierajaca uklad elektrostatycznych socze¬ wek i umieszczona wspólosiowo tóroidalna komo¬ re jonizacyjna, polaczona z odizolowana, niemagnc- 30 tyczna-podstawa,-w której sA osadzone sektorowe 56 61656 3 nabiegunniki, laczace sie z elektromagnesem, przy czym komora jest zaopatrzona w otwory, usytuo¬ wane na wprost otworów, znajdujacych sie w pod¬ stawie oraz na wprost szczelin, wystepujacych po¬ miedzy nabiegunnikami.Selektywne zródlo jonów wedlug wynalazku jest przedstawione w przykladowym rozwiazaniu na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia przekrój po¬ dluzny zródla, fig. 2 — przekrój poprzeczny zródla w plaszczyznie A—A, a £ig. 3 — przekrój poprzecz- \ nv tegoz zródla w plaszczyznie B—B. %£? y^códlo jonów sklada sie z elektromagnesu 1, za¬ wlekajacego uzwojenie t, rdzen 3 oraz boczne jarz¬ ma 4, zamontowanego wa Bh (fig. 1). ?Wewnatrz obudowy 5 znajduje sie uklad elektrostatycznych soczewek, skladajacy sie z umieszczonych w jej podluznej osi symetrii dwóch metalowych cs^adrów 6 i 7, o krawedziach zagie¬ tych do wewnatrz, z których cylinder 7 jest osa¬ dzony w metalowej podstawce 8. Wspólosiowo z cy¬ lindrami 6 i 7 jest umieszczona toroidalna joniza¬ cyjna komora 9, utworzona z wewnetrznego, gru- bosciennego cylindra 10, bedacego magnesem sta¬ lym, z zewnetrznego niemagnetycznego cylindra 11 oraz górnego i dolnego ferromagnetycznego pier¬ scienia 12 i 13, przy czym górny pierscien 12 ma otwory 14. Jonizacyjna komora 9 zawiera katode 15, umieszczona we wglebieniu grubosciennego cylin¬ dra 10, zaopatrzona w oslone 16 oraz przyspieszaja¬ ca siatke 17, która jest polaczona metalicznie z ze¬ wnetrznym cylindrem 11. Komora 9 laczy sie za posrednictwem izolacyjnego pierscienia 18 z niema¬ gnetyczna podstawa 19, która jest wyposazona w otwory 20, usytuowane na wprost otworów 14, znajdujacych sie w górnym pierscieniu 12 komo¬ ry 9. W podstawie 19 sa osadzone sektorowe na¬ biegunniki 21, o podluznym przekroju prostokat¬ nym, przy czym kolejne nabiegunniki maja na- przemian sciete górne naroza. Pomiedzy nabiegun¬ nikami 21 wystepuja szczeliny 22, znajdujace sie na wprost otworów 20 w podstawie 19 oraz otwo¬ rów 14 w pierscieniu 12 komory 9 (fig. 2 i 3). Na¬ biegunniki 21 sa polaczone z elektromagnesem 1 w ten sposób, ze grupa nabiegunników 21 tego same¬ go znaku laczy sie za posrednictwem zwierajacej ferromagnetycznej plytki 23 ze rdzeniem 3, a grupa nabiegunników 21 przeciwnego znaku laczy sie po¬ przez pierscien 24 z jarzmami 4 elektromagnesu 1.Zródlo jonów jest polaczone próznioszczelnie z ukladem przyspieszajacym na przyklad z akcelera¬ torem liniowym lub cyklotronem, nie uwidocznio¬ nymi na rysunku.Zewnetrzny cylinder 11 jonizacyjnej komory 9 jest podlaczony na napiecie dodatnie, wynoszace okolo 200 V, wskutek tego elektrony, emitowane przez uziemiona katode 15, znajdujaca sie na po¬ tencjale zerowym, sa przyspieszane przez siatke 17.Po jej przejsciu elektrony dostaja sie w pole ma¬ gnetyczne, w którym na skutek dzialania sil po¬ ruszaja sie po torze kolowym w plaszczyznie pro¬ stopadlej do osi symetrii jonizacyjnej komory 9.Efekt ruchu elektronów po torze kolowym uzysku¬ je sie dzieki zastosowaniu nabiegunników 21, które w komorze 9 wytwarzaja osiowe pole magnetyczne .przy pomocy magnesu stalego, stanowiacego gru- 616 ." -4 ?•;¦": :• boscienny cylinder 10 komory 9.1 Poruszajace sie elektrony zderzaja sie na swej drodze z czastecz¬ kami lub atomami gazu, powodujac jego jonizacje.Wytworzony strumien jonów jest formowany w 5 wiazke przy pomocy cylindrów 6 i 7, sluzacych równiez do sterowania wiazka w warunkach impul¬ sowej pracy zródla.. Nabiegunniki 21 razem z pod¬ stawa 19 znajduja sie na ujemnym napieciu, wy¬ noszacym od 100 do 500 V, wskutek czego jony^ 10 powstajace w komorze 9 sa wyciagane przez otwo¬ ry 14 i 20 w przestrzen szczelin 22 miedzy nabie¬ gunnikami 21. W szczelinach 22 panuje odpowied¬ nia indukcja magnetyczna, wytworzona przeply¬ wem pradu elektrycznego przez uzwojenie 2 ele- 15 ktromagnesu 1, w wyniku czego jony o róznych masach i ladunkach poruszaja sie po torach o róz¬ nych promieniach krzywizny. Promien krzywizny toru jonów zalezy od wysokosci napiecia, panujace¬ go w szczelinach 22 miedzy nabiegunnikami 21 oraz 20 od wielkosci indukcji, istniejacej miedzy tymi na¬ biegunnikami. Regulujac odpowiednio le dwie wiei- kcsci uzyskuje sie ze zródla jonów zadany rodzaj jonów. Strumienie jonów w zaleznosci od posiada¬ nej mocy i ladunku poruszaja sie po torach, o róz- 25 nych promieniach krzywizny. Zadane jony sa kie¬ rowane po przejsciu przez otwory 14 i 20 oraz szczeliny 22 do ukladu przyspieszajacego, natomiast strumienie jonów, poruszajacych sie po torach o promieniu krzywizny mniejszym od wybranego, sa zbierane na podstawie 19, zas strumienie jonów, poruszajacych sie po torach o wiekszym promieniu krzywizny sa zbierane na obudowie 5 zródla jo¬ nów. Przy impulsywnej pracy zródla, realizowanej przez przylozenie odpowiednich impulsów napie¬ ciowych do cylindra 7, nastepuje impulsowe wy¬ sylanie pradu jonowego, przebiegajace zgodnie z impulsami napiecia.Selektywne zródlo jonów wedlug wynalazku za¬ pewnia w zaleznosci od potrzeb, uzyskanie z mie¬ szaniny róznych gazów, jonów zarówno atomowych jak i czasteczkowych dowolnie wybranych gazów lub ich izotopów.Ponadto zródlo wedlug wynalazku odznacza sie malym ciezarem i niewielkimi wymiarami gabary¬ towymi oraz niskim poborem mocy i minimalnymi kosztami eksploatacji. PL