Способ получения отрицательных ионов и устройство для его осуществления Советский патент 1992 года по МПК H01J27/02 

Изобретение относится к технике получения зарялсенных частиц и может быть использовано при конструировании источников отрицательных ионов,а также в экспериментальной физике и / химии.

Известны способы получения отрицательных ионов водорода и его изотопов, включающие воздействие на газ электронами в контрагированном разря де и извлечение из него отрицательных ионов.

Известные способы реализуются в . газоразрядных источниках отрицатель-,

О

VJ

ных ионов различного типа, например

О в дугоплазмотронах, содержащих разрядную камеру, образованную катодом, анодом и промежуточным электродом, а

VI также магнитную и ионно-оптическую

системы.

Известные способы и устройства гфедназначены для получения одйократно заряженных отрицательных ионов.

Ближайшим техническим решением является способ получения отрицательных ионов, включающий воздействие на ионизуемый газ электронами.

В лзпестиом способе удается получить диуь:рат1 О зарллдаиные отрицательИ1.;е rio;;bi MHODIX элементов:- О, F, С1, Вг, J, Те, BL. Слособ заключается в

;оиизац11и в гaзoвo ; разряде Пенниига с холодным катодом,

Пзвес Iiibiii способ реализуется в исTOMiiiiKC отг1;1,я1ел ;1и:1х ионов, содержаи ем иоиизациоикуп камеру, систему из;.,|гечепия ку-п.са попои с эмиссио И ым IleKTpo.iati и скгстему электропитания. Образог5ап е дпукратпо заряженных огрицато.мьяых ионов в укагзанном cvioси.бе и ycTpofiCrue происходит в ллазf-se газо;юго разряда я маглитно - ноле п результате присоединения двух свобод.ных злектгонов атома -п элементов 1сходного ве ;сства (О, F, С1 , Вг, J, Те, 151) .

од сделие спобод ых электронов к ta iicxojfHoro вещества осу1дествля:. за счет Uin ;e:ni r электронов, обуюгихся л газовом разряхге при газа.

Одна1:о т;1кол снособ и устроГк.тво лля его осуи;.ествления малоэффективui-i, особенно при получении ионов 1 зотопов Бод,(зрода, поскольку в плазме газового разряда тктряду с нрол,ессоь образовагн1я двукратно заря.кенных- отрицатель;;1лх ионов проггсходят и Д)угие Г1обочнь;е элементарные г;родессы (ионизал,ия 3 возбуждение с лоследующим излучением Лотона и др.), которые препятствуют образованию отридательпых ионов или способствуют ра.зруше1 ию уже образоБаннь х., На указанные сопутствуюгцие эле 1с итарные продессы затрачивается большое количество энергии и исходного вещества. При таком способе и устройстве нельзя н.епосредственио управлять лpoцecco образоваиия двукратно заря;ке И ЫХ отридательных ионов, HeoбxoдI- ым условием для получения д,вукрагио заряженных отрицательных в указанном способе и устройстве является ионизадия рабочего газа в ь агнитн.ом поле.

Целью изобрете1л-1я является повьпиеиие выхода двукрат 1О заряженных ионов

Эта дель достигается тем, что в известном способе получения отридательных ионов, преимущественно изотопов водорода и их соединений, вклю-. чаюсдем воздействие на ионизуемый газ электронами, осуг ествляют поляризацию ионизуемого газа электрическим полем в области воздействия на него электронами. Способ реализуют с помощью устройства для полученияотрицательных ионов, содержащего ионизационную камеру, систеьгу получения электронов cиcтe iy извлечелия пучка ионов с э иcсиоиным электродом и систему электропитапия, в ионизап,ио1И1ой камере устаиовлеи дополнительный электрод cooctio эмиссионному электроду, а в систему электропитания введен дополнительный источник электроииталия , полойлтельный долюс которого соединен с эмиссионным элегггродом, а отрицательный полюс - с допол 1ительньа-1 электродом.

Па Лиг. 1 изобрал ено устройство с формированием электронного пучка под углом к направлению извлечения ионов на оиг. 2 - вариант выполнения устройства, электроны получаются непосред ственно в той обла.сти газового разряда, где осуществляется иоляризаГИя aiiOMOB, на фиг. 3 - вариант выпсхчнения устюйства с соосными вводом электронов и в,водом ионов J на фиг. 4 кривая разб;юс;а отрИ1 ательнь х ионов водорода Ю энергии,

