DE2018507C3 - Ionenquelle - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Ionenquelle mit einer Ionisationskammer, welche gitterformige elektrisch leitende Wandteile und einen für Ionen undurchdringlichen elektrisch leitenden Wandteil mit einer Ionenaustrittsöffnung aufweist und in welche Elektronen zum Ionisieren eines Gases von mindestens einem außerhalb der Ionisationskammer gelegenen Heizfaden aus, der gegenüber der Ionisationskammer eine negative Spannung aufweist, ohne Anwendung eines die Elektronen beeinflussenden Magnetfeldes injiziert weiden, und mit einer Extraktionselektrode.

Eine derartige Ionenquelle ist aus dem Artikel »La sensibilite de la jauge ä collecteur cach6« in »Le Vide«, Juli-August 1968, S. 240-244, bekannt. Die in diesem Artikel beschriebene Vorrichtung ist eine Ionenquelle, die als Ionisationsmanometer verwendet wird. Bei Anwendung der beschriebenen Vorrichtung als Ionisationsmanometer oder als Ionenquelle ist ein möglichst großer Ionenstrom erforderlich. Bei Anwendung als Ionenquelle ist außerdem noch eine geringe Energiestreuung der Ionen in dem gebildeten Bündel erforderlich. _S5

Die Wirkungsweise einer derartigen Ionenquelle ist folgende. Mit Hilfe z.B. eines Heizfadens werden Elektronen in die Ionisationskammer injiziert, welcher Heizfaden außerhalb der Ionisationskammer angeordnet ist und in bezug auf diese Kammer eine negative <,ο Spannung hat. Die vom Heizfaden emittierten Elektronen werden vom elektrischen Feld zwischen dem Heizfaden und der Ionisationskammer in Richtung auf die Ionisationskammer beschleunigt und passieren die gitterförmigen Wandteile derselben. Die in der Ioni- <,₅ sationskammer gebildeten Ionen werden von dem elektrischen Feld zwischen der Wand der Ionisationskammer und der Extraktionselektrode in Richtung auf die Extraktionselektrode beschleunigt, die außerhalb der Ionisationskammer vor der Ionenaustrittsöffnung angeordnet ist und in bezug auf die Ionisationskammer eine negative Spannung aufweist Das; Potentialfeld zwischen der Extraktionselektrode und der Wand der Ionisationskammer hat innerhalb der Ionisationskammer der bekannten Ionenquelle einen derart großen Gradienten, daß Ionen, die an verschiedenen Stellen in der Ionisationskammer gebildet werden, auf ihrem Wege zu der Extraktionselektrode verschiedene Spannungsunterschiede durchlaufen, wodurch eine große Energiestreuung im Ionenbündel erhalten wird.

Die Erfindung hat den Zweck, eine Ionenquelle zu schaffen, in der eine große Ionenstromslärke mit einer kleinen Energiestreuung einher geht.

Die Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, daß die IonenaustrJttsöfihung von der gitterförmigen Extraktionselektrode, die in einem Abstand von einigen Zehnteln eines Millimeters von dem Wandteil mit der Ionenaustrittsöffnung liegt und beim Betrieb der Ionenquelle eine negative Spannung von höchstens 5 V in bezug auf diesen Wandteil aufweist, überspannt

