Ионный источник

 

Изобретение относится к технике получения ионных пучков, в частности пучков многозарядных, высокозарядных и поляризованных ионов. Предложен ионный источник, содержащий электронную пушку (ЭП), структуру дрейфа (СД), коллектор электронов (ЭК), узел отражателя электронов (УО), фокусирующую магнитную систему, систему ввода рабочего вещества и вакуумный кожух. При этом перечисленные элементы выполнены имеющими трубчатую структуру. Электронная пушка содержит катод, состоящий из эмиттера электронов в форме усеченного конуса и окружающих его внутреннего и внешнего фальшкатодов подобной же формы. Узел отражателя электронов содержит собственно отражатель электронов в форме усеченного конуса с одним или несколькими отверстиями, внутренний и внешний фокусирующие электроды УО и внутренний и внешний аноды УО. Структура дрейфа состоит из трубчатых коаксиально расположенных внутренних и внешних секций, имеющих формы подобных друг другу поверхностей вращения. Коллектор электронов состоит из трубчатых коаксиально расположенных внутреннего и внешнего электродов, имеющих формы подобных друг другу поверхностей вращения. Кроме того, в ионный источник дополнительно введены по одной или несколько пар электродов согласования, имеющих формы подобных друг другу поверхностей вращения. В результате увеличивается интенсивность ионных пучков, производимых ионным источником. 4 з.п.ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к технике получения ионных пучков и может быть использовано при получении пучков многозарядных и высокозарядных ионов, включая ядра, полностью лишенные электронов, и поляризованных ионов.

Известен источник многозарядных ионов [1], в котором ионизация атомов рабочего вещества осуществляется электронным пучком в магнитном поле. Источник содержит электронную пушку, состоящую из катода, анода и фокусирующего электрода, секционированную структуру дрейфа электронов, коллектор электронов, фокусирующую магнитную систему, систему ввода рабочего вещества, вакуумный кожух и систему вакуумной откачки. Недостатком указанного источника является относительно низкая интенсивность производимых им ионных пучков при относительно высокой мощности применяемых электронных пучков.

В качестве прототипа рассмотрим ионный источник [2]. В данном ионном источнике, содержащем электронную пушку (ЭП), состоящую из катода, анода и фокусирующего электрода, структуру дрейфа электронов, коллектор электронов, фокусирующую магнитную систему, систему ввода рабочего вещества и вакуумный кожух, катод выполнен из двух частей: собственно катода, способного испускать электроны, и окружающего его катодного диска с отверстием в центре, на противоположном относительно электронной пушки конце структуры дрейфа соосно с последней установлен узел отражателя электронов, состоящий из собственно отражателя с отверстием в центре, фокусирующего электрода отражателя электронов и анода отражателя электронов, установленного перед собственно отражателем соосно с последним, а коллектор электронов, имеющий отверстие вдоль оси, установлен непосредственно за анодом электронной пушки и (или) перед анодом отражателя электронов.

В указанном ионном источнике-прототипе электроны, испущенные собственно катодом и ускоренные в катод-анодном зазоре, после пролета пространства дрейфа не высаживаются на коллектор, а отражаются в узле отражателя, что приводит к многократному их использованию для ионизации, что в свою очередь ведет к снижению мощности используемых электронных пучков.

Недостатком данного ионного источника является относительно низкая интенсивность производимых ионных пучков из-за естественного ограничения количества используемых электронов возникновением виртуального катода в пространстве трубки дрейфа.

Целью данного изобретения является увеличение интенсивности ионных пучков, производимых ионным источником.

Поставленная цель достигается тем, что в предлагаемом ионном источнике, содержащем электронную пушку (ЭП), структуру дрейфа (СД), коллектор электронов (ЭК), узел отражателя электронов (УО), фокусирующую магнитную систему, систему ввода рабочего вещества и вакуумный кожух, ЭП, УО, ЭК и СД выполнены имеющими трубчатую структуру, причем ЭП содержит катод, состоящий из эмиттера электронов в форме усеченного конуса и окружающих его внутреннего и внешнего фальшкатодов подобной же формы, внутренний и внешний фокусирующие электроды и внутренний и внешний аноды, УО содержит собственно отражатель электронов в форме усеченного конуса с одним или несколькими отверстиями, предназначенными для ввода ионов рабочего вещества и для вывода ионного тока из источника, внутренний и внешний фокусирующие электроды УО и внутренний и внешний аноды УО, СД состоит из трубчатых коаксиально расположенных внутренних и внешних секций, имеющих формы подобных друг другу поверхностей вращения, ЭК состоят из трубчатых коаксиально расположенных внутреннего и внешнего электродов, имеющих формы подобных друг другу поверхностей вращения и размещенных непосредственно за анодом электронной пушки и (или) перед анодом отражателя, и кроме того, в ионный источник дополнительно введены по одной или несколько пар электродов согласования, имеющих формы подобных друг другу поверхностей вращения, размещенных непосредственно за электродами ЭК со стороны ЭП и перед электродами ЭК со стороны УО, причем одна или несколько оконечных секций СД, а также электроды согласования, ЭК со стороны УО и анод УО выполнены рассеченными по азимуту так, что образуют один или несколько бипластинчатых каналов ввода ионов рабочего вещества в ионный источник и вывода ионного тока из ионного источника, расположенных напротив указанных отверстий в собственно отражателе. Кроме того, для уменьшения мощности используемых электронных пучков указанные внутренний и внешний фальшкатоды ЭП могут быть выполнены в форме единого фальшкатода с одним или несколькими отверстиями, предназначенными для пропуска испускаемых эмиттером электронов, а для уменьшения мощности накала эмиттера и уменьшения его стоимости последний может быть выполнен из одного или нескольких элементов, расположенных в отверстиях единого фальшкатода, а для ускорения вывода ионов из источника все секции СД также могут быть выполнены рассеченными по азимуту вдоль образующих так, что формируют один или несколько бипластинчатых каналов быстрого вывода ионов из области ионной ловушки.

