Способ получения отрицательных ионов Советский патент 1992 года по МПК H01J27/00 

{ ьо

Изобретение относится к области технической физики и техники применения источников отрицательных ионов. Цель - уйёличение эффективности получения и уменьшение угла расходимости отрицательных ионов. Способ состоит в получении пучка положительных ионов и электронов у который преобразуют в пучок отрицательных ионов в одном и том же электрическом поле, тормозящем положительные ионы и ускоряющем электроны и рождающиеся отрицательные ионы. Способ основан на свойстве положительного иона к захвату двух электронов в электрическом поле, тормозящем положительный ион и ускоряющий электрон. Положительный эффект: уменьшение угла расходимости и количества разрушающихся отрицательных ионов из-за однонаправленности векторов скоростей всех частиц; увеличение эффективности образования отрицательных ионов, обусловленное свойством положительных ионов захватывать электроны в тормозящем эти ионы электрическом поле, а также высокой скоростью отбора образующихся отрицательных ионов за .счет высоко- напряженности электрического поля в зоне их образования. 5 ил. (Л

а

1

Изобретеине относится к техничес- Kiji i ( It может быть использовано i исслецонаниях по изучению элементарных процессов, D масс-спектроско- НИИ, и также при конструирааании Hoiinbix источников.

Целью изобретения является увеличение эффективности.получения и умгиьшеиие угла расходимости отрица- TenbHhix ионов при преобразовании положительных ионов в отрицательные.

Способ состоит в получении пучка погзутпых положительных ионов и элект- роиов5.который преобразуют в пучок отрицательных ионов в одном и том же электрическом поле, тормозящем положительные иопы и ускоряющем электроны и розадающиеся отрицательные ионы. Способ основал на свойстве положи- тельного иона захватывать два элект- potsa в электрическом поле, тормозящем гюложительный ион и ускоряющем элект- POIT. Причем, вследствие электронной поляризуемости в сильном электричес- ком поле частицы обладают дипольным

-- -..л

t-ioi-ieFSTOM ,E, где oi - поляризуемость ч.астицы; Е напряженность электри- геского. поля,

На фиг, 1 представлена схема уст- рокства для .осуществления предложен- способа, на фиг. 2-А фотомет- ; 1П еские кривые энергетического распределения ионов на фиг. 5 - характерное распределение потенциала в плазме мехчду злектрода1 ш системы ус-. корения положительных ионов.

Способ опробован следующим образом В камере i (см. фиг. 1), выполненной из кварцевого стекла, создают газоразрядну о плазму с помощью источника тока 2, катода 3 и анода 4. Меж- .ду электродами 5 и 6, введенными в разрядную камеру, прикладывается на- прязкение от источника электрического тока 7I причем на электрод 5 подаетс полола-1тельнь Й потенциал, а на электрод 6 - отрицательный. В результате внутренняя поверхность эмиссионного отверстия 8 электрода 6 бомбардируется положительными ионами, образующимися, между электродами 5 и 6. Часть этих ионов пролетает в эмиссионное от .версгие 8, не взаимодействуя с поверхностью электрода 6, и попадает в тормозящее их электрическое поле, которое создают между электродами 6 и 9 с помощью источника электрического тока 10 На электрод 9 подают положи

е

0

тельный потенциал, в результате чего отрицательные ионы и вторичные электроны ускоряются в промежутке между электродами 6 и 9, попадают в магнитный анализатор I и регистрируются на фотопластине 12.

На фотометрических кривых (см. фиг. 2-4) по оси абсцисс вправо от нуля отложено значение энергии отрицательных ионов, образовавшихся между электродами 5 и 6, а влево от ну- лп - значение энергии отрицательных ионов 5 образовавшихся между электродами б и 9 при торможении положительных ионов, которая совпадает по величине с энергией торможения последних.

По оси ординат отложена оптическая плотность почернения масС-энерге- тического спектра (одно деление соответствует 0,16 единиц оптической плотности), Графическое изображение масс-энергетического спектра получено фотометрированием фотоплАстины с указанным спектром с помощью микрофо-. тометра ИФО-451.

Кривые получены при следующем режиме работы схемы. Ток разряда между катодом 3 и анодом 4.,3 А, на- пряжение разряда В, плотность тока разряда в области электродов 5 и 6 ,14 А/см , напряжение источника тока 10. кВ. Перечисленные параметры одинаковы для всех трех кривых, однако кривые получены при напряжениях меиоду электродами 5 и 6 Uf соответственно 50, 100 и 150 В.

Как видно из кривых на фиг. 2-4, группы ионов Н, соответствующие пикам 13, 14 и 15, в основном получены в результате преобразования положительных ионов в отрицательные у поверхностей электрода 6 и отверстия 8, Механизмы образования Н -групп, соот- ветствутощих пикам 13, 14 и 15, известны и в основном обусловлены десорбцией, диссоциацией, упругим отраже- нием частиц с захватом электронов на уровне электронного средства, отразившихся и десорбированных частиц, и другими процессами при бомбардировке поверхности мишени положительными ионами и нейтралами . Группа Н, соответствующая пику 13, не изменяет своего положения в спектре в зависи- .. мости от изменения напряжения U, что указывает ira то, что эТа группа , образуется у поверхности электрода 6,

3i;,

по-видимому, в результате десорбции или отражения нейтралов в виде Н . В отличие от групп Н , соответствующих пикам 14 и 15; энергия которых увеличивается с увеличением напряжения энергия группы Н , соответствующей пику 16, уменьшается с увеличением напряжения U между электродами 5 и 6, что указывает на торможение группы положительных ионов в электрическом поле между электродами 6 и 9 и образование отрицательных ионов.

