Способ генерации многозарядных ионов Советский патент 1991 года по МПК H01J27/00 

Чзобтзет ение о гнос -тся к фичике и технике ьоннь -с м очпиков, а конкретнее к: способа и ус гене- раики: оз1Рядчьк но юв для уско- ригелеч заря еч п х частиц и атомных исследовании,

Известен способ, реализованный в элекпот о-лиевом источнике мнс- го аряднь ИОЬОР, в чотором многократная ИО 1 PTV о ПРОИЗВОДИТСЯ

высокоэнер с -чччь v электронным пучV0, р СПООС rp-il H 04 ЧМСЯ ВДОЛЬ ОДНОРОДНОГО мачни-г огО .

Этот спос )б С1г „тествт че ся при давления - р- Зоч-1 о , меньппж

ей 1 10 7торр, когда ранячэтоя потери ионов г BVCOKOI KPCI-- ностью ионизации по переча- рядки.

Недостаток состоит р том, что энергия, вклацываеч ая ь эт ектронньП1 пучок, используется непосреппвечнт дня ионизации с крайне а юн ТЛЕНОСТЫО нвиду КОРОТКОГО времени пребывания злектроьпь в обпаст оЗ диркн иснов. Время аропе- м дгенсЬосого птзострангтра (б тс г v пи.57 тО 10 с на много пер 1Пьоч меныле ст еднет-с времени, чепбх ппя пс Учечн tivc ° к но т, НяУ;О

.

ример, при характерной плотности лектронов в пучке he & 10 энергии электронов 20 кэВ для полной обдирки атомов аргона требуется не менее 2 с. Вследствие этого вводимая а пучок энергия расходуется главным образом на бесполезный разогрев Коллектора электронного пучка, что делает крайне высокой энергетическую цену производимых ионов.

Наиболее близким к предлагаемому является способ, согласно которому многократная ионизация осуществляется в кварцевой камере, помещенной в резонатор и в комбинацию магнито- статического и электромагнитного по25

лей, обладающую замкнутой поверхностью электронного циклотронного резонанса (ЭЦР) и минимумом магнитостатическо- 20 ,го поля внутри этой поверхности. ь Для устойчивого поджига исполь- зуется холодная форплазма, образуе- мая на конца натекателя-каппиляра СВЧ полем.

j Для получения замкнутой ЭЦР-по- (верхности используется одно- или мно-1 гокасповая магнитная система со , встречными магнитостатическими полями или комбинация зеркальной магнитной ловушки с поперечной (по отношению к оси зеркальной ловушки) многокас- повой системой (мультиполем). Экстракцию ионов осуществляют вдоль си- , ловых линий магнитного поля.

Недостатком данного способа является низкий выход ионов высокой крат- кости ионизации вследствие процессов перезарядки на нейтральных атомах,

JQ

J5

30

35

поскольку нижний предел давления,

при котором еще происходит зажигание разряда, не превышает 5 . Между тем перезарядка становится несущественной для процессов многократной ионизации атомов лишь при давлениях значительно меньше . 1 Цель изобретения - увеличение зарядности ионов.

Указанная цель достигается тем, что низкоэнергетический электронный пучок инжектируется в условиях давления рабочего газа с 10 торр, когда процессы перезарядки являются несущественными.

Причем инжектируемые низкоэнергетические электроны пересекают ЭЦР- поверхность, набирают при этом необходимую для глубокой обдирки атомов Поперечную энергию и захватываются в

ю20

98912

Магнитную яму, образуя долгоживущую электронную плазму высокой плотности, внутри ямы электроны совершают осцил- ляторные движения, в результате чего их время пребывания в этой области (области обдирки) на много порядков превышает это же время в прототипе, увеличивая so столько же раз вероятJQ йость ионизующего столкновения, что и обеспечивает низкую энергетическую цену иона.

Потери электронов из области удержания (магнитной ямы) компенсируются

J5 непрерывной инжекцией низкоэнергетического электронного пучка. Ионы, которые образуются в результате соударений атомов и ионов с высокоэнергетическими электронами, находятся в отрицательной потенциальной яме электронной плазмы, чем и обеспечива-. ется тем более длительное их удержа5

0

0

5

0

5

0

5

ние, чем выше их заряд, В этих условиях поддержание несамостоятельного разряда и процессы ионизации происходит при давлениях рабочего газа ниже 11СГ7 торр.

Устойчивость плазмы обеспечивается тем что она находится в минимуме магнитного поля.

Инжекцию низкоэнергетических электронов и экстракцию ионов осуществляют вдоль силовых линий магнитного поля в стационарном или импульсном режимах, причем при импульсной экстракции инжектор электронов должен работать в импульсном режиме, чтобы получить максимальное число частиц в импульсе: при прекращении поступления электронов потенциал -плазмы возрастает, что вынуждает ионы покидать область удержания.