В случае необходимости использования ионного источника для получения ионизации ионных пучков с помощью монохроматических электронов отверстие в собственно отражателе может быть выполнено кольцевым для пропуска электронного пучка, а за узлом отражателя дополнительно установлены внутренний и внешний коллекторы электронов, имеющие формы фигур вращения, соответствующих поверхностям трубок равного потока магнитного поля, рассеченные по азимуту так, что образуют бипластинчатые каналы ввода ионов в ионный источник и вывода полученного ионного тока.

Предлагаемый ионный источник схематически изображен на чертеже, где: 1 - эмиттер электронов; 2а, 2б - внутренний и внешний фальшкатоды ЭП; 2в - собственно отражатель электронов; 3а, 3б - внутренний и внешний фокусирующие электроды ЭП; 3в, 3г - внутренний и внешний фокусирующие электроды УО; 4а, 4б - внутренний и внешний аноды ЭП; 4в, 4г - внутренний и внешний аноды УО; 5а, 5б - внутренний и внешний коллекторы электронов со стороны ЭП; 5в, 5г - внутренний и внешний коллекторы электронов со стороны УО;
6а, 6б - внутренний и внешний электроды согласования со стороны ЭП;
6в, 6г - внутренний и внешний электроды согласования со стороны УО;
7а, 7б, 8а, 8б, 9а, 9б - внутренние и внешние трубки СД со стороны ЭП;
7в, 7г, 8в, 8г, 9в, 9г - внутренние и внешние трубки СД со стороны УО;
10 - магнитная система (соленоид);
11 - трубка подачи рабочего газа;
12 - бипластинчатый канал вывода ионов.

Необходимым условием работы ионного источника является создание в его объеме сверхвысокого вакуума и сильного аксиально-симметричного фокусирующего магнитного поля.

Ионный источник работает следующим образом.

На эмиттер электронов (1) и фальшкатоды (2а,б) подается отрицательное напряжение U(кат. ), а на собственно отражатель электронов (2в) - несколько более отрицательное напряжение U(oe.), так что и U(кат.)>U(oe.), при этом потенциалы анодов ЭП (4а,б) и анодов отражателя электронов (4в,г), а также коллекторов электронов (5) и (8) поддерживаются, например, равными нулю. На фокусирующие электроды ЭП (3) подается напряжение, более отрицательное, чем на катод, а на фокусирующие электроды отражателя электронов (10) - более отрицательное, чем на собственно отражатель (9). На структуру дрейфа электронов также подается нулевое или положительное напряжение. При включении подогрева эмиттера испускаемые им электроны ускоряются потенциалом анодов ЭП, пролетают через кольцевой зазор между анодами ЭП и электронными коллекторами в зазор между электродами согласования и далее внутрь структуры дрейфа электронов, а затем между электродами согласования, между коллекторами и анодами УО и попадают в тормозящее электрическое поле собственно отражателя. Здесь электроны сначала замедляются, а потом отражаются, поскольку U(oe. )<U(кат. ). На обратном пути электроны вновь ускоряются анодом УО, проходят электроды согласования и т. д. , структуру дрейфа, затормозившись в поле эмиттера и фальшкатода ЭП, отражаются обратно. Магнитное поле фокусирующего соленоида и электрическая разность потенциалов на внутреннем и внешнем электродах согласования удерживают траектории электронов на соответствующей поверхности вращения. Однако по мере увеличения числа отражений и накопления отрицательного пространственного заряда осциллирующих электронов их траектории все больше смещаются с указанной поверхности в радиальных (внутрь и наружу) направлениях, что приводит к высадке электронов на коллекторы электронов, а также на аноды ЭП и аноды УО, как было экспериментально показано для линейной аксиально-симметричной системы.

Экспериментально показано, что число отражений электронов может достигать 1000 и более. Таким образом, при отборе электронного тока с эмиттера, например в 100 мА, эффективный электронный ток ионизирующего пучка может составлять до 100 А. Причем виртуальный катод не образуется благодаря трубчатой структуре с двумя внутренней и внешней стенками.

