DE19949978A1

DE19949978A1 - Elektronenstoßionenquelle

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Publication number: DE19949978A1
Application number: DE19949978A
Authority: DE
Original assignee: Technische Universitaet Dresden
Current assignee: Technische Universitaet Dresden
Priority date: 1999-10-08
Filing date: 1999-10-08
Publication date: 2001-05-10
Also published as: US6717155B1; WO2001027964A3; EP1222677A2; ATE458260T1; WO2001027964A2; JP4886138B2; EP1222677B1; DE50015866D1; AU1992701A; JP2003511843A; DE10083121D2

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Elektronenstoßionenquelle zur Erzeugung vielfach- oder höchstgeladener Ionen, bestehend aus DOLLAR A - einer Elektronenkanone mit Kathode und Anode zur Erzeugung und Beschleunigung von Elektronen, DOLLAR A - einer Einrichtung zur axialsymmetrischen Fokussierung des Elektronenstrahles, DOLLAR A - Mitteln zur Einbringung von ionisierbaren Substanzen in eine zu öffnende und zu schließende Ionenfalle im Bereich des axialsymmetrischen fokussierten Elektronenstrahles, DOLLAR A - einer Einrichtung zur Vernichtung der Elektronen nach dem Durchgang durch die Ionenfalle DOLLAR A - sowie einer Einrichtung zur Erzeugung eines Vakuums um den axialsymmetrischen fokussierten Elektronenstrahl und die darin befindliche Ionenfalle, DOLLAR A dadurch gekennzeichnet, daß DOLLAR A - die Einrichtung zur axialsymmetrischen Fokussierung des Elektronenstrahles aus wenigstens zwei gegenläufig radial magnetisierten Ringstrukturen (2) besteht und jede der Ringstrukturen (2) den Elektronenstrahl umfaßt, DOLLAR A - je zwei gegenläufig radial magnetisierte Ringe (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, DOLLAR A - die Kathode eine sehr hohe Emissivität von >= 25 A/cm·2· bei kleinem Kathodendurchmesser aufweist, DOLLAR A - und ein Vakuum von 10·-7· bis 10·-11· Torr im Aufenthaltsbereich der...

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 axial symmetrischen 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 langweilige 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 3 T bis 5 T werden hier zur Fokussierung des Elektronenstrahls über die Länge der Lonenfalle 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.

Die ausgesprochen anspruchsvollen technischen Parameter derartiger Anlagen führen zu komplexen, 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 MICRO-EBIT, wie in H. Khodja, J. P. Briand; Physica Scripta, T71 (1997) 113 beschrieben. Die grundlegende Idee der Konstruktion dieser Anlage 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 Ionisationsfaktor von etwa 1 . 10²⁰ cm^-2 erreicht, was einer Elektronen stromdichte 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 Ionenladungszustände 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 Geschwindigkeits komponenten 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 dem im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Merkmalen dadurch gelöst, daß
die Einrichtung zur axialsymmetrischen Fokussierung des Elektronenstrahles aus wenigstens zwei gegenläufig radial magnetisierten Ringen besteht und jeder der Ringe den Elektronenstrahl umschließt,
je zwei gegenläufig radial magnetisierte Ringe zu einem einheitlichen Magnetsystem durch magnetische Leiter verbunden sind, wobei das sich schließende Magnetfeld den Aufenthaltsbereich der Ionen in der Falle durchdringt,
die Kathode eine sehr hohe Emissivität von ≧ 25 A/cm² bei kleinem Kathodendurchmesser aufweist,
und ein Vakuum von 10^-7 bis 10^-11 Torr im Aufenthaltsbereich der Ionen während des Betriebs der Quelle einstellbar ist.

Vorteilhaft sind magnetisierte Permanentmagnetblöcke zu Ringen 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 Ringe 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 l-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 höchstgeladene 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 Detaildarstellung 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. Zwei gegenläufig radial magnetisierte Ringe 2 umschließen die Achse 16 eingangs und ausgangs der Driftröhrenstruktur 4, 15 und somit den erzeugbaren Elektronenstrahl. Die Ringe 2 enthalten eine Anzahl von Permanentmagnetblöcken 8, mit denen die Ringe 2 eine radiale Magnetisierung erhalten. Zwischen den Enden der Driftröhrenstruktur 4, 15 und den Ringen 2 sind innere Polschuhe angeordnet, mit denen über die Driftröhrenstruktur 4, 15 geschlossene magnetische Kreise 13 erzeugt werden.

In der Fig. 2 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 Ringen 2 aus radial magnetisierten Permanentmagnetblöcken 8 erzeugt, die 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 Ringe 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 1

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 Vakuumdurchführung

12

spektroskopisches Fenster

13

magnetischer Kreis

14

Kathode

15

zentrale Driftröhre

16

Achse

17

Achse

Claims

1. Elektronenstoßionenquelle zur Erzeugung vielfach- oder höchstgeladener Ionen, bestehend aus

- einer Elektronenkanone mit Kathode und Anode zur Erzeugung und Beschleunigung von Elektronen,
- 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 Elektronenstrahles,
- 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,

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,
- die Kathode eine sehr hohe Emissivität von ≧ 25 A/cm² bei kleinem Kathodendurchmesser aufweist,
- und ein Vakuum von 10^-7 bis 10^-11 Torr im Aufenthaltsbereich der Ionen während des Betriebs der Elektronenstoßionenquelle einstellbar ist.

2. Elektronenstoßionenquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß magnetisierte Permanentmagnetblöcke (8) radial magnetisierte Ringe (2) bilden und durch magnetische Leiter (7, 9) aus weichmagnetischem Material zu einem magnetischen Kreis (13) verbunden 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 Ringe (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 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. Elektronenstoßionenquelle 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) zwei 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.