МУЛЬТИКАСПОВЫЙ ИСТОЧНИК ИОНОВ С ДВУХСТУПЕНЧАТЫМ ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ РАЗРЯДОМ Российский патент 2003 года по МПК H01J3/04 H01J37/08 

Изобретение относится к источникам заряженных частиц и применяется в области ускорительной техники.

Аналогом изобретения являются широко известные источники ионов с двухступенчатым электрическим разрядом, в которых плазма первой ступени разряда действует как плазменный катод и дает первичные электроны для поддержания второй, главной ступени [1, 2]. Недостатком является потеря частиц плазмы на боковых стенках разрядной камеры и высокий уровень осцилляции плазмы, факторы, ухудшающие фазовые параметры генерируемых ионных пучков и уменьшающие ток пучка.

Прототипом изобретения является дуоплазматронный источник ионов, состоящий из катода, промежуточного электрода, анода с отверстием эмиссии и электромагнита, создающего продольное магнитное поле между промежуточным электродом и анодом [3]. В этом источнике реализовано горение двухступенчатого электрического разряда между катодом и анодом, а удержание и контрагирование плазмы продольным магнитным полем осуществляется только в области между промежуточным электродом и анодом, где оно соосно с электрическим полем разряда. Недостатками являются: значительный уход первичных электронов на боковые поверхности в области катод - промежуточный электрод, уменьшающий ток пучка на выходе источника; и осцилляция плазмы в области разряда между промежуточным электродом и анодом, где магнитное и электрическое поля соосны. Они повышают температуру плазмы в отверстии эмиссии ионов и ухудшают фазовые характеристики пучка заряженных частиц, генерируемого источником.

Целью изобретения является увеличение тока и уменьшение разброса поперечных скоростей ионов в пучке на выходе ионного источника.

Поставленная цель достигается тем, что в мультикасповый источник ионов с двухступенчатым электрическим разрядом, состоящий из катода, промежуточного электрода, анода с отверстием эмиссии, расположенных в перечисленном порядке и электрически изолированных друг от друга, отличающийся тем, что в нем по периметру промежуточного электрода установлены независимые электромагниты, магнитные сердечники которых выполнены в виде протяженных вдоль продольной оси ионного источника стержней, а их электрокатушки включены таким образом, что электромагниты создают между катодом и анодом остроугольное мультикасповое магнитное поле, величина которого приближается к нулю на продольной оси источника и резко нарастает по радиусу в области стержней.

В результате предложенных конструктивных изменений в изобретении возникает новое физическое свойство, а именно во всем промежутке между катодом и анодом уходу электронов из разряда на боковые поверхности препятствует наличие магнитного поля, которое нарастает по мере удаления от центральной продольной оси, а контрагирование плазмы в зазоре между промежуточным электродом и анодом осуществляется магнитным полем, силовые линии которого перпендикулярны направлению электрического поля разряда и величина этого магнитного поля имеет минимум на центральной продольной оси источника, резко нарастая на периферии. Первый из перечисленных факторов увеличивает количество электронов, ионизирующих рабочий газ, повышая плотность плазмы в области отверстия эмиссии, что способствует увеличению тока пучка, генерируемого источником ионов. А использованный вид магнитного поля в зазоре между анодом и промежуточным электродом изменяет по сравнению с прототипом траектории движения электронов, уменьшая плазменные осцилляции, возникающие из-за локальных изменений ее плотности по длине зазора в зоне контракции. Это снижает уровень плазменных шумов и ее температуру в области отверстия эмиссии ионов, способствуя уменьшению разброса поперечных скоростей заряженных частиц в ионном пучке на выходе источника.

Широко известны источники ионов, в которых используется мультикасповое магнитное поле для уменьшения ухода плазмы на боковые поверхности из области одноступенчатого электрического разряда [4]. Но ионных источников с двухступенчатым электрическим разрядом, в которых подобное поле использовалось бы как для контрагирования, так и для удержания плазмы, не обнаружено.

Анализ отличительных существенных признаков и проявленных благодаря им свойств, связанных с достижением положительного эффекта, а именно: наличие конструктивных изменений, вызвавшее возникновение нового физического свойства, приведшее к положительному эффекту, позволяет считать, что заявленное техническое решение соответствует критерию существенные отличия.

