СПОСОБ ГЕНЕРАЦИИ ИОНОВ Советский патент 1995 года по МПК H01J27/02 

Изобретение относится к способам генерации ионов и может быть использовано при получении мощных направленных потоков многоразрядных ионов различных веществ.

Известны способы генерации ионов, основанные на осуществление разряда в разрядной камере и последующем извлечении и формировании пучка ионов с помощью электростатических систем ускорения.

Известные способы могут обеспечить получение пучков ионов различной кратности, однако из-за ограничений по пространственному заряду не эффективны при создании пучков с высокой плотностью тока.

Наиболее близким к изобретению является способ генерации ионов, включающий подачу рабочего вещества в виде пара или газа, эмиссию электронов и зажигание несамостоятельного разряда в скрещенных электрическом и магнитном полях с замкнутым дрейфом электронов в разрядном промежутке, образованном ионным анодом и катодами.

Недостатком известного способа является возможность получения лишь однократно заряженных ионов.

Это связано со спецификой разряда у скрещенных ЕхН полях с анодным слоем.

Известно, что газовая экономичность в таких разрядах
η_m= где n, v концентрация ионов (индекс "i") и атомов ("н") соответственно
Отсюда ·
Требуемая газовая экономичность составляет обычно η_m 0,95. Скорость ионов v_i при используемых обычно на разряде напряжениях 150-200 В составляет 1,2 ˙10⁶ 1,35 ˙10⁶ см/с, а скорость нейтралов v_н≃ 2·10⁴ см/с.

Поэтому · > 3
Таким образом, в этом случае электроны в разряде испытывают столкновение главным образом с нейтралами, и вероятность повторной ионизации ионов очень низка. Действительно, полученные спектрограммы такого разряда не содержат указаний на присутствие в нем многозарядных ионов. Для получения двухзарядных ионов необходимо, чтобы было ≈ 1.

Оценка по формуле (1) показывает, что для этого необходимо, чтобы скорость ионов составляла ≈ 3,8 ˙10⁵ см/с, т.е. пройденная ими разность потенциалов до повторной ионизации должна быть менее 20 В. Энергия ионов в таком разряде W_i 0,5 е V поэтому напряжение на разрядной камере V_p должно быть меньше 40 В. Однако для подавляющего большинства рабочих веществ при таких напряжениях проблематично не только получение двухзарядных ионов по известному способу, но и само осуществление разряда.

Целью изобретения является получение двухзарядных ионов.

Эта цель достигается тем, что согласно способу генерации ионов, включающему подачу рабочего вещества в виде пара или газа, эмиссию электронов и зажигание несамостоятельного разряда в скрещенных электрическом и магнитном полях с замкнутым дрейфом электронов в разрядном промежутке, образованном полым анодом и катодами, плотность расхода рабочего вещества и напряженность магнитного поля выбирают из условия поддержания напряжения разряда не менее пяти потенциалов двукратной ионизации атомов рабочего вещества.

Кроме того, для повышения энергии ионов за катодами разрядного промежутка могут зажигать дополнительный разряд с ускоряющим слоем.

Для получения двухзарядных ионов необходимо так организовать разряд, чтобы при напряжении на ней V_р ≥40 мВ ионизация вещества происходила в основном с протяженной прианодной области, падение напряжения на которой составляло бы 20 В.

Теоретические и экспериментальные исследования показали, что такую структуру разряда можно организовать определенным подбором внешних параметров (магнитного поля, напряжения, расхода рабочего вещества при использовании полого анода). При этом величина напряженности магнитного поля должна быть не выше 300 Э.

Разряд при этом становится несамостоятельным, и для его поддержания необходимо использовать источник электронов.

Сущность изобретения поясняется чертежом, где изображено устройство, реализующее настоящий способ.

Устройство (ускоритель с анодным слоем) содержит полый анод 1, через который подается рабочее вещество в разрядную камеру, образованную полым анодом и катодами 2, магнитную систему 3, катоды 4 и источник 5 электронов одного из известных типов. Анод 1 и катоды 2 подсоединены к источнику питания разряда (на чертеже не показан). Катоды 2 подсоединены также к положительному полюсу другого источника (питания ускоряющего анодного слоя), отрицательный полюс которого соединен с катодами 4 и источником электронов 5.