Tipел.лагаемое устройство содержит ноллр1затор, образойанньм зазоро э:1ектричес;ки изс:п рован; ыми д,руг от э ;iIccиoнии 1 и доподнительньи- 2 э:Ieктpoдa ;и, В электроде 1 поляризатора имеется отверстие 3. для отбора отргш.ательггых ионов. Одновремсн ю электрод, 1 выполняет роль ст-енки, разделяю1цей камеру i с 1- сход ;ijM веществом от камеры, в которой i:o:-ieui;eH экстрагиру-опдй электрод 5,. Электрод 2 лолярз-гзатора по -:еп;ен в камере с исходным веществом так, что V его поверхность расположена напротив отверстия 3 и перекрывает его просвет. Б камере 4 помещен источник : электронов, состоящий из катода б, анода 7 и промелуточного электрода 8. Отверстия ддя выхода электронов в аноде 7 и промел-уточном электроде 8 соосны, а их ось с осью отверстия 3 образует угол 90°. Для извлечения отридательных ионов через отверстие 3 источник содери1т экстрагируюи;ий электрод 5 с отверстием 9 для формирования пучка отридательных ионов. Отверстия 3 и 9 раслоложены соосно. В камере 4 предусмотрен патрубок 10 для введетиш исход}юго вещества, откачки газа и измерения.давления газа в камере.

обычно ислользуемых источников электропитания 11 и 12 введен до1полпительный источник 13, положитель Hbtft полюс которого соединен с эмиссионным 1, а отрицательный - с допол нительным 2 электродами. Устройство в качестве источника отрицательных ионов работает следующим образом. Через патрубок 10 в камеру 4 напускают исходное вещество в газообразной фазе, прикладывают электрический потенциал между электродами 1 и 2, причем на электрод 1. подают (+), а на электрод 2 (-), включают источник электронов зажиганием газового разряда межцу предвари тельно накаленным катодом 6 и анодом 7.За счет ускорения электронов в двойном электрическом слое, возникаю щем у отверстия электрода-диафрагмы 8,а так же у отверстия анода 7, электроны пролетают в поляризатор частиц исходного веще,ства, т.е. в пространство между электродами 1 и 2 где они присоединяются к электрическим поляризационньм атомам и молекулам исходного вещества. Образованные отрицательные ионы в поляризаторе пе ремещаются по направлению к отверстию 3, через которое они вытягиваются электрическим полем, заключенным между электродом 1 и экстрагйрую1чим электродом 5, и через отверстие 9 от рицательные ионы выходят в виде пучка для их использования. Для проверки способа получения от рицательных ионов с кратностью электрического заряда больше единицы,были опробованы и другие варианты источииков отрицательных ионов, отличающихся друг от друга способом подведения свободных электронов к поляризованным частицам исходного вещества. Например, на фиг. 2 изображен вариант источника отрицательных : ионов, где свободные электроны получают с помощью газового разряда, заясигаемого меяяу катодом 6 и анодом 7 (остальные элементы выполнены также, как и на фиг. 1). На фиг. 3 представ лен вариант источника отрицательных ионов, отличающийся от предыдущих ва;риантов направлением вводимых в поля ризатор электронов. Если в первых .двух вариантах направление движения электронов пересекает ось отверстий Э и 9, то в варианте фиг. 3 это направление совпадает или параллельно указанной оси. При этом пучок электронов инжектируется в поляризатор частиц через отверстие в электроде 2, 7 В устройстве по фиг. 1 в связи с отклонением вводимых электронов между электродами поляризатора в сторону электрода 1 целесообразно вводить их с направлением под углом к оси отверстия 3. Причем, если выбрать направление оси от электрода 1 к электроду 2, величина угла между этими направлениями должна находиться в пределах от 0° до 90. В качестве источника электронов можно использовать электронные пушки с регулировкой величины энергии инжектируемых электронов . Источник электропитания 11 представляет собой источник постоянного тока с регулируемьп-i напряжением от О до 1000 В и предназначен для заяягания и поддержания разряда в источниках электронов (фиг. 1 и фиг. 3), а в варианте (фиг. 2) - в области поляризатора мехсду катодом 6 и анодом 7. Мбщнрсть источника 11 составляет 1 кВт. Источник электропитания 13 представляет собой источник постоянного тока с регулируе№1м напряжением от О до 500 В и предназна:чен ддя поддержания электрического поЛя в поляризаторе частиц между электродами 1 и 2. Мощность источника 13 составляет 0,5 кВт. Источник 12 представляет собой источник йостоянного тока с регулируемым напряжением от О до 30 кВ и предназначен для вытягивания отрицательных ионов через отверстие 3 и их ускорения в промежутке -между элек.тродами 1 и 5 во всех 3-х вариантах. Общим существенным признаком всех указанных вариантов источников отрицательных ионов.является наличие электрического поляризатора частиц, которьш состоит из двух электроизолированных друг от друга электродов, в одном из которых (эмиссионньй) имеется отверстие для выхода отрицательных ионов и который подсоединен к выводу источника электропитания, имеющему положительную полярность. Электрический поляризатор частиц как элемент устройства содержит пространство, образованное зазором между электродами 1 и 2, причем объем и форма указанного пространства, определяемого формой электродов 1 и 2, а так же расстоянием между ними, обусловлены электрической прочностью исходного вещества и его состоянием. Во всех вариантах выполнения устройства электрод 1 поляризатора едуь арной фокусировкой. По оси абсцисс отложена эиергш Е (в эВ), .одно деление на оси соответствует 23 эВ, а по оси ординат отлолсена оптическая плотность почернения, пропорциональная плотности отрицательных иопов Н. . Указанный масс-энергетический спектр 11- бьш получен при следуюпугх параметрах работы источника отрицательных ионов: сила тока разряда между катодом б и анодом 7 0,3 А, напряжение на разряде - 87 В, сила тока в цепи поляризатора - 25 тЛ, папряжение., приложенное медду электродами 1 и 2 поляризатора частиц, - 88 Б, напряженность Е электрического ноля в ра6o4ei i части поляризатора - 293 В/см, плотность разрядного тока между катодом 6 и анодом 7 - 2,-1 Л/см , давле П1е водорода в камере - 6,71-0 2 мм рт.ст, Паг1ря;кение, приложенное к уско1)Л 1:ацему промежутку между электродами 1 и 5, составляет 12 кВ,

