DE2037029B2

DE2037029B2 - THERMAL ION SOURCE

Info

Publication number: DE2037029B2
Application number: DE19702037029
Authority: DE
Inventors: Mujeeb Dr Houven van Oordt Adriaan Julius van der Dr 8000 München Hashmi
Original assignee: Max Planck Gesellschaft zur Foerderung der Wissenschaften eV
Current assignee: Max Planck Gesellschaft zur Foerderung der Wissenschaften eV
Priority date: 1970-07-25
Filing date: 1970-07-25
Publication date: 1973-08-23
Also published as: DE2037029C3; LU63603A1; FR2101716A5; SE368112B; NL7110208A; AU465912B2; DE2037029A1; CA940239A; GB1347110A; AU3136371A; ZA714746B; IT939320B; BE770373A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine thermische Ionenquelle mit einer großflächigen heizbaren Elektrode aus einem Material, das zu ionisierende Atome, die auf die heiße Elektrode auftreffen, durch Kontaktionisation Zd iunisieren vermag, und mit einer negativ vorspannbaren, mit Öffnungen zum Durchtritt der erze jgten Ionen versehenen Elektrode.The present invention relates to a thermal ion source with a large-area heatable electrode Made of a material that contains atoms to be ionized, which hit the hot electrode, by contact ionization Zd iunize, and with a negative biasable electrode provided with openings for the passage of the ions produced.

An Ionenquellen, die einen _öuten Wirkungsgrad aufweisen und größere Ionenströme zu liefern vermögen, besteht ein erheblicher Bedarf. Wenn solche Ionenquellen zur Verfügung ständen, wäre z. B. eine wesentlich wirtschaftlichere Isotopentrennung als mit den derzeit gebräuchlichen Verfahren möglich, da man dann hierfür Einrichtungen verwenden könnte, die auf dem Prinzip eines Massenspektrometers arbeiten. Solche Isotopentrenneinrichtungen zeichnen sich nämlich durch einen sehr hohen Trennfaktor aus, sie konnten jedoch bisher nicht wirtschaftlich eingesetzt werden, da Ionenquellen mit der erforderlichen Leistung nicht zur Verfügung standen.An ion source having a _ö skinning efficiency and capable of providing larger ion currents, there is a considerable need. If such ion sources were available, z. B. a much more economical isotope separation than is possible with the currently used methods, since one could then use facilities that work on the principle of a mass spectrometer. Such isotope separation devices are characterized by a very high separation factor, but up to now they could not be used economically because ion sources with the required power were not available.

Es sind Ionenquellen bekannt, bei denen die zu ionisierenden Atome durch Elektronenstoß ionisiert werden (deutsche Auslegeschrift 1 281 187). Bei solchen Ionenquellen ist es auch bekannt, mittels eines Magnetfeldes den Tonisiemngswirkungsgrad durch Verlängerung der Elektronenbahnen zu erhöhen und das Plasma, aus dem ciie Ionen durch eine negative Spannung abgesogen werden, zusammenzuschnüren.Ion sources are known in which the atoms to be ionized are ionized by electron impact (German Auslegeschrift 1 281 187). In such It is also known to ion sources to use a magnetic field to increase the toning efficiency Extension of the electron orbits to increase and the plasma from which ciie ions are replaced by a negative Tension to be sucked up, to constrict.

fcs sind terner aus dem Buch von E w a 1 d / H i ntenberger »Methoden und Anwendungen der Massenspektroskopie«, Weinheim 1953, S. 42 und -!3 sowie zahlreichen wissenschaftlichen Veröffentlichungen sogenannte thermische Ionenquellen bekannt, die auf dem Prinzip des Langmuir-Effektes arbeiten. Bei diesen Ionenquellen werden die zu ionisierenden Atome an, einer Metallfläche durch Kontaktionisation ionisiert und mit einem elektrischen Hilfsfeld durch eine durchbrochene Elektrode aus dem Ionisierungsraum herausgezogen. Der Ionisierungswirkungsgrad hängt vom Verhältnis der Elektronen-Austrittsarbeit der Metallfläche zur Ionisierungsarbeit der Atome ab. fcs are also known from the book by E wa 1 d / Hi ntenberger "Methods and Applications of Mass Spectroscopy", Weinheim 1953, pp. 42 and -! 3 as well as numerous scientific publications so-called thermal ion sources based on the principle of the Langmuir effect work. In these ion sources, the atoms to be ionized are ionized by contact ionization on a metal surface and pulled out of the ionization space through a perforated electrode using an auxiliary electrical field. The ionization efficiency depends on the ratio of the electron work function of the metal surface to the ionization work of the atoms.