Способ реализуется следующим образом. При подаче напряжения между анодом и катодами разрядной камеры и магнитного поля в межполюсном зазоре загорается разряд в потоке рабочего вещества со стороны анода. При соответствующем выборе величины магнитного поля и плотности расхода рабочего вещества реализуется несамостоятельная мода разряда длин при напряжении разряда, в пять и более раз превышающего потенциал двукратной ионизации. Конкретные величины магнитного поля Н и плотности расхода вещества J_н могут зависеть от рода рабочего газа. Однако, как показали эксперименты, для большинства рабочих веществ
H≲ 300 Э j_н≳ 10¹⁸ 1/см²·c.

В этом случае (за счет увеличения ларморовского радиуса электронов) разряд распространяется вглубь анодной полости, т.е. ионизация вещества становится возможной уже не только в анодном слое, но и внутри анода. Распространение разряда вглубь анодной полости является причиной образования двухзарядных ионов. Увеличение расхода рабочего вещества (при соответствующих разрядном напряжении и напряженности магнитного поля) приводит к увеличению частоты столкновения электронов с нейтральными атомами и, в конечном счете, к увеличению концентрации двухзарядных ионов. Образованные ионы ускоряются в остальной области разряда и в виде слабо расходящегося потока выходят из ускорителя. В случае, когда катоды 2 и 4 находятся под одним потенциалом, устройство работает как одноступенчатый ускоритель, и энергия ионов W_i≲ Z_eV_p (Z- кратность заряда иона). При подаче напряжения V_у между катодами 2 и 4 происходит дополнительное ускорение ионов в анодном слое, и их энергия становится равной примерно Z_e(V_p · V_y).

Способ проверялся путем использования устройства на двух различных рабочих веществах висмуте и цезии. В ускорителе использовался полый анод, из которого производилась подача рабочего вещества в разрядную камеру. В случае работы ускорителя в одноступенчатом варианте использовался плазменный источник электронов на основе полого катода, который для облегчения зажигания разряда и устойчивого его горения располагался в магнитном поле на расстоянии 20-100 мм от среза ускорителя. Испытания показали, что при осуществлении самостоятельного разряда (Н > 300 Э, j_m≃ 10¹⁸) ускоритель формирует ионный пучок, в котором практически отсутствуют многозарядные ионы. Существующая ускорительная аппаратура позволяет надежно идентифицировать только однозарядные и двухзарядные ионы. При снижении магнитного поля Н < 300 Э разряд становится несамостоятельным, но этих условий для генерации многозарядных условий ионов оказывается недостаточно, и требуется достаточно большая величина напряжения разряда. Так, заметное количество двухразрядных ионов цезия наблюдалось только при значении V_р> 120 В. Это значение примерно соответствует пяти потенциалам, необходимым для отрыва второго электрона от атома цезия. При плотности потока j_н= 10¹⁸, H≃ 130 Э и V_р 500 В доля двухразрядных ионов достигает 80-90% от потока нейтральных атомов.

В случае использования висмута при j_н= 6·10¹⁸, Н ≈ 150 Э V_p 500 B количество двухразрядных ионов достигало 60% С увеличением V_р до 1300 В количество двухразрядных ионов увеличивается до 90% Таким образом, экспериментально подтверждено, что, используя предлагаемый способ, за счет выбора указанных режимных параметров с помощью УАС можно получать потоки почти полностью состоящие из двухразрядных ионов.

По сравнению с известными способами генерации многозарядных ионов данный способ обладает значительно большей энергетической эффективностью. В упомянутых экспериментах ток разряда всего в два раза превышает ток ионного пучка, который на 90% состоял из двухзарядных ионов. Вложенная в разряд мощность расходуется на ионообразование и ускорение ионов. КПД ускорения двухзарядных ионов оказывается близким к 0,9, т.е. суммарные затраты на ионообразование составляют около 10-15% мощности, вложенной в разряд.

Таким образом, изобретение позволяет реализовать эффективный и энергоэкономичный способ получения интенсивных пучков двухзарядных ионов, которые могут найти применение в физических исследованиях и ионно-лучевой технологии.

1. СПОСОБ ГЕНЕРАЦИИ ИОНОВ, включающий подачу рабочего вещества в виде пара или газа, эмиссию электронов и зажигание несамостоятельного разряда в скрещенных электрическом и магнитном полях с замкнутым дрейфом электронов в разрядном промежутке, образованном полым анодом и катодами, отличающийся тем, что, с целью получения двухзарядных ионов, плотность расхода рабочего вещества и напряженность магнитного поля выбирают из условия поддержания напряжения разряда не менее пяти потенциалов двухкратной ионизации атомов рабочего вещества. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что, с целью повышения энергии ионов, за катодами разрядного промежутка зажигают дополнительный разряд с ускоряющим анодным слоем.