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß in der Ionisationskammer von den in diese Kammer injizierten Elektronen und den durch Ionisation gebildeten Ion<;n eine Raumladung erzeugt wird. Die Gesamtraumladung ist durch das Übermaß an injizierten Elektronen negativ. Wenn die Extraktionselektrode das gleiche Potential wie die Wände der Ionisationskammer aufweist, hat die Raumladung in der Ionisationskammer ein Potentialfeld wovon das Potential an jedem Punkt niedriger als an den Wänden der Ionisationskammer ist und ein Punkt etwa in der Mitte der Ionisationskammer ein Mindestpotential von z. B. - 2 V aufweist. Dadurch ist an jedem Punkt in der Ionisationskammer die Feldstärke auf einen etwa in der Mitte liegenden Punkt gerichtet,wodurch auf die positiven Ionen stets eine auf diesen Punkt gerichtete Kraft ausgeübt wird. Die Ionen sind also in einer Potentialsenke gefangen und können nur Punkte: dieser Senke erreichen, deren Potential nicht höher als das Potential des Punktes ist, an dem sie gebildet sind. Nach der Erfindung wird eine gitterformige Extraktionselektrode unmittelbar vor der Ionenaustrittsöffnung in der Wand der Ionisationskammer angeordnet und weist eine nung von z.B. - 1 V auf. Dies hat zur Folge, daß an der Stelle der Ionenaustrittsöffnung das Potentialfeld das Potential der Extraktionselektrode hat. Dadurch ist an der Stelle der Ionenaustrittsöffnung die Höhe des Randes der Potentialsenke statt 2 V₂ V nun l'/₂ V geworden. Infolgedessen können alle Ionen, die an einem Punkt der Ionisationskammer {gebildet sind, dessen Potential zwischen -1 V und 0 V liegt, durch die gitterformige Extraktionselektrode die Ionisationskammer verlassen. Das austretende Ionenbündel hat also eine Energiestreuung von höchstens 1 V. In der Praxis ist die Energiestreuung in der Richtung des Bündels noch etwas kleiner, weil die Richtung, in der die Ionen austreten, im allgemeinen nicht mit der Richtung zusammenfällt, in der das Bündel von der Beschleunigungselektrode beschleunigt wird. Ein Teil der Energiestreuung beeinflußt also nur die seitlichen Ionengeschwindigkeiten. Wenn die Extraktionselektrode negativer gemacht wird, kann ein größerer Teil der in der Ionisationskammer gebildeten Ionen extrahiert werden. Wenn die ExtraktLnselektrode negativer als die Tiefe der Potentialsenke bei einer Extraktions-

elektrodenspannung von 0 V gemacht wird, werden grundsätzlich alle gebildeten Ionen extrahiert Die auf diese Weise vergrößerte Ionenausbeute geht selbstverständlich mit einer größeren Energiestreuung im Bündel einher.

Eine Ionenquelle nach der Erfindung kann vorteilhaft derart ausgebildet werden, daß die gitterförmigen Wandteile der Ionisationskammer von einer Refle.ktorelektrode umgeben werden. Wenn diese Reflektorelektrode tine geringe positive Spannung von z.B. 1 V ι ο in bezug auf die Wand der Ionisationskammer aufweist, werden Ionen, die durch die Maschen der gitterförmigen WanJteile entweichen könnten, reflektiert. Bei Anwendung einer Reflektorelektrode sind somit größere Maschen der gitterförmigen Wandteile der Ionisationskammer zulässig.

Sollten die Ionen aus einer Ionenquelle nach der Erfindung durch eine Beschleunigungselektrode beschleunigt werden, so ist es günstig, wenn sich zwischen der Extraktionselektrode und der Beschleunigungselektrode ein Schirmgitter befindet. Durch dieses Schirmgitter wird verhindert, daß das elektrische Feld der Beschleunigungselektrode durch die Maschen der Extraktionselektrode hindurchdringen kann, wodurch die Energiestreuung beeinträchtigt werden würde.

Einige Ausführungsformen der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine Ionenquelle nach der Erfindung,

F i g. 2 eine schematische Darstellung der Anordnung einer Beschleunigungselektrode und eines Schirmgitters in Verbindung mit einer Ionenquelle nach der Erfindung,

Fig. 3 eine graphische Darstellung des lonenstromes als Funktion der Spannung der Extraktionselektrode,

Fig.4 einen schematischen Längsschnitt durch eine Ionenquelle nach der Erfindung mit einer alternativen Anordnung des Heizfadens,

Fig.5 einen Längsschnitt durch eine Ionenquelle nach der Erfindung mit einer Gitterstruktur, die eine ausgezeichnete Abschirmung der Ionisationskammer sichert.

In Fig. 1 befindet sich in einer Umhüllung 20 eine Ionisationskammer 1, die durch ein Schraubenlinienförmig auf Stützdrähte 15 aufgewickeltes Gitter 2, ein Gitter 3 und eine mit einer Ionenaustrittsöffnung 5 versehene Platte 4 gebildet wird. Die Gitter 2 und 3 und die Platte 4 sind elektrisch leitend miteinander verbunden. Eine zylindrische metallene Reflektor- _so elektrode 6 umgibt das Gitter 2 und ist an einem Ende mit einem Gitter 7 versehen, das leitend mit der Elektrode 6 verbunden ist. Zwischen einem Gitter 9 und dem Gitter 7 befindet sich ein elektronenemittierender Heizfaden 8. Ein feinmaschiges Gitter 10, das mit einer _s5 Extraktionselektrode 11 verbunden ist, ist unmittelbar vor der Ionenaustrittsöffnung 5 angeordnet.