На фиг. 1 схематично изображено устройство, реализующее предлагаемый способ;на фиг.21 разрез на фиг. 1.

Устройство содержит алюминиевый вакуумный резонатор 1, который одновременно является разрядной камерой (длина 8 см, диаметр 13 см), Магнитное поле зеркальной конфигурации формируется электромагнитами, состоящими из катушек 2 постоянного тока и полюсных наконечников 3. Поперечное магнитное поле многокасповой конфигурации создается системой восьми постоянных магнитов9 изготовленных в виде прямоугольных брусков с противоположной намаг ниченностью у соседних брусков (бруски из SmCoj

длиной

10

,2

см и поперечными размерами 2,5x2 см2 с намагниченностью на поверхности 3,5 кГс). Резонатор возбуждается микроволновым генератором 5 мощностью 500 Вт на частоте 2,4 Гц с помощью волновода 6 и согласованной щели 7, прорезанной в одной из стенок резонатора.

Сечение плоскостью рисунка замкнутой ЭЦР-поверхности (характерный размер 5 см) схематически изображено пунктирной линией 8, Электронная пушка, состоящая из LaBg, катода 9 и нити косвенного канала 10 расположена в дополнительной камере 11 внутри канала, прорезанного в полюсном наконечнике , Между катодом (диаметр 2 см) и резонатором поддерживается разность потенциалов 100 В для инжекции электронов внутрь резонатора (камера обдирки) . Катод расположен между точкой максимума зеркального магнитного поля и ЭЦР-поверхностью, которая отстоит от внутренней стенки резонатора на расстояние 1,5 см. Двигаясь вдоль силовых линий зеркального магнитного поля, электроны пересекали ЭЦР-поверх ность, где приобретают энергию порядк 10 кэВ и захватываются в магнитную яму в центральной области резонатора. Напуск рабочего газа осуществляется при помощи натекателя 12 через дополнительную камеру. Экстракция ионов производится посредством двухэлект- родной системы 13 через канал, прорезанный во втором полюсном наконечнике.

Проведенные испытания источника показали, что зажигание несамостоятельного разряда и генерация много- зарядных ионов происходят при давлении рабочего газа (аргон) вплоть до

0

5

0

минимального давления, обеспечиваемого вакуумными насосами, равного 1-10 7торр. Использование более совершенной техники позволяет продвинуться в область более низких рабочих давлений. Энергетическая цена иона Аг8ц составляла 6- 10 1°7%/ион при времени удержания электронов

0 20 мс. Испытания показали, что включение электронной пушки в конструкцию источника позволяет существенно увеличить (на порядок и более) ток многозарядных ионов (Z S 5) , экстра5 гируемых из источника, при одинаковых ионных энергозатратах.

Формула изобретения

Способ генерации многозарядных 0 ионов, включающий формирование плазмы в среде рабочего газа в разрядной камере, в области которой создают с Помощью магнитной системы замкну- тую конфигурацию силовых магнитных

5 линий Ј многокасповой поверхностью и минимумом величины индукций поля

в центре разрядной камеры, нагрев плазмы путем ввода в разрядную камеру СВЧ-энергии, извлечение и формиро вание потока многозарядных ионов, при этом величину магнитной индукции выбирают из условия осуществления электронно-циклотронного резонанса на периферии разрядной камеры, о т- личающийся тем, что, с целью увеличения тока многозарядных ионов и эффективности их извлечения, образование плазмы осуществляют путем инжекцни низхоэнергетичного электронного пучкз в разрядную камеру вдоль оси симметрии замкнутой многокасповой поверхности при давлении рабочего гача менее .

Изобрс.тсчч ртглсмтся к физике и теч -мке РО ГНЬСК источников, а конкретнее ч способом и устройствам генерации мчогозарчднь-х ионов дня yi корнтелей эаряя°ннъ части--- ч - гом- ньтч исследораичй. Целью нзоСра1енчп являемся увеличение заоетрности no«cs Способ генерации мчогозарядьых ионов включает форм уованяе в разрядной камере п% гем ннзко- энсогеткиного электрппчот г вдогь оси М РГТ-ЧО ciicTe- мы, которая ззм чнутую мнсго- Kacnonvw по ерчьостъ rvrrn po ,пяп- нсп кане и. ii -fПУХЦИИ ПОЧЛ ИУЧЛЧ ЗТП1 - cbCUXIVlCTt нагрев пу :& ; вчода С Т-очеаг- ч -этоь в ЛИ ТИН Мч1 Httn- .xi IH, b jVrpqiol ИЗ УСЛОВЧЧ OCyi5er lP ° -« . Г- ОГипдиклотронного ретонс-нга а пеонф рч i разрядной kciKep . г-ч . осулествпячз 1 ip i -еской сие темой экстракпч 2 ь е