АВТОЭМИССИОННЫЙ ИСТОЧНИК ИОНОВ С ПОНИЖЕННЫМ РАБОЧИМ НАПРЯЖЕНИЕМ Российский патент 2003 года по МПК H01J27/26 

Изобретение относится к области разработки автоэмиссионных ионных источников с полевой ионизацией вещества и решает задачу снижения величины необходимого рабочего электрического напряжения.

Актуальность этой задачи определяется тем, что ионные источники данного типа обладают рядом уникальных параметров, в частности наименьшими разбросом энергии и ценой иона [1]. Однако высокое электрическое напряжение, которое необходимо прикладывать, представляет опасность для персонала (поражение электрическим током, рентгеновское излучение), вызывает необходимость в наличии высоковольтной изоляции, высоковольтных преобразователей и способствует ускоренному выходу из строя элементов оборудования за счет катодного распыления ионами остаточных газов.

Разработано большое количество вариантов автоэмиссионных источников ионов такого типа. Общими элементами в них являются ионизирующий электрод типа острия, вытягивающий электрод и рабочее вещество. Ряд усовершенствований позволяют увеличить ток ионов, не увеличивая электрическое напряжение. Так, в [2] предложено охлаждать острие до температуры сжижения рабочего вещества. Это способствует миграции вещества в область ионизации и увеличению потока ионов. Недостатком является сложность поддержания низкой температуры. В [3] предлагается сделать острие пористым и прокачивать через него рабочее вещество. Очевидно, что плотность потока должна возрасти при том же напряжении, но технология приготовления пористых острий достаточно высокого качества по-видимому пока слабо разработана.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достигаемому результату (прототипом) является решение [4] в котором предлагается оптимизировать конструкцию за счет напыления на поверхность острия пленки из тугоплавкого металла, который инертен по отношению к рабочему веществу.

Недостатками этого решения являются сложность нанесения покрытия и необходимость периодического восстановления его в процессе эксплуатации.

Задача настоящего изобретения - снижение величины электрического напряжения, необходимого для ионизации (или, что одно и тоже, повышение плотности тока при заданном напряжении).

Поставленная задача решается за счет добавки в вакуумный промежуток между электродами следов летучих молекул с высоким дипольным моментом (например, нафталина), которые выполняют роль посредника при поверхностной ионизации атомов рабочего газа.

Схема устройства показана на фиг.1, где
1 - острие,
2 - молекулы - посредники,
3 - ионный поток,
4 - экран, светящийся под действием ионной бомбардировки.

Работа устройства происходит следующим образом.

На острие подают высокий потенциал (положительный относительно экрана). При этом молекулы-посредники за счет своего высокого дипольного момента притягиваются к поверхности острия, выталкивают оттуда любые другие молекулы и образуют устойчивую мономолекулярную пленку. (Согласно существующим теоретическим представлениям молекула, приблизившаяся к заряженной металлической поверхности ближе некоторого критического расстояния, не может ионизоваться, если ее верхний электронный уровень окажется ниже уровня Ферми металла [5]). У свободных концов молекул напряженность электрического поля оказывается многократно повышенной по сравнению со средним уровнем на поверхности острия (оценки даны в [6]). Здесь и происходит ионизация атомов рабочего газа.

ПРИМЕР. Был изготовлен и опробован источник с подложкой-острием из нержавеющей стали и вольфрама, молекулами нафталина в качестве посредников, гелием или азотом в качестве рабочего газа. Испытания показали, что при напряженности поля у поверхности ≈5•10⁹В/м образуется устойчивая мономолекулярная пленка на поверхности, посредством которой происходит облегченная ионизация атомов рабочего газа. На фиг.2А показаны четыре молекулы нафталина, сидящие на поверхности и посылающие пучки ионов на экран, который под действием этих пучков светится, и мы видим поэтому эти молекулы. На фиг.2Б показана структура ионного пучка при полностью сформированной мономолекулярной пленке. Тот факт, что пучок имеет гранулированную структуру, может быть полезен при производстве ядерных фильтров с особыми параметрами (например, повышенной толщины). На фиг.2В представлено ионизирующее острие-подложка, полученное путем контролируемого электрического разряда в вакууме.

Список использованной литературы
1. Я.Браун. Физика и технология источников ионов. М.: Мир, 1998, 496 с.

2. Патент JP 1189839 "lonization of electric field ionized gas and ion source thereof H 01 J 27/26, OCHIAI YUKINORI.

3. Патент JP 63174243 "Field emission type gas ion source" H 01 J 27/26, OCU GOJI.

4. Патент US 4551650 "Field emission ion source with spiral shaped filament heater" H 01 J 27/26, NODA TAMOTSU.

5. И.Миллер. Macс-анализ в автоионной микроскопии. М.: Мир, 1993, 230 с.

6. И.Н. Сливков. Процессы при высоком напряжении в вакууме. М.: Энергия, 1986, 256 с.

Использование: ионные микроскопы, ионные реактивные двигатели, ускорители ионов, производство ядерных фильтров. Сущность изобретения: ионизацию атомов рабочего газа производят через слой молекул-посредников, напряженность электрического поля у свободных концов которых выше, чем средняя по поверхности электрода. Техническим результатом изобретения является снижение необходимой для работы источника величины электрического напряжения. 2 ил.

Автоэмиссионный источник ионов с пониженным рабочим напряжением, содержащий ионизирующий электрод с высокой кривизной поверхности, вытягивающий электрод и газообразное рабочее вещество, отличающийся тем, что на рабочей поверхности ионизирующего электрода создана мономолекулярная пленка из молекул с дипольным моментом, большим, чем дипольный момент рабочего вещества.