Способ импульсного ввода ионовВ элЕКТРОННый пучОК Советский патент 1981 года по МПК H05H9/00 H01J3/04 

Изобретение относится к ускорительной технике, преимущественно к технике ускорения многозарядных иоиов, и может быть использовано пр получении пучков многозарядных ионо из ионных источников. в технике элетронно-лучевых ионн источников в настоящее время идет поиск наилучших способов импульсног ввода ионов в электронный пучок. В частности, имеется проект создания импульсного потока атомов рабочего вещества, пересекакицего электронный пучок или направленного вдоль него. Ионы, возникаюидае в результате атом-электронного взс1имодействия, считаются введенными в электронный пучок i. Реализация этого способа однако, сопряжена с необходимостью разработки сложной аппаратуры для создания импульсного атомарного потока и имеет ряд других недостатков . Известен способ ввода ионов в эл тронный пучок 2 , состоящий в том, что электронный пучок некоторрй начальной плотности пропускают через объем, содержащий атомы рабочего ве щества, накапливают образующиеся ионц в объеме пучка посредством кха сиального запирания оарьерс1ми эле1ктрического потенциала в оконечных участках пучка, затем, после накопления определенного ко.гшчества ионов, исключгиот место их поступления в пучок из объему электростатической ионной ловушки путем перенесения места потенциального барьера, а накопленые ионы стягивают в приаксигьльную область электронного пучка -путем увеличения его плотности. Основной недостаток этого способа состоит в том, что ионы в электронном пучке к концу прсщесса ввода обладак)т достаточно большими радиальными скоростями, в реальных случаях сравнимыми с глубиной электростатической ловушки в области электронного пучка. Щэичиной этого является увеличение энергии радиальных колебаний ионов при стягивании их -в приаксиальную область электронного пучка путем адиабатического увеличения его плотности. Действительно, При адиабатическом увеличении плотности электронного луча увеличивается глубина радиального провисания потенциала, обусловленного пространственным зарядом электронного пучка. Ион, совершаквдий радиальные колебания в поле такого пот енциала, всякий раз после останов ки в точке максимального радиального отклонения при движении к оси пучка ..видит увеличивающуюся глуби ну потенциальной ямы, что в частности, и приводит к увеличению энергии радиальных колебаний иона. Наличие у ионов с самого начала процесса ионизации, т.е. сразу же по ле ввода их в электронный пучок, зна чительной энчргии радиальных колебаний, сравнимой с энергией, достаточной для преодоления потенциального барьера электростатической ионной ловушки, затрудняет их удержание в области электронного пучка и приводит к тому, что приобретая в процессе ионизации дополнительную энергию от электронного пучка, ионы уходят из электростатической ловушки. Тем самым снижается интенсивность иодного пучка и уменьшается предельно достижимая зарядность ионов в электронно-лучевом ионном источнике. Целью настоящего изобретения является увеличение интенсивности ионного пучка и увеличение зарядности ионов на выходе электронно-лучевого ионного источника. Поставленная цель достигается тем, что при импульсном вводе ионов в электронный пучок электронно-лучевого ионного источника способом, включающим пропускание электронного пучка через объем, содержащий атомы рабочего вещества, накопление ионов в объеме пучка посредством их аксиального запирания двумя барьерами электрического потенциала в оконечных участках пучка и исключение из объема электростатической ионной ловушкиместа поступления ионов в пучок путем перенесения одного потенциального барьера, накопление ионов ведут только в приаксиальной области электронного пучка. Для этог глубину аксиального запирания устана ливают существенно меньшей радиального провисания потенциала электронного пучка, свободного от ионов, и н капливают ионы в течение времени, необходимого для их термализации, По ле накопления ионов тепловых энергий и исключения из объема ловушки места поступления ионов глубину аксиальног запирания увеличивают до уровня радиального провисания потенциалов сво бодного электронного пучка, причем уровень аксиального запирания при на коплении ионов выбирают так, чтобы отношение всего объема электронного пучка в пределах ловушки к объему указанной приаксиальной области было равно отношению ионных зарядов в конце процесса ионизации и в конце накопления. Накопление ионоз лишь в приаксиал ной области, а не во всем объеме эле ронного пучка позволяет получить к началу процесса ионизации столб ионов с энергиями,близкими к тепловым, а дальнейшее увеличение уровня аксиального запирания превращает в электростатическую ловушку весь объем электронного пучка.