На фиг. 1 показан чертеж мультикаспового источника ионов с двухступенчатым электрическим разрядом 1, состоящего из катода 2, промежуточного электрода 3, электромагнитов 4, включающих в себя электрокатушку 5 и магнитный сердечник 6, содержащего отверстие эмиссии 7 анода 8, причем катод, промежуточный электрод, электромагниты и анод электрически изолированы друг от друга и каждый подсоединен к отдельному источнику электропитания. Источник ионов работает следующим образом. Импульсы электропитания подаются на катод 2, промежуточный электрод 3, электромагниты 4 и анод 8 в заданной последовательности. Стержни электромагнитов, в описанном экспериментальном образце их было 4, размещаются равномерно по периметру промежуточного электрода 3 на протяжении всей его длины и выступают далее, перекрывая практически весь зазор между промежуточным электродом 3 и анодом 8 за исключением толщины тонкой диэлектрической прокладки, изолирующей анод 8 от других электродов и на фиг. 1 не показанной. Поскольку электрокатушки 5 соседних электромагнитов 4 включены встречно, то два соседних магнитных сердечника 6 будут иметь различную магнитную полярность, как это показано на фиг. 2. Они формируют на всем протяжении между катодом и анодом магнитное поле сложного профиля, силовые линии которого показаны на фиг.2, причем величина этого поля будет приближаться к нулю на центральной продольной оси источника резко нарастая вблизи полюсных наконечников, фиг.2. Регулируя ток через электрокатушки 5, фиг.1, можно изменять размеры области свободной от магнитного поля на продольной оси источника, фиг. 2, осуществляя контрагирование плазмы в нем. После подачи электрических импульсов на катод 2, промежуточный электрод 3 и анод 8, фиг.1, между этими электродами зажигается электрический разряд, ионизирующий рабочий газ, которым предварительно был заполнен ионный источник. Причем плазма разряда в области между катодом 2 и промежуточным электродом 3 фиг.1, служит эмиттером электронов ионизирующих газ в зазоре между промежуточным электродом 3 и анодом 8 фиг. 1, обеспечивая горение второй ступени электрического разряда между этими электродами. Ионный пучок вытягивается из мультикаспового источника ионов с двухступенчатым электрическим разрядом 1, через отверстие эмиссии 7 из плазменной области электрического разряда вблизи анода 8 фиг. 1. Известно, что реализация двухступенчатого электрического разряда в ионных источниках приводит к очень хорошей производительности по газу и мощности [5].

В прототипе [3] плазменные электроны первой ступени электрического разряда между катодом 2 и промежуточным электродом 3 фиг.1 могли беспрепятственно уходить из области плазмы на боковые стенки этого электрода, что приводило к снижению эффективности ионизации рабочего газа, уменьшая производительность ионного источника по газу и генерируемому току пучка заряженных частиц. Магнитное поле 9, создаваемое электромагнитами 4, отражает плазменные электроны, идущие на боковые стенки обратно к центральной продольной оси, где его величина исчезающе мала, фиг.2. Ширина магнитных щелей на сердечниках электромагнитов 4 фиг. 2, через которые возможен уход плазменных электронов из разряда, оцененная согласно [6] как
W~4•(ρ_e•ρ_i)^1/2,
где (ρ_e•ρ_i)^1/2 - гибридный ларморовский радиус, определяемый магнитным полем вблизи полюсного наконечника 6, помноженная на длину сердечника электромагнитов 4 и их число, фиг.1; величина во много раз меньшая, чем площадь ухода в прототипе [3], где она определялась всей боковой поверхностью промежуточного электрода. В предлагаемом изобретении, как и в прототипе, контрагирование плазмы на выходе из промежуточного электрода осуществляется электрическим полем вогнутого двойного электрического слоя, что увеличивает ток пучка ионов на выходе источника [1].

Во второй ступени электрического разряда в ионном источнике, выбранном за прототип [3] , плазменные электроны в процессе контрагирования плазмы замагничиваются силовыми линиями магнитного поля, соосного с электрическим в зазоре промежуточный электрод - анод, резко повышая их плотность в трубках тока, что, с учетом электрического взаимодействия зарядов, способствует образованию локальных участков с неравномерным распределением плотности заряда. Наличие таких локализаций повышает уровень самосогласованных полей в плазме, способствуя развитию осцилляции и увеличению ее температуры, что увеличивает разброс поперечных скоростей ионов в пучке на выходе источника. Поэтому температура плазмы, из которой производится отбор ионов в пучок на выходе источников, выбранных за прототип и аналог [1-3], лежит в пределах 3-7 эВ, являясь основным ограничением, препятствующим улучшению фазовых характеристик извлекаемого из таких источников пучка заряженных частиц.

В предлагаемом изобретении контрагирование плазмы в области отбора ионов в пучок, между промежуточным электродом 3 и анодом 8, осуществляется так же магнитным полем, но его силовые линии ортогональны вектору электрического поля в разряде. А вблизи центральной оси источника, на которой в экспериментальном образце ионного источника расположено отверстие эмиссии 7 фиг.1, величина магнитного поля почти нулевая. Подобная конфигурация полей, вынуждающая плазменные электроны пересекать силовые линии, изменяя свою траекторию движения по сравнению с прототипом, способствует более равномерному распределению плотности заряженных частиц в плазме. Так, характерная температура плазмы в ионных источниках, использующих для ее удержания мультикасповое магнитное поле и одноступенчатый электрический разряд, лежит в диапазоне 0,1-0,3 эВ [4]. Это улучшает фазовые характеристики извлекаемого пучка заряженных частиц.

