Ионная ускорительная трубка Советский патент 1988 года по МПК H05H5/03 

Изобретение относится к технике получения ускоренных ионных пучков в вакууме, и может быть использовано в ускорительной технике, электрон ной технике, физике твердого тела. Известна ионная ускорительная трубка, содержащая концентрические, плоские электроды из магнитного материала, намагниченные в направлении перпендикулярном плоскости электрода, В указанной трубке за счет дейст вия магнитных полей в приэлектродной области уменьшается электронная нагрузка в трубке, увеличивается ее и электропрочность и, как следствие, увеличивается интенсивность потока ускоренньпс ионов и уменьшается радиа ционная опасность трубки. Недостатком указанной ускорительной трубки является то, что электроны, образовавшиеся в результате иони зации остаточного газа ионным пучком или обдирки отрицательных ионов, при ускорении в трубке отрицательных ИОНОВ;могут быть ускорены до значительной энергии, определяемой электрическим потенциалом в месте их рож цения, т.е. вплоть до максимальной энергии ионов. Интенсивность образеванного таким образом электронного п тока определяется длиной трубки, дав лением и составом газа в ней, энергией, массой и зарядом ускоряемых ионов. В ускорителях ионОв тяжелых элементов, например, для ионной им-, плантации в условиях промышленного производства полупроводниковых прибо ров требуемые интенсивности ионных:потоков могут достигать десятков мил лиампер, а ускоряющие напряжения 1-2 МБ, При неблагоприятныхусловиях (давление, сорт ускоряемых ионов) электронная нагрузка в трубке может быть сравнима с токоМ ускоренных ионов. При этом необходимо иметь вви ду, что некоторая часть ускоренного потока электронов будет высаживаться на электродах, что может уменьшить электрическую прочность трубки и делает невозможным локализацию высокой проникающей способности. Известна ионная ускорительная трубка, содержащая закрепленные на электродах постоянные магниты с ПОЛЮСНЫми наконечниками, создающие поперечное к ионно-оптической оси магнитное поле чередующегося направления и рас пределенные внутри трубки вдоль оси с шагом в несколько сот киловольт. В указанной трубке магнитное поле постоянных магнитов достаточно для отклонения ускоренных электронов на электроды трубки и лишь незначительно отклоняет ионы. Поскольку направление магнитных потоков изменяется вдоль оси трубки, то ионы при своем движении в трубке совершают колебания в плоскости, перпендикулярной направлению ионно-оптической оси, с амплитудой в несколько миллиметров и длиной волны, равной расстоянию между магнитами, с одинаковым направлением магнитного поля Недостатки ускорительной трубки заключаются в том, что 1) отклонение ускоренных электронов на электроды трубки приводит к снижению ее электропрочности и существенно ограничивает величину ускоряемого тока ионов; 2) весьма большая максимальная энергия электронов, определяемая максимальной разностью потенциалов между ближайшими магнитами однонаправленного действия, увеличивает ее радиационную опасность; З) невысокая газовая проводимость трубки, определяемая ее длиной и размером отверстия в кольцевом магните, затрудняет откачку трубки; 4) ограничение на величину магнитного поля, обусловленное допустимым отклонением ионного пучка, делает невозможным локализацию рентгеновского излучения и установки местной радиационной защиты. Наиболее близкой к изобретению является ионная ускорительная трубка, содержащая эквипотенциальные перегородки, имеющие газовую проводимость, например жалюзийные, с отверстиями на ионно-оптической оси, в которых укреплены магниты с зазорами Для пропускания пучка. Недостатки этой трубки аналогичны указанным выше, кроме п.3, поскольку принципиальных ограничений на г аз о-., вую проводимость в нем нет. К недостатку следует также отнести наличие диафрагмы, являющейся источником вторичных электронов (вторичная ионноэлектронная эмиссия с краев диафрагмы), число которых возрастает с увеличением ускоряемого тока ионов. Таким, образом, диафрагма ограничивает величину ускоренного тока ионов, а радиационная опасность при эксплуатации трубки, вызванная бомбардиров310

кой ее электродов электронами (рентгеновское излучение), оказывается значительной.

Целью изобретения является увеличение интенсивности ускоренного потока и повышение радиационной безопасности трубки.

Поставленная цель достигается тем, что в ионной ускорительной трубке, содержащей эквипотенциальные перегородки с диафрагмами на йонно-оптической оси ускорительной трубки, на которых укреплены магниты с зазорами для ионопровода, каждый магнит выполнен многозазорным с чередующейся полярностью полюсных наконечников и заключен в электропроводящий экран с отверстиями для размещения ионопровода, в средней части которого установлена диафрагма.

Кроме того, ионопровод снабжен экраном из радиационно-защитного материала.

При этом напряженность магнитного поля в зазорах магнита значительно выше, чем в прототипе и может дости( гать десятых долей тесла,что в десятки раз больше, чем в прототипе.

На фиг,1 изображен многозазорный магнит; на фиГ.2 - смещение траектории иона на участке расположения магнита; на фиг.З и 4 - ускорительные трубки, варианты выполнения.

