Источник оинов Советский патент 1979 года по МПК H01J3/04 

(54) ИСТОЧНИК ИОНОВ

1

Изобретение относится к технике получения ускоренных ионных пучков и может быть использовано для эффективного разделения изотопов.

Известен источник ионов, содержащий камеру, систему подачи рабочего вещества, анод, отражатель, систему инжекции ионизирукицего электронного пучка и систему извлечения.и формирования ионного пучка 1.

В результате ионизации атомов рабочего вещества в камере электронным ударом образуются ионы рабочего вещества, которые затем извлекаются и формируются в ускоренный ионный пучок, транспортируемый от источника к масс-анализатору.

Однако это устройство имеет невысокую эффективность ионизации при работе с некоторыми газами, например с водородом.

Наиболее близким к изобретению яв ляется источник ионов, содержащий испаритель пробы с отверстием для ввода в объем ионизатора вспомогательного газа и газообразного вещества пробы, ионизатор, выполненный в виде замкнутой полости с от верстием для вывода ионов и размещенным внутри него формирукяцим электродом в виде сетки, систему вытягивания и формирования пучка ионов и источник постоянного напряжения 2 .

Формирукхций электрод создает в объеме ионизатора наклонный потенциальный желоб, благодаря чему образующиеся на эквипотенциальной

0 поверхности ионизатора ионы выводятся из него, не взаимодействуя со стенками ионизатора, что позволяет при большой длине ионизатора добиться большого коэффициента исполь5зования пробы и свести разброс ионов по энергиям до теплового.

Такой источник ионов имеет сравнительно невысокую эффективность при небольших длинах ионизатора, так

0 как для достижения большей эффективности ионизатора необходимо создавать на формирующем электроде возможно больший перепад напряжения, одновременно обеспечивая его высокую

5 прозрачность,

Цель изобретения повьдиение эффективности работы источника.

Это достигается тем, что формирующий электрод выполнен в виде замкнутой поверхности, повторяющей форму ионизатора, снабжен отверстием для вывода ионов, изолирован от корпуса и соединен с положительным выводом источника напряжения, а ионизатор с отрицательным. На чертеже показана функциональн схема источника ионов. Источник ионов состоит из испари теля 1 пробы с отверстием 2 для напуска вспомогательного газа и газообразного вещества пробы, ионизатор 3 с формирукядим электродом 4, вытягивающего электрода 5 и формирователя 6 пучка ионов. Формирукйдий электрод 4 выполнен в виде сетки из тугоплавкого материала с большой работой выхода, например вольфрама, и имеет сравнительно небольшую.геометрическую про рачность ((-0,5) при работе с веществами, обладаквдими коэффициентом поверхностной ионизации р ГО При этом электрод нагревают до максимально возможной температуры (T s3000 K). При работе с газами и элементами плохо поддающимися поверхностной ионизации {iil О) , и для достижения большой производительности источник предпочтительно делать его высокой геометрической прозрачности (j,-0,9) с минимально возможным расстоянием от электрода до стенки корпуса. Хотя бы один из линейных размеров ячейки сетки (электрода 4) должен быть меньше удвоенной величины этого расстояния (2ДГ). Вводимый в ионизатор 3 вспомогательный газ, например гелий, должен иметь величину первого потенциала ионизации большую, чем разность потенциалов корпуса ионизатора 3 и фо мирующего электрода ДО. Давление га за поддерживается таким, что длина свободного пробега ионов меньше радиуса электрода () , а длина свободного пробега электронов - при мерно равна ему ( При 2 -50-5 мм оно составит 0,1-1 торр. Источник ионов работает следующим образом. После подачи вспомогательного газа и прогрева корпуса ионизатора 3 подают напряжение на формирующий электрод 4. При этом поток электро нов от ионизатора 3 через сетку электрода образует внутри этого электрода область виртуального кат с отрицательным потенциалом относи тельно него, по величине близким к потенциалу ионизатора 3, Размеры Области виртуального катода опреде ются законом степени 3/2 для тока электронов в вакууме. После этого из испарителя 1 в объем иони затора подают вещество пробы в газ образном виде. Здесь атомы многократно сталкиваются с ионизирующей поверхностью формирующего электрод 4 и пересекают многократно объем с оком электронов от электрода до бласти виртуального катода. При малой величине площади выходного отверстия ионизатора 3 имеется большая вероятность ионизации их до вылета из ионизатора как за счет поверхностных эффектов на электроде 4, так и за счет ударов летящих от него в сторону виртуального катода электронов. Образующиеся ионы под действием поля объемного заряда электронов попсшают в область виртуального катода, где при столкновении с атомами вспомогательного газа их кинетическая энергия снижается до тепловой и в этой области образуется изотермически равновесная плазма с отрицательным относительно электрода 4 потенциалом, близким к потенциалу ионизатора 3. Вследствие того, что ток ионов на формирующий электрод 4 из плазмы отсекается электрическим полем между сеткой и плазмой, запертые в потенциальной яме ионы большей частью покидают этот объем под действием поля вытягивакнцего электрода 5 через выходные отверстия формирующего электрода 4. и ионизатора 3. Так как потенциал ионизации атомов вспомогательного вещества, например гелия, меньше кинетической энергии электронов, они не ионизируются, и образующаяся плазма содержит ионы преимущественно рабочего вещества пробы. с увеличением тока ионов из ионного источника потенциал плазмы остается близким к потенциалу корпуса ионизатора до тех пор, пока плотность ионов, а следовательно, и электронов не достигнет такой величины, при которой определяемый в соответствии с законом степени 3/2 для данной разности потени,иалов дО ток электронов из плазмы на электрод 4 не станет равным величине встречного тока электронов. Это максимальное значение концентрации ионов опредэляет производительность источника. По сравнению с ионными источниками серийных масс-спектрометров предложенный источник позволяет в сотни раз уменьшить количество вещества пробы, необходимое для проведения анализов на масс-спектрометре, что особенно важно при работе с пробами, обладающими высокой радиоактивностью, а также с малыми количествами дорогостоящих изотопов. Формула изобретения Источник ионов, содержгиций корпус, испаритель пробы с отверстием для ввода в объем ионизатора вспомогательного газа/и газообразного вещества пробы, ионизатор, выполненный в виде замкнутой полости с отверстием для вывода ионов и помещенным внутри него формирующим электродом, выполненным в виде сетки систему вытягивания и формирования пучка ионов и источник постоянного напряжения, отличающийся тем, что, с целью повышения эффектив ности работы источника, формирующий электрод выполнен в виде замкнутой поверхности, повторяющей форму ионизатора, и снабжен отверстием для вывода ионов, изолирован от корпуса

6190496

и соединен с положительным выводом источника напряжения, а ионизатор .с отрицательным. ,Источники информации,

принятые во внимание при экспертизе 1. Вестал, Блейкли, Рэйэм. Новая 5 установка с пересекающимися пучками для , исследования процессов столкновения ионов с молекулами. Приборы для научных исследований, 1976, 1, с.17-31.

10 2. Авторское свидетельство СССР 397984, кл. Н 01 J 3/04, 1974.

I