Па фoтo eтpичecкoй крЛвой массэнергстического спектра отрицательных ионов I (фиг. 4) н,ифрами 14, ; 15, 16 и 17 обозначеьъ пики в энерге- тическо разбросе отрицательных ионов, соответствуюглие группам отрииате :ьных ионов II , образованных в ,

Пик 14 на крино11 соответствует группе отрицательных иоьов с мзип мально энергией, которая образуется у поверхности электрод.а 1 вблизи -отверстия 3 (фиг. 1, фиг. 2, фиг. 3), 15 соответствует группе отрицательных ионов И, которая образуется у поверхности электрода 2 (фиг, 1, фиг. 2, фиг. 3), энергетический разброс отрицательных ионов Н включающий пики 14 и 15, -соответствует напряжению, приложенному между электродами поляризатора 1 и 2 (фиг, 1, фиг, 2, фиг, 3) и составляет 88 В, Таким образом, однократно зарялшнные

отрицательные ионы Н

соответствую1

50 щие пикам 14 и 15 приобретают энергию в поляризаторе, не превышающую по величине пршюжепное напряжение к электродам поляризатора.

Группы отрицательных ионов, соотJ5 ветствующие пикам 16 и 17, имеют

энергшо, превышающую напряжение, приложенное к электродам поляризатора. Например, энергия группы отрйцатачь. ных ионов I , соответствующая пику

17, превьппает приложенное напряжение к электродам поляризатора в 2 раза, а энергия группы отрицательных ионов н7, соответствующая пику 16, занимает промежуточное значение между энергиями, соответствующими полному напряжению, прикладьшаемому к электродам поляризатора и увеличенному в 2 раза. При изменении напряжения, прршоженного к электродам поляризатора, указанные соотношения меявду энергиями перечисленных групп отрицательных ионов Н7 соответственно сохраняются .

На основании вьшёизложенного очевидно, что группа отрицательных ионов 117, соответствующая пику 17, образуется в результате распада атомарного двукратнозаряжеиного отрицательного иона Н на электрон и однократно заряженный отрицательньп ион Н, Причем ион Н образуется у поверхности стенки электрода 2 поляризатора путем присоединения вторичных электронов, полученных в результате бомбардировки положительными ионами электрода 2, к нейтральным атомам водорода imn к однократно заряженным отрицательным ионам водорода. Поток положительных ионов по направлению к электроду 2 образуется в результате несамостоятельного разряда между электродами 1 и 2 при больших значениях напряженности электрического поля в поляризаторе. Группа отрицательных ионов Н, соответств ощая пику 16, образуется в объеме между электродами поляризатора 1 и 2, а значение ее энергии определяется расстоянием до границы, к которой могут долетать свободные электроны по направлению к отрицательно заряженному электроду 2.

Кривая на фиг. 4 позволяет сделать сравнение интенсивностей процессов образования отрицательных ионов в объеме поляризатора на различных .расстояниях от электродов вдоль силовых линий электрического поля. Например, пику 14 соответствует группа отрицательных ионов Н, процесс образования которой наиболее интенсивно происходит у поверхности электрода 1 (фиг.1, фиг. 2, Лиг. 3), а пику 15 соотв.етствует группа отрицательных ионов Н j, процесс образования которой наиболее интенсивно происходит у поверхности электрода 2 (фиг. 1, фиг. 2, фиг. 3). Процесс образования двухзарядных отрицательных ионов , характеризуемьй накривой пиками 16 и 17, наиболее интенсивно происходит в объеме поляризатора (пик 16) и менее интенсивно - у поверхности электрода 2 (фиг. 1, фиг. 2, фиг. 3) - пик 17. Дпя сравнения интенсивностей различных процессов образования отрицательных ионов .в энергетическом спектре

o отрицательных ионов наиболее подходя1ЦИМ является группа отрицательных ионов Н,.соответствующая на кривой пику 14, поскольку эта группа образуется у поверхности электрода с эмис5сионным .отверстием и меньше всех подвергается изменениям, вызываемым изменениями состояния ппазмы газового разряда. Сравнение 14 с величиной пиков 16 и 17 показывает, что уже