Die mit solchen thermischen Ionenquellen erreichbare lonenstromdichte wird durch die Raumladung begrenzt, die sich vor der erhitzten Metallfläche bildet. Man kann die störenden Einflüsse der Raumladung zwar durch Verwendung von Absaugspannungen entsprechender Größe weitgehend beseitigen, die hierfür erforderlichen Spannungen, die 50 kV betragen können, machen jedoch die Ionenerzeugung für praktische Zwecke zu unwirtschaftlich.The ion current density that can be achieved with such thermal ion sources is determined by the space charge limited that forms in front of the heated metal surface. One can see the disturbing influences of the space charge although largely eliminate the use of suction voltages of the appropriate size The voltages required for this, which can be 50 kV, make the ion generation for practical purposes too inefficient.

ίο Der vorliegenden Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine thermische Ionenquelle anzugeben, die einen hohen Wirkungsgrad hat und hohe Ionenstrcme zu liefern vermag.ίο The present invention is now the task based on specifying a thermal ion source that has a high degree of efficiency and high ion currents able to deliver.

Gemäß dar Erfindung wird diese Aufgabe durchAccording to the invention this object is achieved

i„ eine thermische Ionenquelle der eingangs genannten Art uc'öst, die dadurch gekennzeichnet ist, daß eine Vorrichtung zum Erzeugen eines im wesentlichen senkrecht zu der heizbaren Elektrode verlaufenden Magnetfeldes mit einer Feldstärke von 2 bis 8 KiIogauß im Raum zwischen dieser Elektrode und der mit Öffnungen versehenen Elektrode vorgesehen ist. Das Magnetfeld hat zur Folge, daß vor der heizbaren Elektrode ein beständiges Plasma entsteht, das von Natur aus quasineutral ist, so daß keine Raumladung auftreten kann, die den Ionenstrom beschränken könnte. An die mit Öffnungen zum Durchtritt der erzeugten Ionen versehene Elektrode brauchen nur Spannungen in der Größenordnung von 10 Volt und darunter angelegt zu werden, da die angelegte Spannung nicht zum Absaugen der ^onen dient, sondern im wesentlichen nur zum Zurückhalten der Elektronen, die sonst mit den Elektronen aus dem Plasma herauszudiffundieren streben.i “a thermal ion source of the type mentioned at the beginning Kind uc'öst, which is characterized by the fact that a Device for generating an electrode which runs essentially perpendicularly to the heatable electrode Magnetic field with a field strength of 2 to 8 KiIogausß in the space between this electrode and the apertured electrode is provided. The magnetic field has the consequence that in front of the heatable Electrode creates a stable plasma that is naturally quasi-neutral so that no space charge is created which could restrict the ion current. The ones with openings for passage The electrodes provided with the generated ions only need voltages in the order of magnitude of 10 volts and to be applied underneath, since the applied voltage does not serve to suck off the ions, but rather essentially just to hold back the electrons that would otherwise with the electrons from the Strive to diffuse out plasma.

Es sei noch bemerkt, daß die Verwendung eines Magnetfeldes in Verbindung mit einer geheizten Iridium-Elektrode, an der Lithiumdampf du^ch Kontaktionisation ionisiert wird, bei einer Einrichtung zur Untersuchung der Elektronen- und Ionenemission von Iridium in Lithiumdampf bekannt ist (Journ.It should also be noted that the use of a magnetic field in conjunction with a heated iridium electrode, on which lithium vapor is ionized by contact ionization, in a device for Investigation of the electron and ion emission of iridium in lithium vapor is known (Journ.

Appl. Phys. 37, Nr. 12, November 1966, 4458-4462). Die bekannte Untersuchungsapparatur ist aber weder als Ionenquelle bestimmt noch als solche geeignet, und das Magnetfeld, dessen Stärke nur etwa 800 Gauß beträgt, dient lediglich zur Beschränkung der von einem Becherkollektor erfaßten Emissionsfläche der geheizten Iridiumelektrode. Der Kollektorstrom wird dementsprechend durch das Magnetfeld rieht nennenswert beeinflußt.
Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.Appl. Phys. 37, No. 12, November 1966, 4458-4462). The known examination apparatus is neither intended nor suitable as an ion source, and the magnetic field, the strength of which is only about 800 Gauss, only serves to limit the emission area of the heated iridium electrode covered by a beaker collector. The collector current is accordingly significantly influenced by the magnetic field.
Further developments and refinements of the invention are characterized in the subclaims.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung näher erläutert. Es zeigtThe invention is explained below with reference to exemplary embodiments in conjunction with the drawings. It shows

F1 g. 1 eine schematische Darstellung einer Ionenquelle gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung, undF1 g. 1 is a schematic representation of an ion source according to a first embodiment of the invention, and

F i g. 2 eine schematische Darstellung einer Ionenquelle gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung.F i g. FIG. 2 shows a schematic illustration of an ion source according to a second exemplary embodiment from FIG Invention.