Трехзазорный, шестиполюсный магнит 1 состоит из двух симметричных Ш-образных элементов, каждый из которых имеет по три полюсных наконечника чередующейся полярности, причем полюсные наконечники, образующие зазор имеют разную полярность. Магнит 1 заключен в экран 2 из электропроводящего материала с окнами для входа .И выхода пучка 0. и Ojj, между которыми расположен ионопровод 3, в центральной части которого помещена диафрагма 4, Ионопровод 3 окружен дополнительным экраном 5 из радиационнозащитного материала. Резьбовое коль цо 6 служит для крепления магнита с сопутствующими элементами на эквипотенциальных перегородках 7, секционирующих ускорительную трубку (фиг.З и 4).

В трехзазорном магните (фиг.1) магнитные поля во всех зазорах однородны и одинаковы по абсолютной величине, а направление их чередуется. Крайние полюсные наконечники располо2

жены симметрично относительно центрального полюсного наконечника, который имеет вдвое большую протяженность

вдоль ионно-оптической оси трубки. Совокупное действие магнитных полей на ион пучка проявляется в смещении траектории иона на участке расположения магнита. Для протона с энергией

200 кэВ при прохождении зазоров магнита с полем 0,05 т и геометрией (фиг.2) (, ,5 см, ,8 см) величина смещения S составляет 0,6 мм. Электроны с такой же энергией отклоняются на ионопровод 3 (Ее 1,5 см), возникающее при этом рентгеновское излучение в основном поглощается экраном 5 из радиационно-защитного материала. По мере

ускорения ионов величина S уменьшает- ся, а максимальная энергия электронов остается неизменной, в приведенном примере 200 кэВ. Во избежание возможного выхода электронов из ионопровода

из-за совместного действия на них

электрического и магнитного полей желательно, чтобы 1 - (.1,5-2) а (фиг.1). Вследствие столкновений ионов пучка с атомами (молекулами)

остаточного газа, а также из-за действия различного рода аббераций, некоторая часть ионов выходит за границу сформированного пучка, образуя так называемую шубу. Ионы шубы

могут вызьшать вторичную электронную эмиссию с торца экрана 2 и ионопровода 3, что нежелательно, так как вызывает дополнитешьную электронную нагрузку в трубке. Для удаления указан-т

ных ионов из пучка в центральную ; часть ионопровода введена диафрагма 4, Эмиссия электронов с диафрагмы в ускорительную трубку невозможна, так как она находится в эквипотенциальной области и в магнитном поле центрального зазора, подавляющем эмиссию электронов, В отличие от прототипа в области ускорения ионов ионно-оптиЧеская ось трубки и ось пучка совпадают, что способствует улучшению г качества пучка к, соответственно, уменьшению потерь ионов. Поскольку максимальное смещение ионов в ионо- . проводе очень мало (смещение для тяжелых ионов будет еще меньше, чем для протонов),.то поправку на указанное смещение при установке диафрагмы в ионопроводе можно не учитывать. На фиг.З и 4 приведены вариалты уско5101

рительных трубок с трехзазорными магнитами, расположенными в эквипотен-;: циальной области. Стрелками показаны направления течения газовых потоков через эквипотенциальные перегородки, непрозрачные для ускоренных электронов.

Работает ускорительная трубка следующим образом. После откачки вакуум- ю

ной системы ускорителя прямого действия, частью которого является ускорительная трубка, включается ионный источник После достижения требуемого режима работы источника включаются элементы питания ионно-оптической системы ускорителя, с помощью которых осуществляется предварительное формирование пучка и подъем напряжения непосредственно на ускорительной трубке После того, как условия оптимального формирования и ускорения пучка достигнуты, с помощью магнитнот

го сепаратора пучок очищается от примесных ионов и направляется на облучаемый образец.

В данной ионной ускорительной трубке по сравнению с прототипом вдвое уменьшена энергия электронов, отклоняемых магнитным полем, рентгевзаимодействии их с ионопроводом, поглощается экраном из радиационнозащитного материала, охватывающим ионопровод. Радиационная опасность

трубки резко уменьшается, что имеет существенное значение при размещении ускорителей мегавольтного диапазона в производственных помещениях. По., сравнению с прототипом при увеличении

интенсивности ускоряемого ионного пучка в несколько раз радиационная опасность уменьшается на несколько порядков. новское излучение, возникающее при

1.ИОННАЯ УСКОРИТЕЛЬНАЯ ТРУБКА, содержащая эквипотенциальные перегородки с диафрагмами на ионнооптической оси ускорительной трубки, на которых укреплены магниты с зазорами для ионопровода, отличающаяся тем, что, с целью увеличения интенсивности ускоренного потока, каждый магнит выполнен многозазорным с чередующейся полярностью полюсных наконечников и заключен в электропроводящий экран с отверстиями для размещения ионопровода, в средней части которого установлена дополнительная диафрагма. 2.Трубка поп,1, отличающаяся тем, что, с целью повышения радиационной безопасности ее, х i ионопровод снабжен экраном из радиа- ционно-защитного материала. (Л САд to

Я;

Ri

Фиг. г

фиг Л