Способ получения потока положительных ионов

Авторы патента:

Анищик Виктор Михайлович (BY)

Асташинская Марина Валерьевна (BY)

Русальский Дмитрий Петрович (BY)

Углов Владимир Васильевич (BY)

Калин Александр Васильевич (BY)

H01J27/26 - с использованием поверхностной ионизации, например ионные источники с эмиссией под действием поля, термоионные источники ионов (H01J 27/20,H01J 27/24 имеют преимущество)

Владельцы патента RU 2288520:

Белорусский Государственный Университет (BY)

Изобретение относится к технике получения потока положительных ионов и предназначено для генерирования ионов в технологическом оборудовании. Техническим результатом изобретения является создание способа получения потока положительных ионов электропроводящих материалов при значительно меньших пороговых ускоряющих напряжениях и с увеличенным сроком службы эмиттера за счет исключения ускоренного износа эмиттера и создания в нем дефицита электронного газа. Сущность изобретения: в способе получения потока положительных ионов, заключающемся в приложении между твердотельным эмиттером и электродом-экстрактором напряжения, величина которого достаточна для взрывной ионной эмиссии, через эмиттер произвольной формы пропускают электрический ток и со стороны, противоположной электроду-экстрактору, устанавливают дополнительный электрод-экстрактор, к которому прикладывают положительный потенциал. 2 табл.

Изобретение относится к технике получения потока положительных ионов и предназначено для генерирования ионов в технологическом оборудовании.

Известен способ получения потока положительных ионов из твердотельных материалов [1], согласно которому между катодом и анодом зажигают электрическую дугу, а полученные в результате расплавления, испарения и ионизации материала катода ионы ускоряют путем приложения ускоряющего напряжения. Известный способ обеспечивает возможность получения больших токов ионов, а также эффективное создание как однозарядных, так и многозарядных ионов. Однако известный способ трудоемок в осуществлении из-за необходимости создания дугового разряда, который приводит к плавлению катода, а для устранения получаемой в результате капельной фазы необходима дополнительная сепарация ионного пучка.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является способ получения потоков положительных ионов [2], заключающийся в приложении между твердотельным эмиттером, на поверхности которого выполнен по меньшей мере один острийный выступ, и электродом-экстрактором напряжения, величина которого достаточна для взрывной ионной эмиссии. Известный способ более прост, однако обеспечивает кратковременный процесс экстракции ионов.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является способ получения потока положительных ионов [3], заключающийся в приложении между твердотельным эмиттером, на поверхности которого выполнен по меньшей мере один острийный выступ, и электродом-экстрактором напряжения, величина которого достаточна для взрывной ионной эмиссии, в котором для увеличения тока положительных ионов величину порогового напряжения выбирают из условия, выполняемого в области острийного выступа:

где U - ускоряющее напряжение,

σ - предел прочности материала эммитера на растяжение,

ε₀=8.85·10^-12Ф/м.

Известный способ более прост в осуществлении, однако из-за использования эмиттера с заостренной рабочей частью процесс экстракции также кратковременен вследствие быстрого разрушения острийного выступа. Кроме того, для осуществления процесса необходимо использование импульсного напряжения большой амплитуды.

Задачей изобретения является создание способа получения потока положительных ионов электропроводящих материалов при значительно меньших пороговых ускоряющих напряжениях и с увеличенным сроком службы эмиттера за счет исключения ускоренного износа эмиттера и создания в нем дефицита электронного газа.

Поставленная задача решается тем, что в способе получения потока положительных ионов, заключающемся в приложении между твердотельным эмиттером и электродом-экстрактором напряжения, величина которого достаточна для взрывной ионной эмиссии, через эмиттер произвольной формы пропускают электрический ток и со стороны, противоположной электроду-экстрактору, устанавливают дополнительный электрод-экстрактор, к которому прикладывают положительный потенциал.

Отличием является пропускание электрического тока через эмиттер произвольной формы и установление со стороны, противоположной электроду-экстрактору, дополнительного электрода-экстрактора, к которому прикладывают положительный потенциал.

Способ осуществляют следующим образом.

Через электропроводящий твердотельный эмиттер произвольной формы пропускают электрический ток, что приводит к упорядочению движения электронов электронного газа внутри него. К дополнительному электроду-экстрактору, расположенному рядом с эмиттером, прикладывают положительный потенциал, который повышают до появления потока электронов от эмиттера к электроду-экстрактору. Это приводит к смещению упорядоченно движущихся электронов внутри эмиттера в сторону дополнительного электрода-экстрактора, частичному извлечению и ускорению электронов из эмиттера к электроду-экстрактору. В результате этого на противоположной стороне эмиттера возникает дефицит электронного газа, и положительно заряженные ионы кристаллической решетки материала эмиттера начинают вырываться из эмиттера за счет сил электрического отталкивания. К второму электроду-экстрактору, расположенному рядом с эмиттером со стороны, противоположной дополнительному электроду-экстрактору, прикладывают ускоряющее напряжение, что приводит к усилению процесса экстракции ионов из эмиттера и ускорению их к электроду-экстрактору - возникает поток положительных ионов от эмиттера к электроду-экстрактору, для получения которого можно использовать как импульсное, так и постоянное ускоряющее напряжение любой величины.