Die in Fig. 1 schematisch dargestellte Ionenquelle ist in einem nicht dargestellten Vakuumgefäß angeordnet und enthält eine Ionisierungselektrode 10 in Form einer ζ. Β kreisförmigen, ebenen Platte, die durch Beschüß mit Elektronen heizbar ist, welche durch eine Glühkathode 12 erzeugt und durch eine Spannung von einer Spannungsquelle 14 auf die Rückseite der Platte 10 beschleunigt werden. Vor der Ionisierungselektrode 10 ist eine Verdampfereinrich-The ion source shown schematically in FIG. 1 is arranged in a vacuum vessel, not shown and contains an ionization electrode 10 in the form of a ζ. Β circular, flat plate that is heated by bombardment with electrons, which is generated by a hot cathode 12 and by a Voltage from a voltage source 14 to the back of the plate 10 can be accelerated. Before the Ionization electrode 10 is an evaporator

2 037 02S2 037 02S

lung 16 angeordnet, die z.B. durch eine elektrische Anordnung 18 heizbar ist und einen Strahl 20 aus Atomen des zu ionisierenden Materials 22 gegen die Vorderfläche der Elektrode 10 richtet.treatment 16 arranged, for example by an electrical Arrangement 18 is heatable and a beam 20 of atoms of the material 22 to be ionized against the Front surface of the electrode 10 aligns.

Im Abstand vor der Ionisierungselektrode 10 ist eine durchbrochene. z.B. netzförmige Elektrode 24 angeordnet. Ferner ist eine nicht dargestellte Vorrichtung, z. B. eine das Vakuumgefäß umgebende zyütiderförmige Magnetspule, vorgesehen, die im Raum zwischen den Elektroden 10 und 24 ein durch einen Pfeil angedeutetes, im wesentlichen homogenes magnetisches Gleichfeld B von 2 bis 8 kG erzeugt.In the distance in front of the ionization electrode 10 is a broken one. for example, reticulated electrode 24 is arranged. Furthermore, a device not shown, for. B. a cylindrical magnet coil surrounding the vacuum vessel is provided, which generates a substantially homogeneous constant magnetic field B of 2 to 8 kG in the space between the electrodes 10 and 24, indicated by an arrow.

Die Ionisierungselektrode 10 besteht aus einem Material, das die zu ionisierenden Atome durch Kontaktionis&tion zu ionisieren vermag. Das bedeutet, daß die lonisierungsspanming der zu ionisierenden Atome vergleichbar mit der Austrittsspannung des Elekuodenmaterials sein muß. Zur Ionisierung von Alkali- und Erdalkalimetallen sowie Uran u. dgl. kann also z. B. eine Elektrode aus Wolfram, Rhenium oder Tantal verwendet werden. Bei Verwendung von Kohlenstoff für die Ionisierungselektrode können auch Elemente mit noch höheren Ionisierungspotentialen ionisiert werden. The ionization electrode 10 consists of a material which is able to ionize the atoms to be ionized by contact ionization. This means that the ionization voltage of the atoms to be ionized must be comparable to the exit voltage of the electrode material. For the ionization of alkali and alkaline earth metals as well as uranium and the like, z. B. an electrode made of tungsten, rhenium or tantalum can be used. If carbon is used for the ionization electrode, elements with even higher ionization potentials can also be ionized.