Таким образом, в ускоряющем для электронов и отрицательных ионов и одновременно тормозящем для -положительных ионов электрическом поле в промежутке между электродами 6 и 9 существуют условия для конверсии пог пожительных ионов в отрицательные ионы при условии наличия там электронов. Как.видно из кривых фиг. 2-4, процесс образования ионов Н -группы, соответствующей пику 16, идет в том случае, когда протон не полностью заторможен и его энергия составляет несколько десятков электрон-вольт.. Энергии групп отрицательных ионов Н, соответствующих пикам 14, 15 и .16, превьШ1ают значение eU-, Это вызвано потенциалами п/1азмы, заключенной между электродами 5 и 6.Распределение потенциала (см. фиг. 5) позво- л яет объяснить указанное увеличение энергии в данных экспериментальных условиях. Из кривой распределения потенциалов видно, что энергия положительных ионов, поступающих к поверхности электрода 6, складывается из энергии е , получаемой ионами в результате наличия электрического поля, создаваемого плазмой, и энергии eU, соответствующей напряжению, приложенному между .электродами 5 и 6 Как видно из фотометрических кривых на фиг. 2-4, пик 16 по интенсивности превьппает пик 15, что указьшает на сравнительно высокую эффективность образования отрицательных ионов из положительных ионов при их торможении в электрическом поле . Пику 16 соответствует группа Н с не полностью ут.раченной энергией протонов, по величине равной (eU, ) 5 а пику 3.. соответствует группа-Н с приобретенной энергией, равной ((,д ) , что указьшает на то, что группы Н, соответствующие пикам 15 и 16, произощ

4 ,

ли из протонов, поступающих из плазмы к поверхности электрода 6 и к эмиссионному отверстию 8, причем часть этих протонов у поверхности отверстия 8 преобразовалась в отрицательные ионы Н и образовала группу 15, а другая часть пролетела в отверстие 18, при торможении в электрическом поле между электродами 6 и 9 в при- ; сутствии электронов преобразовалась в отрицательные ионы Н и дала в ; спектре группу, соответствующую пику 16. При этом в масс-энергетичес- ком спектре наблюдается группа электронов, происхождение которой объясняется вторичной электронной эмиссией с внутренней поверхности эмиссионного отверстия 8 в результате бомбардировки ее положительньгми ионами.

Таким образом, при торможении по- ложительного иона резко возрастает эффективность присоединения двух электронов, как это видно из графиков

на фиг. 2-4. При этом образующиеся отрицательные ионы в условиях сильного электрического поля с напряженностью кВ/см электрически поляризуются в одном направлении,.что

способствует уменьшению угловой расходимости пучка ионов с момента их образования.

В случае, когда между электрода- . ми 5 и 6 прикладывалось напряжение

11 5:200 В, в масс-энергетическом спектре Н пик 16 пропадает, в то время как остальные пики 13, 14 и 15 присутствуют..4

Это обстоятельство,указьшает на

то,.что процесс образования группы Н, соответствующей пику 16, происходит, до определенной относительной скорости между ускоряющимся электроном и тормозящимся- положительным

ионом, которая характеризует время взаимодействия упомянутых частиц. При U-J5:200 В время взаимодействия недостаточно для преобразования Н в Н. Поскольку плотность оптического ;

почернения D можно считать пропорциональной ионНому току Н, то с появлением пика 16 общее количество Н в спектре существенно возрастает, что-о указьшает на увеличение эффективности

получения отрицательных ионов при отборе их через электрод с отрицательным потенциалом.

Операция получения положительных ионов включает ионизацию исходного

514

вещества, и ее можно проводить как путем применения газоразрядной плазмы, так и другими приемами.

Операция получения электронов может включать ;дабые способы эмиссии электронов, в том числе и вторичную эмиссию при бомбардировке поверхности веществ ионами.

Операция отбора отрицательных ионов происходит самопроизвольно, поскольку в момент образования отрицательных ионов они находятся в сильном электрическом поле, которое спо собствует быстрому отбору от зоны их генерации .и ускорению в направлении их использования.

Одинаковое направление движения частиц обусловливает увеличение эффективности как при отборе отрица- .тельных ионов из зоны их образования, так и в пучке за счет уменьшения уг

Q

5

0

74,6

ла расходимости ионов, поскольку поступление ионов к месту их использования увеличивается с уменьшением угла расходимости ионов.

Формула изобретения

Способ получения отрицательных ионов, включающий получение положительных ионов и электронов и их ускорение, преобразование положительных ионов в отрицательные и отбор отрицательных ионов, отличающий- с я тем, что, с целью уменьшения угла расходимости отрицательных ионов и увеличения эффективности получения

отрицательных ионов, преобразовавие положительных ионов в отрицательные производят путем торможения положи.тельньт ионов в электрической поле в присутствии электронов.

Фиг.1

Z -I J3

Itf

16

,m

Фиг-2

/6

Г5

J5H

/3

f«

-roo

700

. J

;cV,

401/8.5