Eine Beschleunigungselektrode 12 mit einem Gitter 13 beschleunigt die durch das Gitter 10 austretenden Ionen. Die Elektroden werden von drei Glasstäben 14 ₍₎₀ abgestützt, von denen in der Zeichnung nur zwei dargestellt sind. Die Umhüllung 20 wird über einen Auslaß 21 evakuiert; das zu ionisierende Gas wird in die Ionisationskammer 1 über einen Einlaß 22 und eine Öffnung 23 in der Reflektorelektrode 6 einge- ₍,₅ lassen. Das Gas kann auch generell in der Umhüllung 20 vorhanden sein und über allerhand Öffnungen im Elektrodensystem in die Ionisationskammer gelangen.

Die Stäbe 14 sind an einer Endplatte 24 befestigt, die lösbar mit der Umhüllung 20 verbunden ist und auch Anschlüsse 25 für die Elektroden enthält.

Der Heizfaden 8 hat beim Betrieb der Ionenquelle eine negative Spannung von z.B. 50 bis 150 V in bezug auf die Ionisationskammer 1 und emittiert Elektronen. Die Elektronen werden über das Gitter 3 in die Kammer 1 mit einer genügenden Energie zum Ionisieren von Gasmolekühlen injiziert. Das G itter 9 liegt in bezug auf den Heizfaden 8 an einem negativen Potential und richtet das Bündel emittierter Elektronen auf die Kammer 1.

Das Gitter 10 der Extraktionselektrode 11 liegt an einem kleinen negativen Potential von z.B. 1 V in bszug auf die Wand der Kammer 1 und extrahiert Ionen aus dieser Kammer. Die austretenden Ionen werden von der Beschleunigungselektrode 12 beschleunigt, die ein Potential von z.B. -50V bis -5kV in bezug auf die Kammer 1 aufweist, welche Ionen dann das Gitter 13 dieser Beschleunigungselektrode als ein nahezu paralleles Bündel passieren.

Fig.2 zeigt schematisch, wie ein Schirmgitter 30 zwischen dem Gitter 10 der Extraktionselektrode und dem Gitter 13 der Beschleunigungselektrode angebracht werden kann. Das starke Beschleunigungsfeld steht dann zwischen den Gittern 13 und 30 und dringt nahezu nicht durch die Maschen des Gitters 10 in die Kammer 1 ein. Die Spannung des Schirmgitters 30 ist z.B. -50 V bis -100 V in bezug auf die Kammer 1, in Abhängigkeit von der Spannung am Gitter 13.

Aus der graphischen Darstellung nach Fig.3 geht hervor, daß der Ionenstrom / bei kleinen Extraktionselektrodenspannungen in bezug auf die Wand der Kammer 1 schnell mit der Spannung zunimmt. Für größere Spannungen tritt eine Sättigung auf. Der Punkt A ist als ein geeigneter Einstellpunkt für einen genügenden Ionenstrom bei einer genügend niedrigen Spannung und also einer kleinen Energiestreuung angegeben.

Fig.4 zeigt schematisch eine alternative Anordnung für den Heizfaden. Der Heizfaden besteht bei der dargestellten Bauart aus zwei Teilen 31 und 32, die beiderseits der Kammer 1 angebracht sind. Die Reflektorelektrode soll in diesem Falle gleichfalls gitterförmig gestaltet sein und dieses Gitter ist mit 36 bezeichnet. Ein Gitter 39 liegt an einem negativen Potential in bezug auf die Heizfäden 31 und 32 und richtet die emittierten Elektronen auf die Kammer 1.

Fig.5 zeigt eine Ionisationskammer mit einer alternativen Anordnung des bereits in Fig.4 gezeigten Heizfadens. In dieser Ionenquelle wird die Eindringung des Elektronenbeschleunigungs- und Reflexionsfeldes in den Ionisationsraum dadurch herabgesetzt, daß für die durchlässigen Wände 52 und 53 der Ionisationskammer 51 feinmaschiges elektrisch leitendes Material mit günstigen Abschirmungseigenschaften verwendet wird. Die Gaze wird nus einem Metall aufgebaut, das sich leicht entgasen läßt und eine gewebte Struktur aufweisen kann. Bei einer Ausführungsform wurde eine gewebte Wolframdrahtgaze mit nahezu 60 Öffnungen pro cm und mit einer Elektronendurchlässigkeit von nahezu 90% verwendet. Die Gaze wird an den Rändern der Wände 52 und 53 und erforderlichenfalls dazwischen von einem Drahtrahmen 65 und vom Außenrand der gelochten Platte 54 abgestützt. Elektronenemittierende haarnadelförmige Heizfäden 68, 78, die mit respektiven Abstützungen 79 versehen sind, liegen außerhalb der Ionisationskammer 51 zu beiden Seiten

