ИОННЫЙ ИСТОЧНИК Российский патент 1996 года по МПК H01J27/04 H01J3/04 

Изобретение относится к технике получения ионных пучков и может быть использовано при получении пучков многозарядных ионов и высокозарядных ионов, включая ядра, полностью лишенные электронов.

Известен источник многозарядных ионов, в котором ионизация атомов рабочего вещества осуществляется электронным пучком в магнитном поле [1] В данном ионном источнике катод и анод с сеткой образуют электронную пушку, которая расположена в магнитном поле. Генерируемый пушкой протяженный электронный пучок проходит вдоль оси камеры ионизации и высаживается на электронный коллектор. Имеется устройство для подачи атомов рабочего вещества в ионизационную камеру. Ионы рабочего вещества, образующиеся в процессе бомбардировки электронным пучком, вытягиваются из камеры ионизации поперек магнитного поля, для чего в камере установлены соответствующие электроды. Недостатком такого ионного источника является относительно низкая предельная зарядность получающихся ионов, а также низкая интенсивность ионных пучков.

В качестве прототипа рассмотрим электронно-лучевой ионный источник, который содержит электронную пушку, состоящую из катода, анода и фокусирующего электрода, секционированную структуру дрейфа электронов, коллектор электронов, фокусирующую магнитную систему, систему ввода рабочего вещества, вакуумный кожух и систему вакуумной откачки [2]
В электронно-лучевом ионном источнике электроны, эмиттированные катодом, ускоренные и сфокусированные с помощью анода и фокусирующего электрода, образуют протяженный электронный пучок, который проходит внутри секционированной структуры дрейфа. Сильное продольное магнитное поле фокусирующего соленоида удерживает электронный пучок так, что он сохраняет размер своего поперечного сечения на протяжении всей длины структуры дрейфа. После выхода из магнитного поля электронный пучок расфокусируется и попадает на внутреннюю поверхность охлаждаемого электронного коллектора.

Низкозарядные ионы рабочего вещества вводятся импульсно в электронный пучок и удерживаются в нем его собственным пространственным зарядом и электрическими потенциальными барьерами на оконечных секциях структуры дрейфа. По прошествии определенного времени под действием электронной бомбардировки ионы достигают высокой зарядности и выводятся из ловушки вдоль электронного пучка в направлении прикладываемого к структуре дрейфа градиента электростатического потенциала (обычно в направлении электронного коллектора), покидая источник через отверстие в электронном коллекторе.

Электронно-лучевой ионный источник позволяет получать ионы предельно высоких зарядностей, такие как, например, Кr36⁺ и Хе54⁺. Однако недостатком этого типа ионного источника является то, что электроны пучка лишь однократно пролетают внутри ионной ловушки, что приводит к необходимости применения пучков больших токов (до 10 А и более) с целью увеличения количества получаемых ионов. Применение столь больших электронных токов вызывает значительные технические сложности, связанные как с отводом рассеиваемой на элементах источника мощности, так и с поведением ионэлектронной системы. В результате в настоящее время эффективно используются электронные пучки в 0,1-0,2 А, что приводит к соответствующему ограничению интенсивности ионных пучков из источника.

Целью изобретения является увеличение интенсивности ионных пучков из ионного источника и уменьшение мощности, рассеиваемой на его элементах.

Это достигается тем, что в предлагаемом ионном источнике, содержащем электронную пушку (ЭП), состоящую из катода, анода и фокусирующего электрода, структуру дрейфа электронов, коллектор электронов, фокусирующую магнитную систему, систему ввода рабочего вещества и вакуумный кожух, катод выполнен из двух частей: собственно катода, способного испускать электроны, и окружающего его катодного диска с отверстием в центре, на противоположном относительно электронной пушки конце структуры дрейфа соосно с последней установлен узел отражателя электронов, состоящий из собственно отражателя с отверстием в центре, фокусирующего электрода отражателя электронов и анода отражателя электронов, установленного перед собственно отражателем соосно с последним, а коллектор электронов, имеющий отверстие вдоль оси, установлен непосредственно за анодом электронной пушки и (или) перед анодом отражателя электронов.

Кроме того, для расширения возможностей ввода и экстракции ионов собственно катод ЭП выполнен в виде кольца или одного или нескольких эмиттеров электронов, расположенных в отверстии катодного диска, смещенно от его центра, при этом собственно отражатель электронов может не содержать отверстия в центре.

На фиг. 1 схематически изображен предлагаемый источник ионов.

За исключением собственно катода 1 все элементы электронно-оптической системы и дрейфовой структуры 2-11 установлены на оси магнитного поля фокусирующего соленоида 12.

Необходимым условием работы ионного источника является создание в его объеме сверхвысокого вакуума и сильного фокусирующего магнитного поля. Все элементы системы заключены в вакуумный кожух 14.

Ионный источник работает следующим образом.