0 при Е 293 В/см в плазме, помещенной в поляризатор, количество двухзарядных отр1щательных ионов Н составляет более половины количества одноза, рядных отрицательных ионов Hj, характеризуемых пиком 14. При Е 500 Б/см количество Ионов Н

, превышает к оличество ионов Н . соответствующих пи- ку 14.

В известных устройствах таких, как

в источнике дугоплазмотронного типа и пеннинговского типа, спектр отрицательных ионов содержит однократно и двукратно заряженные отрицательные ионыу однако двукратно заряженных от5 рицательных ионов в них образуется значительно меньше, чем однократно заряженных отрицательных ионов, что указьшает на очень малую эффективность их образования, обусловленную

0 отсутствием достаточной электрической поляризации частиц исходного вещества.

Поскольку время жизни двукратно

заряженных отрицательных ионов водо5 рода не превьшзаетЗ-Ю с, а время пролёта ионов водорода в масс-спектрографе составляет от 0, до нескольких микросекунд, то зафиксировать двухзарядные отрицательные ионы водорода на фотопластине масс-спект0рографа не представляется возможным в связи с его ограниченными возможностями. Однако для ряда технических задач требуется получение двукратно заряженных отрицательных ионов в не5больиом объеме газа с последующим ус-. корением их па небольшом участке ус- коряющего промежутка, что практически легко реализуется.

В связи с тем, что образующиеся отрицательные ионы в поляризаторе ускоряются в электрическом поле поляризатора в направлении к отверстию отбора, то для ряда технических задач энергияотрицательньк ионов, приобретенная в поляризаторе, достаточна для их практического применения и пoэтo fy вытягивающего электрода в этом случае не требуется, )

В результате экспериментального опробования способа и устройства было обнаружено, что количество двукратно заряженных отрицательных ионов водорода Н , а также кислорода О и увеличивается с ростом напряженности электрического поля в поляризаторе, начиная с 200 Б/см, при которой они появляются в заметных количествах. Не исключено, что некоторые электрически поляризованные частицы могут присоединять более двух электронов, т.е. образовывать отрицательные ионы с кратностью заряда более двух.

Явление зависимости образования отрицательных ионов различных веществ с кратностью заряда больше единицы от электрической поляризации атомов, молекул и ионов исходного вещества, от лгх дипольньк моментов может найти применение так же в химии для управления различными реакциями, в которых участвуют отрицательные ионы с кратHocTbfo заряда больше единицы.

Использование данных способа и устройства для получения отрицательных ионов обеспечивает по сравнению с существующими способами и устройствами следующие преимущества:

возможность получения отрицательных ионов различного рода веществ с кратностью заряда больше единицы с минимальным количеством примесей продуктов сопутствующих элементарных процессов;

возможность управления процессом образования отрицательных ионов путем изменения дипольного момента частиц исходного вещества, например изменением напряженности электрического поля поляризации;

возможность использования диссоциации молекулярных отрицательных ионов с кратностью заряда больше единицы на два ипи более однократно заряжениых отрицательных ионов для увеличения эффективности получения однократно заряженных отрицательных ионов;

возможность управления химической реакцией, протекающей с образованием или участием отрицательных ионов, путем изменения дипольного момента частиц при электрической поляризации

возможность получения отрицательных ионов с кратностью заряда более единицы без использования магнитного поля;

возможность получения отрицательных ионов в отсутствии процесса ионизации частиц исходного вещества.

1. Способ получения отрицательных ионов, преимущественно изотоrioB водорода и их соединений, включаю1зц1й воздействие на ионизуемый газ отличающийся электронами, тем, что, с целью повышения выхода двукратно заряженных ионов, осуществляют поляризацию ионизуемого газа электрическим полем в области воздействия на него электронами. 2. Устройство для получения отри- цательных ионов, содержащее ионизационную камеру, систему получения электронов , систему извлечения пучка ионов и эмиссионным электродом и систему электропитания, отличающееся тем, что, с целью повьппения выхода двукратно заряженных ионов, в ионизационной камере установлен дополнительный электрод соосно эмисси-i: онному электроду, а в систему электропитания введен дополнительный источник электропитания, положительный полюс которого соединен с эмиссионным электродом, а отрицательньй полюс с дополнительгам электродом. г

ФигЛ

t6

,В