СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ПУЧКА ОТРИЦАТЕЛЬНЫХ ИОНОВ Российский патент 2009 года по МПК H01J27/02 

Изобретение относится к технике генерации пучков отрицательных ионов и может быть использовано в ускорителях заряженных частиц, системах нагрева плазмы и других устройствах.

Известен поверхностно-плазменный способ получения отрицательных ионов [1], включающий подачу в разрядную камеру источника вместе с основным рабочим веществом добавки вещества с малым потенциалом ионизации, например цезия.

Недостатком данного способа является подача в разрядную камеру вещества с малым потенциалом ионизации, обычно это щелочные металлы, чаще всего цезий. Неизбежный при этом вынос паров щелочного металла из источника ионов в устройства, использующие ионный пучок, ограничивает применение данного способа, так как может вести к возрастанию вторичной электронной эмиссии или электрическим пробоям в ускоряющей системе и других устройствах.

Наиболее близким по своей технической сущности и достигаемому результату является способ получения пучка отрицательных ионов водорода без использования щелочного металла, за счет стимулированной электронами десорбции водородных частиц с поверхности полупроводника, имеющего отрицательную энергию электронного сродства, а именно алмаза [2]. Способ включает создание потока атомарного водорода, направленного к поверхности конвертора, изготовленного из алмаза, последующую бомбардировку поверхности электронным пучком, вызывающую десорбцию водородных частиц с поверхности в виде отрицательных ионов, ускорение образованных отрицательных ионов и формирование их в ионный пучок. Недостатком способа является низкая интенсивность получаемого пучка отрицательных ионов водорода, которая в этом способе определяется тем, что ток электронов, поступающих к поверхности конвертора, ограничивается пространственным зарядом электронного пучка.

Техническим результатом изобретения является повышение интенсивности пучка отрицательных ионов изотопов водорода без использования щелочных металлов в качестве катализаторов процессов образования отрицательных ионов.

Указанный технический результат достигается тем, что в известном способе получения отрицательных ионов, включающем создание потоков атомарного водорода и электронов, направленных к поверхности конвертора, изготовленного из материала с отрицательной энергией электронного сродства, например алмаза, ускорение образовавшихся ионов и формирование их в пучок, в предлагаемом способе, для создания интенсивных потоков атомарного водорода и электронов в непосредственном контакте с конвертором возбуждают плазму сильноточного газового разряда, при этом молекулярный водород подают к конвертору таким образом, чтобы он протекал через зону плотного газового разряда, а отрицательные ионы вытягивают с конвертора, минуя столб плазмы. В качестве конвертора может использоваться анод или часть анода газоразрядной ячейки.

Для получения технического результата при изготовлении конвертора используется поликристаллический алмазный материал, полученный методом газофазного синтеза. Синтезированные таким методом алмазные материалы имеют вид пластин с размерами свыше 1 см в диаметре и более 1 мм толщиной, что удовлетворяет требованиям применения в качестве конвертора в источнике отрицательных ионов водорода.

Известна [3] величина энергии сродства к электрону для алмаза, полученного методом газофазного синтеза, поверхность которого насыщена слоем адсорбированного водорода. Величина энергии сродства составляет U_a=-1,27 эВ, отрицательная величина энергии означает, что минимум зоны проводимости лежит выше вакуумного уровня. Величина энергии связи электрона с атомным остатком в ионе Н - составляет φ=0,75 эВ. Величина энергии связи атома водорода, адсорбированного на поверхности алмаза, составляет около 1,6 эВ [4].

При переходе электрона с уровня зоны проводимости на уровень электронного сродства в ионе Н - выделяется энергия, равная Δ=|U_a-φ|=|-1,27-0,75| эВ=2,02 эВ, что достаточно для разрыва связи атома с поверхностью (1,6 эВ) и десорбции в виде свободного отрицательного иона.

Использование сильноточного газового разряда позволяет получить поток электронов на поверхности конвертора величиной свыше 1 А, что значительно превышает электронный ток, использованный в прототипе [2], который составлял 40 мкА.

Интенсивная диссоциация молекулярного водорода в зоне плазменного столба позволяет получить интенсивный поток атомарного водорода на поверхности конвертора, необходимый для насыщения поверхностного слоя адсорбированных атомов и его поддержания при десорбции с поверхности водородных частиц в виде отрицательных ионов.