Теперь ионы в процессе ионизации могут растекаться в рсщиальном направлении, не покидая ловушки. На чертеже изображены картины распределения электрических потенциалов вдоль оси электронного пучка в течение всего процесса ввода в него ионов по предлагаемому способу. Электронный пучок распространяется в секционированной трубке дрейфа вдоль оси X. Точка L указывает место, вблизи которого пучок проходит через объем, содержащий атомы рабочего вещества. EN - аксиальный размер ловушки при накоплении ионов. MN - аксиальный размер ловушки после окончания ввода ионов в пучок. и, - значение потенциала на секциях трубки дрейфа в области вершин аксиальных потенциальных барьеров. значение потенциалов на секциях трубки дрейфа в области электростатических ловушек KN и ММ в процессе накопления ионов и после его окончания. Uj- значение потенциала на секциях трубки дрейфа в области электростатической ловушки MN после окончания ввода ионов в пучок и в начале процесса ионизации. и.-и 3 равно провисанию потенциала в электронном пучке, свободном от ионов. Распределения потенциалов, соответствующие накоплению ионов, А, окончанию накопления - В и началу ионизации - С, создаются прикладыванием необходимых потенциалов к соответствующим секциям трубки дрейфа. Процесс ввода ионов в электронный пучок происходит следующим образом. Вдоль электронного пучка создается распределение потенциалов А. Поскольку при этом глубина запирания значительно меньше, чем провисание потенциала в свободном пучке Uj-Uj запертым в ловушке KN оказываются лишь ионы, возникающие в некоторой приаксиальной области, радиальный размер которой определяется отношением При накоплении ионов в приаксиальной области происходив компенсация пространственного заряда электронов, и суммарный потенциал этой области возрастает. Это приводит к тому, что часть ионов, введенных в пучок ранее, может покинуть за счет своих кинетических энергий ловушку в аксиальном направлении. Процесс накопления продолжается до тех пор, пока в ловушке накопятся лишь ионы энергий, близких к тепловым, произойдет термализация ионов. Время этого процесса, определяется концентр цией атомов газа рабочего вещества вблизи точки L, родом газа, энергией электронного пучка и отношением дли.:ны ловушки KN к длине объема, содер жащего атомы рабочего вещества. Можно показать, что термализация ионов наступает после генерации в приаксисшьной области ионного заряда, необходимого для примерно 10кратной перекомпенсации пространственного заряда электронов в этой области, после окончания процесса терм лизации создается распределение потенцисшов В, потенциал вблизи точки L увеличивается, место ввода отсекается от электростатической ловушки После этого создается распределение потенциалов С. При этом все простран ство электронного пучка становится электростатической ловушкой MN. Ионы обладают энергиями, близкими к тепло вым, и находятся в приаксиальной области пучка. Пространственный заряд электронного пучка будет использован в максимальной степени, если к концу процесса ионизации положительный ионный заряд возрастет настолько, что заряд всего электронного пучка будет скомпенсирован ионами. В этом случае при равномерной плотности электронного пучка радиус г приаксиальной области, в которой происходит накопление ионов с начальной средней зарядностью ZQ, связан с радиусом элек .тронного пучка rg и конечной средней заряд ноет ью ионов z. следующим соотношением: e.i ZK в соответствии с этим выбирается глубина запирания при накоплении ионов. Использование предлагаемого спосо ба импульсного ввода ионов по сравне нию с известным позволяет увеличить время пребывания ионов в электронном пучке и тем самым повысить количеств и заряднойть ионов на выходе из ионного источника. Это особенно важно при использовании электронно-лучевог ионного источника для релятивистских ускорителей тяжелых ионов, когда непосредственно в источнике получаются пучки ядер неона, аргона и др., пол- ностью лишенных электродов. Экспериментально доказано, что использование предложенного метода на электронно-лучевых ионных источниках позволяет увеличить эффективное время пребывания ионов в пучках в 1,3-2 раза. При этом соответственно возрастает эффективность ионизации. Формула изобретения Способ импульсного ввода ионов в электронный пучок электронно-лучевого ионного источника, включающий пропускание электронного пучка через объем, содержащий атомы рабочего вещества, накопление обраэукяцихся ионов в объеме пучка посредством их аксиального запирания двумя барьерами электрических потенциалов и исключение из объема ионной ловушки места поступления ионов в пучок путем перенесения одного потенцисшьного барьера, отличающийся тем, что, с целью увеличения интенсивности ионного пучка и увеличения зарядности ионов, ионы накапливают только в приаксиальной области электронного пучка в течение времени, необходимого для их термализации, установив глубину аксиального запирания меньшей радиального провисания потенциала электронного пучка, свободного от ионов, а после исключения из объема ловушки места поступления ионов увеличивают глубину аксиального запира- , ния до уровня радиального провисания потенциала свободного электронного пучка, причем уровень запирания при накоплении ионов выбирают таким, что отношение всего объема электронного пучка на длине ловушки к объему указанной приаксиальной области равно отношению ионных зарядов в конце ионизации и в конце накопления. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Авторское свидетельство СССР 248860, кл. Н 05 Н 7/00, 1969. 2.Авторское свидетельство СССР № 375708, кл. Н 05 Н 7/00, 1973 (прототип).

V,

иг

Ur

/f i А

N