Процесс инжекции, удержания и вывода ионов из трубчатого пучка осциллирующих электронов осуществляется подобно тому, как и в обычном электронно-лучевом ионном источнике. А именно:
В начальный момент времени цикла ионизации на оконечных парах секций структуры дрейфа (7а, б) создаются потенциальные барьеры. Через элемент (13) системы ввода рабочего газа в структуру дрейфа вводится рабочий газ при низком (около 10^-7 торр) давлении. Через определенное время потенциальный барьер подается на оконечную пару секций (7 в), а с оконечной пары секций (7 б) барьер снимается. Ионы рабочего газа удерживаются в пучке осциллирующих электронов между барьерами (7 а) и (7 в). Под действием электронной бомбардировки зарядность ионов увеличивается. При достижении ионами нужной зарядности потенциалы секций структуры дрейфа между секциями (7 а) и (7 б) увеличиваются с одновременным созданием выводящего ионы градиента электрического потенциала вдоль всех бипластинчатых элементов системы вывода. После вывода ионов через отверстие в собственно отражателе электронов цикл ионизации повторяется. Миграция ионов изо всего объема трубчатой ионной ловушки в направлении системы выводящих электродов происходит естественно за счет их дрейфа в скрещенных полях соленоида и электронного пространственного заряда.

Таким образом, применение предлагаемого источника ионов позволяет значительно более чем в 100 раз по сравнению с прототипом увеличить токи ионов из ионного источника.

Предлагаемый ионный источник также может использоваться для получения, накопления и быстрого вывода поляризованных ионов.

ЛИТЕРАТУРА
1. Е.Д. Донец, В.И. Илющенко, В.А. Альперт. Авторское свидетельство СССР 375708, Бюлл. ОИПОТЗ 16 (1973).

2. Е.Д. Донец, Д.Е. Донец, Е.Е. Донец. Патент РФ 2067784, Бюлл. Изобретения 28, 10.10.96.

Формула изобретения

1. Ионный источник, содержащий электронную пушку (ЭП), структуру дрейфа (СД), коллектор электронов (ЭК), узел отражателя электронов (УО), фокусирующую магнитную систему, систему ввода рабочего вещества и вакуумный кожух, отличающийся тем, что ЭП, УО, ЭК и СД выполнены имеющими трубчатую структуру, причем ЭП содержит катод, состоящий из эмиттера электронов в форме усеченного конуса и окружающих его внутреннего и внешнего фальшкатодов подобных эмиттеру форм, внутренний и внешний фокусирующие электроды и внутренний и внешний аноды, УО содержит отражатель электронов в форме усеченного конуса с одним или несколькими отверстиями, предназначенными для ввода ионов рабочего вещества и для вывода ионного тока из источника, внутренний и внешний фокусирующие электроды УО и внутренний и внешний аноды УО, СД состоит из трубчатых коаксиально расположенных внутренних и внешних секций, имеющих формы подобных друг другу поверхностей вращения, ЭК состоит из трубчатых коаксиально расположенных внутреннего и внешнего электродов, имеющих формы подобных друг другу поверхностей вращения и размещенных непосредственно за анодом электронной пушки и/или перед анодом отражателя, при этом в ионный источник дополнительно введены по одной или несколько пар электродов согласования, имеющих формы подобных друг другу поверхностей вращения, размещенных непосредственно за электродами ЭК со стороны ЭП и перед электродами ЭК со стороны УО, причем одна или несколько оконечных секций СД, а также электроды согласования, ЭК со стороны УО и анод УО выполнены рассеченными по азимуту так, что образуют один или несколько бипластинчатых каналов ввода ионов рабочего вещества в ионный источник и вывода ионного тока из ионного источника, расположенных напротив указанных отверстий в отражателе.

2. Ионный источник по п. 1, отличающийся тем, что внутренний и внешний фальшкатоды ЭП выполнены в виде единого фальшкатода с одним или несколькими отверстиями, предназначенными для пропуска испускаемых эмиттером электронов.

3. Ионный источник по п. 2, отличающийся тем, что эмиттер электронов выполнен из одного или нескольких элементов, расположенных в упомянутых отверстиях единого фальшкатода.

4. Ионный источник по любому из пп. 1-3, отличающийся тем, что все секции СД выполнены рассеченными по азимуту вдоль образующих так, что формируют один или несколько бипластинчатых каналов быстрого вывода ионов из области ионной ловушки.

5. Ионный источник по п. 1 или 4, отличающийся тем, что отверстие в отражателе выполнено кольцевым, а за УО дополнительно установлены внутренний и внешний коллекторы электронов, имеющие формы фигур вращения, соответствующих поверхностям трубок равного потока магнитного поля, рассеченные по азимуту так, что образуют бипластинчатые каналы ввода ионов в ионный источник и вывода полученного ионного тока.

РИСУНКИ

Рисунок 1