Im Betrieb wird die Ionisierungselektrode 10 durch Elektronenbeschuß auf Betriebstemperatur, z. B. 2500° K erhitzt, und die Verdampfereinrichtung 16, 18 wird in Betrieb genommen, so daß aus ihr ein auf die Vorderfläche der Elektrode 10 gerichteter Atomstrahl 20 austritt. Die auf die Elektrode 10 auftreffenden Atome werden durch Kontaktionisation ionisiert und bilden mit deu von der Elektrode 10 thermisch emittierten Elektronen ein durch das axiale Magnetfelds zusammengehaltenes Plasma, aus dem die Ionen durch die bezüglich der Ionisierungselektrode 10 negativ vorgespannte durchbrochene Elektrode 24 austreten. Die negative Spannung an der durchbrochenen Elektrode 24 braucht nur verhältnismäßig klein (z. B. 10 bis 20 V) zu sein, da sie lediglich dazu dient, die Elektronen des Plasmas zurückzuhalten. Die durch Pfeile 28 angedeuteten Ionen können dann ihrer Bestimmung zugeführt werden. beispielsweise können sie in eine auf dem Prinzip eines Mas-.senspektromeiers arbcii rnüc Einrichtung zur Isotopentrennung eintreten, die in Fig. 1 nur schematisch als gestricheltes Rechteck angedeutet ist. In operation, the ionization electrode 10 is heated to operating temperature by electron bombardment, e.g. B. 2500 ° K, and the vaporizer device 16, 18 is put into operation, so that an atomic beam 20 directed onto the front surface of the electrode 10 emerges from it. The atoms striking the electrode 10 are ionized by contact ionization and, together with electrons thermally emitted by the electrode 10, form a plasma held together by the axial magnetic field, from which the ions exit through the perforated electrode 24, which is negatively biased with respect to the ionization electrode 10. The negative voltage at the perforated electrode 24 need only be relatively small (for example 10 to 20 V) , since it only serves to hold back the electrons of the plasma. The ions indicated by arrows 28 can then be used for their determination. For example, they can enter a device for isotope separation based on the principle of a mass spectrometer arbcii rnüc, which is indicated only schematically in FIG. 1 as a dashed rectangle.

ίο Das in F i g. 2 dargestellte. Ausführungsbeispiel arbeitet auf demselben Prinzip wie das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1. Die Vorrichtung zum Zuführen der zu ionisierenden Atome ist jedoch bei der Einrichtung gemäß Fig. 2 hinter der Elektrode 10' angeordnet, die Durchbrechungen 30 aufweist. Das zu ionisierende Material wird z. B. durch ein ringförmiges Verdampferschiffclien 16' verdampft und tritt dann durch die Durchbrechungen 30, wobei es durch Kontakt mit der W' ..d dieser Durchbrechungen ioni- ίο The in F i g. 2 shown. The embodiment works on the same principle as the embodiment according to FIG. 1. The device for supplying the atoms to be ionized is, however, arranged in the device according to FIG. 2 behind the electrode 10 ′, which has openings 30. The material to be ionized is z. B. by an annular evaporator ship 16 ' and then passes through the openings 30, whereby it is ionized by contact with the W' ..d of these openings

ao siert wird. Die Eleküode 10' kann z.B. durch direkten Stromdurchgang heizbar und zu diesem Zweck mit einer Mittelelektrode 32 sowie Umfangselektrods 34 versehen sein. Die erzeugten Ionen treten wie beim Beispiel gemäß F i g. 1 durch die durchbro chene Elektrode 24 aus. Die Vorrichtung zum Erzeu gen des axialen Magnetfeldes B ist schematisch als Zylinderspule 35 angedeutet. is ao sated. The electrode 10 ′ can, for example, be heated by a direct passage of current and, for this purpose, can be provided with a center electrode 32 and a peripheral electrode 34. The ions generated occur as in the example according to FIG. 1 through the perforated electrode 24. The device for generating the axial magnetic field B is indicated schematically as a solenoid 35.

Der Durchmesser der Elektrode 10 beträgt vorzugsweise mindestens 50 mm. Der Abstand zwischenThe diameter of the electrode 10 is preferably at least 50 mm. The distance between den Elektroden 10 und 24 ist vorzugsweise etwa 100 mm oder größer.the electrodes 10 and 24 is preferably about 100 mm or larger.

Die Elektrode 10' und die Verdampfereinrichtung können auch aus einem heizbaren Hohlkörper bestehen, in dem sich das zu ionisierende und zu ver-The electrode 10 'and the vaporizer device can also consist of a heatable hollow body in which the to be ionized and to be dampfende Material befindet, und der Durchbrechungen entsprechend den Durchbrechungen 30 aufweist, aus denen das verdampfte Material bei gleichzeitiger Ionisierung an den Wänden austritt.steaming material is located, and the openings corresponding to the openings 30, from which the evaporated material exits with simultaneous ionization on the walls.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings

Claims

Patent claims:

1. Thermal ion source with a large area heatable. Electrode made of a material that is to be ionized atoms that act on the hot Hit the electrode, able to ionize by contact ionization, and with a negatively prestressable, electrode provided with openings for the passage of the generated ions, characterized in that a device (35) for producing a substantially perpendicular to the heatable electrode (10. 10 ') running magnetic field with a field strength of 2 to 8 kilogauss in the space between this electrode (10, 10 ') and the electrode (24) provided with openings is provided.

2. Use of an ion source according to claim 1, in one on the principle of a mass spectrom - "!? rs working facility for the separation of Ur. nisotopic.