RU2067784C1

RU2067784C1 - Ion source

Info

Publication number: RU2067784C1
Application number: RU94019797A
Authority: RU
Inventors: Евгений Денисович Донец; Денис Евгеньевич Донец; Евгений Евгеньевич Донец
Original assignee: Евгений Денисович Донец; Денис Евгеньевич Донец; Евгений Евгеньевич Донец
Priority date: 1994-05-27
Filing date: 1994-05-27
Publication date: 1996-10-10

Abstract

FIELD: production of ion beams, such as beams of multicharge and high-charge ions, including stripped nuclei. SUBSTANCE: ion source has electron gun incorporating cathode, anode, and focusing electrode, electron drift structure, focusing magnetic system, and working substance admission system; cathode is made of cathode proper and surrounding cathode disk with central bore; introduced past drift structure, opposite electron gun, is electron mirror that has mirror proper with central bore, focusing electrode, and anode. Electron collector with hole along axis is mounted past electron gun anode and in front of mirror anode. EFFECT: enlarged functional capabilities. 4 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к технике получения ионных пучков и может быть использовано при получении пучков многозарядных ионов и высокозарядных ионов, включая ядра, полностью лишенные электронов. The invention relates to techniques for producing ion beams and can be used to obtain beams of multiply charged ions and highly charged ions, including nuclei, completely devoid of electrons.

Известен источник многозарядных ионов, в котором ионизация атомов рабочего вещества осуществляется электронным пучком в магнитном поле [1] В данном ионном источнике катод и анод с сеткой образуют электронную пушку, которая расположена в магнитном поле. Генерируемый пушкой протяженный электронный пучок проходит вдоль оси камеры ионизации и высаживается на электронный коллектор. Имеется устройство для подачи атомов рабочего вещества в ионизационную камеру. Ионы рабочего вещества, образующиеся в процессе бомбардировки электронным пучком, вытягиваются из камеры ионизации поперек магнитного поля, для чего в камере установлены соответствующие электроды. Недостатком такого ионного источника является относительно низкая предельная зарядность получающихся ионов, а также низкая интенсивность ионных пучков. A well-known source of multiply charged ions, in which the ionization of atoms of the working substance is carried out by an electron beam in a magnetic field [1] In this ion source, the cathode and anode with a grid form an electron gun, which is located in a magnetic field. The extended electron beam generated by the gun passes along the axis of the ionization chamber and lands on the electronic collector. There is a device for feeding atoms of the working substance into the ionization chamber. Ions of the working substance formed during the bombardment by an electron beam are pulled out of the ionization chamber across the magnetic field, for which the corresponding electrodes are installed in the chamber. The disadvantage of such an ion source is the relatively low ultimate charge of the resulting ions, as well as the low intensity of the ion beams.

В качестве прототипа рассмотрим электронно-лучевой ионный источник, который 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 [2]
В электронно-лучевом ионном источнике электроны, эмиттированные катодом, ускоренные и сфокусированные с помощью анода и фокусирующего электрода, образуют протяженный электронный пучок, который проходит внутри секционированной структуры дрейфа. Сильное продольное магнитное поле фокусирующего соленоида удерживает электронный пучок так, что он сохраняет размер своего поперечного сечения на протяжении всей длины структуры дрейфа. После выхода из магнитного поля электронный пучок расфокусируется и попадает на внутреннюю поверхность охлаждаемого электронного коллектора.As a prototype, we consider an electron-beam ion source that contains an electron gun consisting of a cathode, anode, and a focusing electrode, a partitioned electron drift structure, an electron collector, a focusing magnetic system, a working substance input system, a vacuum casing, and a vacuum pumping system [2]
In an electron-beam ion source, the electrons emitted by the cathode, accelerated and focused by means of the anode and focusing electrode, form an extended electron beam that passes inside the sectioned drift structure. The strong longitudinal magnetic field of the focusing solenoid holds the electron beam so that it retains the size of its cross section over the entire length of the drift structure. After leaving the magnetic field, the electron beam is defocused and falls on the inner surface of the cooled electron collector.

