ИСТОЧНИК ОТРИЦАТЕЛЬНЫХ ИОНОВ КИСЛОРОДА ИЛИ ИОНОВ ГАЛОГЕНОВ Российский патент 1994 года по МПК H01J27/20 H01J27/04 

Изобретение относится к устройствам для получения ионных пучков, а более конкретно - к устройствам ионных источников отрицательных ионов, которые могут применяться в ускорительной технике, масс-спектрометрии, технике получения нейтральных атомов.

Известны источники, в которых отрицательные ионы кислорода получают путем пропускания через соответствующий газ, например O₂, NO, NO₂, электронов с низкой энергией. При взаимодействии электронов с молекулами газа происходит их диссоциация с образованием O^- [1].

Известны источники, в которых генерация отрицательных ионов осуществляется в разряде Пеннинга с холодным катодом [2].

Однако используемые источники отрицательных ионов имеют сложную конструкцию и для своей работы обычно требуют напуска в вакуумную систему агрессивных газов.

Наиболее близким к изобретению техническим решением является устройство ионного источника с разрядом Пеннинга [2]. Источник работает следующим образом. Газоразрядная система - трубка Пеннинга образована полюсными наконечниками постоянного магнита, выполняющими функцию катодов, и медным прямоугольным анодом. Рабочий газ - кислород поступает внутрь анода. Между анодом и катодом прикладывается напряжение, в результате чего зажигается разряд. Образующиеся в разряде отрицательные ионы кислорода вытягиваются через отверстие в стенке анода вытягивающим электродом. После ускорения ионы одиночной линзой фокусируются в пучок и очищаются от сопутствующих электронов поперечным магнитным полем.

Цель изобретения - упрощение конструкции ионного источника и улучшение условий работы за счет отказа от использования агрессивных газов. Сущность изобретения состоит в том, что для получения отрицательных ионов кислорода O^- и галогенов F^-, Cl^- и I^- используется вторичная ионная эмиссия этих ионов из окисленного вещества или солей галогенов, например NaF, NaCl. При бомбардировке таких материалов положительными ионами с энергией в несколько кэВ наблюдается большой выход отрицательных ионов O^-, Cl^-, F^-, I^-.

Цель достигается тем, что в ионный источник, содержащий газоразрядную камеру с холодным катодом и анодом, в котором выполнено отверстие для извлечения ионов, источник рабочего вещества, магнитную систему, систему извлечения и фокусировки пучка отрицательных ионов и систему сепарации ионов от сопутствующих электронов, напускается инертный газ. При подаче напряжения между анодом и катодом в камере зажигается разряд. Положительные ионы, образующиеся в разряде, ускоряются электрическим полем к катоду, который покрыт рабочим веществом, и бомбардируют его. В результате такой бомбардировки из катода выбиваются отрицательные ионы кислорода или галогенов, которые тем же электрическим полем ускоряются в сторону анода. Дойдя до анода, они приобретают энергию, соответствующую напряжению, приложенному между анодом и катодом. В центре анода имеется отверстие, через которое часть ионов выходит из разрядного промежутка. Для фокусировки образующегося пучка ионов за анодом установлена фокусирующая система. Для удаления из пучка электронов используется магнит и отклоняющий конденсатор.

На фиг. 1 изображена схема предлагаемого устройства; на фиг. 2 - масс-спектр пучка ионов, который выходит из источника при использовании в качестве катода окисленного кремния и газового разряда в аргоне; на фиг. 3 - масс-спектр пучка ионов, который выходит из источника при использовании в качестве катода соли NaF и газового разряда в аргоне.

Устройство состоит из цилиндрической вакуумной камеры 1, изготовленной из немагнитного металла. В камере имеется патрубок 2 для напуска газа в разрядный промежуток. В торце камеры на изоляторе установлен холодный катод 3, на который подается отрицательный потенциал. Анод 4 закреплен непосредственно в камере и имеет в центре отверстие для выхода отрицательных ионов. Анод выполняет также функцию диафрагмы, которая обеспечивает повышенное давление газа в разрядном промежутке. Цилиндрический магнит 5 создает в области разряда аксиальное магнитное поле, которое обеспечивает зажигание разряда при более низких давлениях газа и концентрирует плазму вблизи оси источника. За диафрагмой установлены электростатическая линза 6 для фокусировки пучка ионов, постоянный магнит 7 для удаления электронов из пучка и отклоняющий конденсатор 8 для коррекции направления движения ионов. Энергия ионов в пучке определяется разностью потенциалов между анодом и катодом, а разброс по энергиям - разбросом вторичных ионов по начальным кинетическим энергиям, который не превышает нескольких эВ.

Для проверки работоспособности данного устройства использовался ионный источник с вакуумной камерой диаметром 60 мм, изготовленной из нержавеющей стали. Катод диаметром 10 мм изготавливают из окисленного кремния или соли NaF. Анод-диафрагму с отверстием в центре 0,5 мм изготавливают из нержавеющей стали и устанавливают на расстоянии 20 мм от катода. Аксиальное магнитное поле с напряженностью 80 мТ создают с помощью кольцевого постоянного магнита. При разности потенциалов между катодом и анодом 4 кВ и при давлении аргона в области разряда 10^-5 Торр ток разряда составляет 4 мА. При этом ток отрицательных ионов кислорода или фтора на выходе источника составляет 10^-7 А.

Состав ионного пучка, выходящего из источника, был проанализирован с помощью масс-спектрометра. На фиг. 2 показан масс-спектр пучка, полученного при использовании в качестве катода окисленного кремния. Кроме ионов O^- в пучке присутствует небольшое количество ионов OH^- (несколько процентов). На фиг. 3 показан масс-спектр пучка, полученного при использовании в качестве катода соли NaF. Кроме ионов F^- в пучке присутствует небольшое количество ионов O^-.

Таким образом предлагаемое устройство, которое отличается высокой эффективностью, простотой конструкции, позволяет получать интенсивные и достаточно чистые пучки отрицательных атомарных ионов кислорода и галогенов с малым разбросом по кинетическим энергиям.

Использование: устройства для получения пучков отрицательных ионов в ускорительной технике, масс-спектрометрии, технике получения нейтральных атомов. Сущность изобретения: источник отрицательных ионов кислорода или ионов галогенов содержит газоразрядную камеру с холодным катодом и анодом, установленными соосно относительно вектора индукции магнитного поля в полости камеры, систему формирования пучка отрицатекльных ионов и систему сепарации ионов от сопутствующих электронов. В аноде выполнено отверстие для извлечения ионов. Холодный катод выполнен из оксидного материала или соли галогена. Отрицательные ионы кислорода или ионы галогенов образуются при бомбардировке катода положительными ионами из газового разряда, зажигающегося между анодом и катодом в аксиальном магнитном поле при напуске инертного газа в разрядную камеру. 3 ил.

ИСТОЧНИК ОТРИЦАТЕЛЬНЫХ ИОНОВ КИСЛОРОДА ИЛИ ИОНОВ ГАЛОГЕНОВ, содержащий газоразрядную камеру с холодным катодом и анодом, в котором выполнено отверстие для извлечения ионов, источник рабочего вещества, магнитную систему, систему извлечения и формирования пучка отрицательных ионов и систему сепарации ионов от сопутствующих электронов, отличающийся тем, что катод, служащий источником рабочего вещества, выполнен из оксидного материала или соли галогена, при этом газоразрядная камера соединена с системой подачи инертного газа, а катод и анод установлены соосно относительно вектора индукции магнитного поля в полости камеры.