На собственно катод 1 и катодный диск 2 подается отрицательное напряжения U_kаt, а на собственно отражатель электронов 8 несколько более отрицательное напряжение U_ое, так что U_kаt U_ое, при этом потенциалы анода ЭП 4 и анода отражателя электронов 11, а также обоих коллекторов электронов 5 и 8 поддерживаются, например, равными нулю. На фокусирующий электрод ЭП 3 подается напряжение более отрицательное, чем на катод, а на фокусирующий электрод отражателя электронов 10 более отрицательное, чем на собственно отражатель 9. На структуру дрейфа электронов подается положительное напряжение с градиентом, например, в направлении отражателя электронов ОЭ. При включении подогрева собственно катода испускаемые им электроны ускоряются потенциалом анода ЭП, пролетают через отверстие ЭК1 5 внутрь структуры дрейфа электронов 6 и далее через отверстие ЭК2 8 и анода ОЭ 11 попадают в тормозящее электрическое поле отражателя ОЭ 9. Здесь электроны сначала замедляются, а потом отражаются от ОЭ 9, поскольку U_ое U_kаt. На обратном пути электроны вновь ускоряются анодом ОЭ, проходят структуру дрейфа, ЭК1, анод ЭП и, затормозившись в поле катода ЭП, отражаются обратно. Магнитное поле фокусирующего соленоида 12 удерживает электроны на их траекториях. Однако по мере увеличения числа отражений и накопления отрицательного пространственного заряда осциллирующих электронов, их траектории все больше смещаются от оси системы в радиальном направлении, что приводит к высадке электронов на коллектор электронов ЭК1 и ЭК2, а также на анод ЭП и анод ОЭ.

Экспериментально показано, что число отражений электронов может достигать 200 и более. Таким образом, при отборе электронного тока с собственно катода, например в 1мл эффективный электронный ток ионизирующего пучка составляет 200 мл.

Процесс инжекции, удержания и вывода ионов из пучка осциллирующих электронов осуществляется так же, как и в обычном электронно-лучевом ионном источнике. А именно: в начальный момент времени цикла ионизации на оконечных секциях структуры дрейфа 7а, б создаются потенциальные барьеры. Через элемент 13 системы ввода рабочего газа в структуру дрейфа вводится рабочий газ при низком (около 10^-7 мм рт.ст.) давлении. Через определенное время потенциальный барьер подается на оконечную секцию 7в, а с оконечной секции 7б барьер снимается. Ионы рабочего газа удерживаются в пучке осциллирующих электронов между барьерами 7а и 7в. Под действием электронной бомбардировки зарядность ионов увеличивается, при достижении ионами нужной зарядности потенциалы секций структуры дрейфа между секциями 7а и 7б увеличиваются с одновременным созданием выводящего ионы градиента электрического потенциала. После вывода ионов через отверстие в собственно отражателе электронов цикл ионизации повторяется.

Таким образом, применение предлагаемого источника ионов позволяет значительно (более чем в 100 раз) снизить рассеиваемую на элементах источника мощность, не уменьшая эффективность ионизации.

При необходимости инжектирования ионов рабочего вещества и/или вывода ионов из источника через катод ЭП центральная часть электронной пушки может быть освобождена путем выполнения собственно катода в виде кольца или одного или нескольких эмиттеров электронов смещенно от оси ЭП.

Использование: техника получения ионных пучков, в частности, для получения пучков многозарядных ионов и высокозарядных ионов, включая ядра, полностью лишенные электронов. Сущность изобретения: в ионном источнике, содержащем электронную пушку, состоящую из катода, анода и фокусирующего электрода, структуру дрейфа электронов, коллектор электронов, фокусирующую магнитную систему и систему ввода рабочего вещества, катод выполнен из собственно катода и окружающего его катодного диска с отверстием в центре, напротив электронной пушки за структурой дрейфа введен узел отражателя электронов, содержащий собственно отражатель с отверстием в центре, фокусирующий электрод и анод. Коллектор электронов с отверстием вдоль оси установлен за анодом электронной пушки перед анодом отражателя. 3 з.п. 1 ил.

1. Ионный источник, содержащий электронную пушку, состоящую из катода, анода и фокусирующего электрода, структуру дрейфа электронов, коллектор электронов, фокусирующую магнитную систему, систему ввода рабочего вещества и вакуумный кожух, отличающийся тем, что катод выполнен из двух частей - собственно катода, способного испускать электроны, и окружающего его катодного диска с отверстием в центре, на противоположном относительно электронной пушки конце структуры дрейфа соосно с последней установлен узел отражателя электронов, состоящий из собственно отражателя с отверстием в центре, фокусирующего электрода отражателя электронов и анода отражателя электронов, установленного перед собственно отражателем соосно с последним, а коллектор электронов, имеющий отверстие вдоль оси, установлен непосредственно за анодом электронной пушки и/или перед анодом отражателя электронов. 2. Источник по п.1, отличающийся тем, что собственно катод электронной пушки выполнен в виде кольца. 3. Источник по п.1, отличающийся тем, что собственно катод электронной пушки смещен относительно центра катодного диска. 4. Источник по п.1, отличающийся тем, что катод содержит несколько собственно катодов, смещенных относительно центра катодного диска.