derselben und sind unabhängig voneinander mit respektiven Anschlüssen 85 verbunden, die vakuumdicht durch den Befestigungs- und Abstützungsflansch 86 hindurchgeführt sind. Es ist vorteilhaft, wenn während der Entgasung die beiden Heizfäden 68, 78 zur Erhitzung der Metallteile des Apparats durch Elektronenbeschuß verwendet werden, aber im allgemeinen wird nur ein einziger Heizfaden, z. B. 68, beim Betrieb der Ionenquelle benutzt. Ein leitender Schirm 59, von dem wenigstens ein Teil 80 aus einer leitenden Gaze bestehen kann, um einen freien Durchgang von Gasmolekülen in dem Apparat zu ermöglichen, ist angebracht und beim Betrieb etwas negativ in bezug auf den Heizfaden 68 vorgespannt. Auf diese Weise wird ein Elektronenreflexionsfeld außerhalb der Wände 52, 53 der Kammer 51 erhalten, so daß durch die Wände 52, 53 austretende Elektronen reflektiert und dann wieder durch den lonisationsraum innerhalb der Kammer 51 hindurchgeleitet werden, wodurch ihr Ionisierungseffekt verbessert wird. Die Quelle nach Fig.5 wird in nackter Form auf dem Flansch 86 montiert, der dann an gewünschten Apparaten befestigt werden kann. Im übrigen ist diese Ausführungsform aber nahezu gleich der Ausführungsform nach Fig. 1.

Die Abmessungen des Ausführungsbeispiels nach Fig. 1 sind folgende: Die Kammer 1 hat eine Länge von 2 cm und einen Durchmesser von gleichfalls 2 cm. die lonenaustrittsöffnung 5 hat einen Durchmesser von 5 mm und der Abstand zwischen dem Gitter 10 und der Platte 4 ist 0,1 mm. Bei einer Spannung von -IV des Gitters 10 in bezug auf die Platte 4 ist die Stromstärke des austretenden lonenbündcls dann lOO μΑ bei einer Energiestreuung von 0,6 eV. Bei zunehmender Extraktionselektrodenspannung ist z.B. die Stromstärke 10mA bei einer Energiestreuung von 1,0 eV.

Es sei bemerkt, daß mehrere Verfahren zum Erzeugen eines ionisierenden Elektronenbündels, nebst allerlei Anordnungen des Heizfadens, im Rahmen der Erfindung möglich sind. Nach einem alternativen Verfahren wird z.B. eine radioaktive Quelle in der Nähe der Ionenquelle montiert, wobei diese radioaktive Quellen-Teilchen in die Kammer 1 emittiert.

Auch sei noch bemerkt, daß im Rahmen der Erfindung die Gitter 10,13 und 30 derart ausgebildet werden können, daß sie eine Linsenwirkung auf das Ionenbündel ausüben, z.B. um ein genau paralleles Bündel zu erzielen.

2 Blatt /.cichiiunucn

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Ionenquelle mit einer Ionisationskammer, welche gitterformige elektrisch leitende Wandteile und einen für Ionen undurchdringlichen elektrisch leitenden Wandteil mit einer Ionenaustrittsöffnuiig aufweist und in welche Elektronen zum Ionisieren eines Gases von mindestens einem außerhalb der Ionisationskammer gelegenen Heizfaden aus, der gegenüber der Ionisationskammer eine negative Spannung aufweist, ohne Anwendung eines die Elektronen beeinflussenden Magnetfeldes injiziert werden, und mit einer Extraktionselektrode, dadurch ge kennzeichnet, daß die Ionenaustrirtsöffnung von der gitterförmigen Extraktionselektrode, die in einem Abstand von einigen Zehnteln eines Millimeters von dem Wandteil mit der Ionenaustrittsöffnung liegt und beim Betrieb der Ionenquelle eine negative Spannung von höchstens 5 V in bezug auf diesen Wandteii aufweist, überspannt wird.

2. Ionenquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die gitterförmigen Wandteile der Ionisationskammer von einer Reflektorelektrode für die Ionen umgeben werden, die in bezug auf die Wandteile der Ionisationskammer eine positive Spannung aufweist.