Таким образом, в мультикасповом источнике ионов с двухступенчатым электрическим разрядом, как и в прототипе, сохранены основные физические принципы, формирующие плотную плазму на выходе источника, использование двухступенчатого электрического разряда и его двойное контрагирование электрическим (в конусе промежуточного электрода) и магнитным (между промежуточным электродом и анодом) полями. Но для достижения заявленного положительного эффекта в отличие от прототипа резко уменьшен уход плазменных электронов из области ионизации на всем участке разряда между катодом и анодом и контрагирование плазмы между промежуточным электродом и анодом осуществляется магнитным полем, обеспечивающим получение более низкотемпературной плазмы на выходе ионного источника, что позволяет в предлагаемом изобретении увеличить ток и уменьшить разброс поперечных температур генерируемого источником пучка заряженных частиц. Так, величина нормализованного эмиттанса ионного пучка протонов на выходе предлагаемого источника не превосходила 0,08 (π см мрад) в отличие от 0,8 (π см мрад), характерной для прототипа, причем величина тока ускоренного пучка на 40% превосходила аналогичную характеристику прототипа.

Снижение плазменных потерь и увеличение эффективности ионизации рабочего газа, имеющие место в изобретении, позволяют уменьшить его расход и натекание в ускоритель через отверстие эмиссии по сравнению с прототипом. Зачастую эти факторы являются определяющими для нормальной работы многих типов ускорителей.

Предлагаемый источник ионов прост и удобен и надежен в эксплуатации. Отличается невысокой стоимостью и удовлетворяет требованиям инжекции в разнообразные виды линейных и кольцевых ускорителей. Принимая во внимание высокую плотность плазмы, позволяющую формировать ионные пучки с большой плотностью тока, предлагаемое изобретение может успешно применяться при разработке импланторов и других технологических устройств.

Источники информации
1. О.В. Morgan, G.G. Kelley, R.C. Davis. Rev. Sci. Instrum. 38. P. 467, 1967.

2. M.R. Shubaly, R.G. Maggas, A.E. Weeden. IEEE Trans. Nucl. Sci. NS-32. P.1751. 1985.

3. Баталин В. А. , Кондратьев Б.К., Коломиец А.А и др. Дуоплазматрон с холодным катодом. // ПТЭ, 1975, 2. С.21-13.

4. J.P. Brainard, B.O. Hagan. Rev. Sci. Instrum. 54. P.1497. 1983.

5. Я. Браун. Физика и технология источников ионов. - М.: Мир. С.165.

6. Семашко Н.Н., Владимиров А.Н., Кузнецов В.В. и др. Инжекторы быстрых атомов водорода. - М.: Энергоиздат, 1981. С.86-88.

Изобретение относится к источникам заряженных частиц и применяется в области ускорительной техники. Техническим результатом является увеличение тока и уменьшение разброса поперечных скоростей ионов в пучке на выходе ионного источника. Мультикасповый источник ионов с двухступенчатым электрическим разрядом состоит из катода, промежуточного электрода, анода с отверстием эмиссии, расположенных в перечисленном порядке и электрически изолированных друг от друга. Дополнительно на промежуточном электроде установлены независимые электромагниты, смежные электрокатушки которых включены встречно, а их магнитные сердечники выполнены в виде протяженных вдоль продольной оси ионного источника стержней, создающих между катодом и анодом остроугольное мультикасповое магнитное поле, величина которого приближается к нулю на продольной оси источника и резко нарастает по радиусу в области стержней. В результате конструктивных изменений возникает новое физическое свойство, а именно во всем промежутке между катодом и анодом уходу электронов из разряда на боковые поверхности препятствует наличие магнитного поля, которое нарастает по мере удаления от центральной продольной оси, а контрагирование плазмы в зазоре между промежуточным электродом и анодом осуществляется магнитным полем, силовые линии которого перпендикулярны направлению электрического поля разряда, и величина этого магнитного поля имеет минимум на центральной продольной оси источника, резко нарастая на периферии. 2 ил.

Мультикасповый источник ионов с двухступенчатым электрическим разрядом, состоящий из катода, промежуточного электрода, анода с отверстием эмиссии, расположенных в перечисленном порядке и электрически изолированных друг от друга, отличающийся тем, что в нем на промежуточном электроде установлены независимые электромагниты, магнитные сердечники которых выполнены в виде протяженных вдоль продольной оси ионного источника стержней, а электрокатушки электромагнитов включены встречно и электромагниты создают между катодом и анодом остроугольное мультикасповое магнитное поле, величина которого приближается к нулю на продольной оси источника и резко нарастает по радиусу в области стержней.