Использование в заявляемом способе эмиттера произвольной формы, упорядочение движения электронов пропусканием электрического тока через эмиттер и смещение электронов в сторону дополнительного электрода-экстрактора обеспечивает использование рабочей поверхности эмиттера значительно большей площади, что приводит к значительному увеличению срока службы эмиттера, при значительно меньших пороговых ускоряющих напряжениях.

В таблице 1 приведены примеры, осуществленные по предлагаемому способу с эмиттером из различных материалов и размеров, при различных токах через эмиттер, положительных потенциалах экстракции электронов и ускоряющих напряжениях. Показатели известного способа для сравнения приведены в таблице 2. Как видно из приведенных в таблицах данных, срок службы эмиттера по известному способу не превышает нескольких секунд. В предлагаемом способе после двух часов работы эмиттер сохранял рабочее состояние. Величина порогового ускоряющего напряжения в известном способе значительно выше, чем в заявляемом. Так, для эмиттера из вольфрама эта величина составляет не менее 20 кВ, а в заявляемом способе для того же материала был получен поток положительных ионов при 12 кВ, а для эмиттеров из молибдена и углерода при 2 кВ. Таким образом, в сравнении с прототипом предлагаемый способ позволяет решить поставленную задачу.

Таблица 2 Показатели известного способа (прототип)
Материал эмиттера	W	W	W
Радиус иглы эмиттера, м	2·10^-7	Зубчатая поверхность	2·10^-7
Амплитуда импульса ускоряющего напряжения, кВ	40	70	20
Длительность импульса, нс	20	10	20
Ионный ток, А	1	2,5	Ионный ток отсутствовал
Время испытания, нс	20	1-2
Разрушение эмиттера	Игла оплавилась	Часть зубцов разрушилась, несколько включений

Источники информации

1. В.М.Анищик, В.В.Углов. Модификация инструментальных материалов ионными и плазменными пучками. Минск: БГУ, 2003, с.155-161

2. Ашеулов С.В. и др. Источники ионов металлов на основе термополевой и взрывной эмиссии. Вопросы атомной науки и техники, серия: ядерно-физические исследования, 1989, вып.5 (5), с.100-102.

3. Патент Российской Федерации №2019880, 5 H 01 J 27/22, 27/26. Бюл. №17, 1994 г. - прототип.

Способ получения потока положительных ионов, заключающийся в приложении между твердотельным эмиттером и электродом-экстрактором напряжения, величина которого достаточна для взрывной ионной эмиссии, отличающийся тем, что через эмиттер произвольной формы пропускают электрический ток и со стороны, противоположной электроду-экстрактору, устанавливают дополнительный электрод-экстрактор, к которому прикладывают положительный потенциал.

Способ получения ионных пучков щелочных металлов // 2148870

Изобретение относится к получению ионных пучков и может быть использовано в ускорительной технике, масс-спектрометрии и т.п. .

Эмиттер заряженных частиц // 2143766

Изобретение относится к электронике и может быть использовано в качестве источника интенсивных электронных потоков, а также в качестве источника ионов. .

Способ получения отрицательных ионов в поверхностно- плазменных источниках // 2109367

Изобретение относится к поверхностно-плазменным источникам отрицательных ионов, а именно к способам получения отрицательных ионов в поверхностно-плазменных источниках, и может быть использовано в ускорителях заряженных частиц или устройствах для осуществления термоядерного синтеза.

Источник интенсивных ионных пучков // 2075132

Способ получения пучка отрицательных ионов фуллеренов и/или их производных // 2074451

Изобретение относится к плазменной технике, в частности к способам получения отрицательных многоатомных ионов. .

Полевой ионный источник // 2071138

Электрогидродинамический источник ионов // 2036531

Изобретение относится к устройствам для получения пучков заряженных частиц, в частности ионов, заряженных кластеров и микрокапель, и может быть использовано для получения с последующим формированием субмикронных ионных пучков, находящих все более широкое применение при микрообработке распылением; микроанализе и растровой ионной микроскопии; прямом безмасочном легировании полупроводников; в ионной литографии, а также для нанесения тонких пленок и покрытий кластерными и микрокапельными пучками.

Способ получения потока положительных ионов // 2019880

Изобретение относится к технике получения потоков положительных ионов, которые используются в науке и технике: ускорителях заряженных частиц, в реактивных двигателях, для различных технологических процессов.

Источник ионов электрогидродинамического типа // 1829746

Изобретение относится к микротехнологии и может использоваться, например, в ионно-литографических установках, растровых микроскопах и т.д. .

Устройство создания ионных потоков // 2389105

Изобретение относится к области создания полупроводниковых приборов методом легирования и предназначено для получения направленных потоков (пучков) ионов

Высокотемпературный источник поверхностной ионизации // 2625728

Изобретение относится к вакуумной технике и может быть использовано для получения пучков ионов при разделении изотопов или масс-спектрометрии. Высокотемпературный источник поверхностной ионизации из монокристаллического материала с объемно-центрированной кубической решеткой снабжен цилиндрическим сквозным отверстием, которое выполнено вдоль кристаллографического направления [111] монокристалла. В качестве монокристаллического материала с объемно-центрированной кубической решеткой могут быть выбраны материалы из ряда тугоплавких материалов, таких как: вольфрам, тантал, молибден, ванадий. Технический результат – повышение эффективности источника поверхностной ионизации без увеличения его рабочей температуры и геометрических размеров. 2 з.п. ф-лы.