Освоение газофазного синтеза поликристаллических алмазных материалов сделало возможным получение пластин такого материала с достаточно большой площадью поверхности, удовлетворяющих требованиям применения в поверхностно-плазменном источнике отрицательных ионов в качестве конвертора, на котором происходит перезарядка падающих на него нейтралов в поток отрицательных ионов. Такой конвертор расположен в области эмиссионного отверстия, что существенно увеличивает вероятность выхода отрицательных ионов без разрушения в область формирования пучка и обеспечивает условия для генерации пучков с малым энергетическим разбросом и эмиттансом.

Способ может быть применен для получения отрицательных ионов изотопов водорода и других элементов, например кислорода, способных образовывать стабильные отрицательные ионы.

На чертеже представлен вариант реализации способа, когда конвертором является часть анода газоразрядной ячейки в виде вставки, изготовленной из алмазного материала, выращенного методом газофазного синтеза. Газоразрядная ячейка состоит из катода 1 и анода 2. Анодная вставка 3 изготовлена из алмазного материала и служит конвертором нейтральных атомов в отрицательные ионы. Поток отрицательных ионов 4 вытягивается электродом 6. Поток молекулярного водорода 5 подается в разряд со стороны катода. Для осуществления изобретения между катодом и анодом газоразрядной ячейки прикладывают напряжение, которое вызывает газовый разряд с разрядным током более 10 А. Со стороны катода в плазму газового разряда подают рабочий газ - молекулярный водород, который в значительной степени диссоциирует в плазме разряда и поступает к аноду в виде потока атомарных частиц. На анод также поступает ток электронов газового разряда, величина которого составляет более 10 А, что значительно больше, чем электронный ток, поступающий на конвертор в прототипе. Электроны из плазмы газового разряда протекают через анодную вставку из алмазного материала, создавая концентрацию носителей в зоне проводимости алмаза. Адсорбированные на алмазной поверхности атомы водорода захватывают электроны из зоны проводимости на уровень электронного сродства с выделением энергии, достаточной для десорбции и ухода от поверхности в виде отрицательных ионов, и формируются в пучок 4 вытягивающими электродами 6.

Предлагаемый способ получения пучка отрицательных ионов водорода за счет возбуждения плазмы сильноточного газового разряда имеет высокую интенсивность получаемого пучка отрицательных ионов и может быть использован на сильноточном линейном ускорителе.

Литература

1. В.Г.Дудников. Способ получения отрицательных ионов, Авторское свидетельство Кл. H01J 3/04, №411542, Заявка 3.03.1972, Бюллетень №2, 1974.

2. С.Goeden and G.Dollinger. Electron stimulated desorption on diamond (100) as a negative hydrogen source, Applied Surface Science, Volume 147, Issues 1-4, May 1999, Pages 107-113.

3. J.B.Cui, J.Ristein, L.Ley, Phys. Rev. Letters, 81, p.429-432 (1998).

4. M.McConial, M.L.Kempel, M.S.Hammond, K.D.Jamison, Jorn. Vac. Sci. Technol. A 14 (4) (1996) p.2308.

Изобретение относится к технике генерации пучков отрицательных ионов и может быть использовано в ускорителях заряженных частиц, системах нагрева плазмы и других устройствах. Способ получения пучка отрицательных ионов основан на десорбции водородных частиц в виде отрицательных ионов с поверхности конвертора, изготовленного из материала с отрицательным электронным сродством, например алмаза. Для увеличения интенсивности вытягиваемого пучка отрицательных ионов в непосредственной близости от конвертора возбуждается плазма сильноточного газового разряда, которая является источником интенсивных потоков нейтральных атомов и электронов, обеспечивающих насыщение адсорбированного атомарного слоя на поверхности конвертора и заполнение электронами зоны проводимости. Молекулярный водород подается к конвертору таким образом, чтобы он протекал через зону плотного газового разряда для увеличения степени диссоциации, а отрицательные ионы вытягиваются с конвертора, минуя столб плазмы. В качестве конвертора используется анод или часть анода газоразрядной ячейки. Технический результат - повышение интенсивности пучка отрицательных ионов изотопов водорода без использования щелочных металлов в качестве катализатора. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ получения отрицательных ионов, включающий создание потоков атомарного водорода и электронов, направленных к поверхности конвертора, изготовленного из материала с отрицательной энергией электронного сродства, например алмаза, ускорение образовавшихся ионов и формирование их в пучок, отличающийся тем, что для создания интенсивных потоков атомарного водорода и электронов, направленных к поверхности конвертора, в непосредственном контакте с конвертором возбуждают плазму сильноточного газового разряда, при этом молекулярный водород подают к конвертору таким образом, чтобы он протекал через зону плотного газового разряда, а отрицательные ионы вытягивают с конвертора, минуя столб плазмы.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве конвертора используют анод или часть анода газоразрядной ячейки.