Низкозарядные ионы рабочего вещества вводятся импульсно в электронный пучок и удерживаются в нем его собственным пространственным зарядом и электрическими потенциальными барьерами на оконечных секциях структуры дрейфа. По прошествии определенного времени под действием электронной бомбардировки ионы достигают высокой зарядности и выводятся из ловушки вдоль электронного пучка в направлении прикладываемого к структуре дрейфа градиента электростатического потенциала (обычно в направлении электронного коллектора), покидая источник через отверстие в электронном коллекторе. Low-charged ions of the working substance are pulsed into the electron beam and are held there by its own space charge and electric potential barriers at the terminal sections of the drift structure. After a certain time, under the influence of electron bombardment, the ions reach a high charge and are removed from the trap along the electron beam in the direction of the electrostatic potential gradient applied to the drift structure (usually in the direction of the electron collector), leaving the source through the hole in the electron collector.

Электронно-лучевой ионный источник позволяет получать ионы предельно высоких зарядностей, такие как, например, Кr36⁺ и Хе54⁺. Однако недостатком этого типа ионного источника является то, что электроны пучка лишь однократно пролетают внутри ионной ловушки, что приводит к необходимости применения пучков больших токов (до 10 А и более) с целью увеличения количества получаемых ионов. Применение столь больших электронных токов вызывает значительные технические сложности, связанные как с отводом рассеиваемой на элементах источника мощности, так и с поведением ионэлектронной системы. В результате в настоящее время эффективно используются электронные пучки в 0,1-0,2 А, что приводит к соответствующему ограничению интенсивности ионных пучков из источника.The electron-beam ion source allows one to obtain ions of extremely high charges, such as, for example, Kr36 ⁺ and Xe54 ⁺ . However, the disadvantage of this type of ion source is that the electrons of the beam only fly once inside the ion trap, which leads to the need to use beams of high currents (up to 10 A or more) in order to increase the number of ions produced. The use of such large electronic currents causes significant technical difficulties associated with both the removal of the power source dissipated by the elements and the behavior of the ion-electron system. As a result, electron beams of 0.1-0.2 A are currently effectively used, which leads to a corresponding limitation of the intensity of ion beams from the source.

Целью изобретения является увеличение интенсивности ионных пучков из ионного источника и уменьшение мощности, рассеиваемой на его элементах. The aim of the invention is to increase the intensity of ion beams from an ion source and reduce the power dissipated on its elements.

Это достигается тем, что в предлагаемом 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. This is achieved by the fact that in the proposed ion source containing an electron gun (EP), consisting of a cathode, anode and a focusing electrode, an electron drift structure, an electron collector, a focusing magnetic system, a working substance input system and a vacuum casing, the cathode is made of two parts : the cathode itself, which is capable of emitting electrons, and the cathode disk surrounding it with a hole in the center, at the opposite end of the drift structure relative to the electron gun, an electron reflector assembly is installed coaxially with the latter of electrons, consisting of the actual reflector with a hole in the center, the focusing electrode of the electron reflector and the anode of the electron reflector, mounted in front of the reflector itself coaxially with the latter, and the electron collector, having a hole along the axis, is installed directly behind the anode of the electron gun and (or) in front of the reflector anode electrons.

Кроме того, для расширения возможностей ввода и экстракции ионов собственно катод ЭП выполнен в виде кольца или одного или нескольких эмиттеров электронов, расположенных в отверстии катодного диска, смещенно от его центра, при этом собственно отражатель электронов может не содержать отверстия в центре. In addition, to expand the possibilities of introducing and extracting ions, the EP cathode itself is made in the form of a ring or one or more electron emitters located in the hole of the cathode disk, offset from its center, while the electron reflector itself may not contain a hole in the center.

На фиг. 1 схематически изображен предлагаемый источник ионов. In FIG. 1 schematically shows the proposed ion source.

За исключением собственно катода 1 все элементы электронно-оптической системы и дрейфовой структуры 2-11 установлены на оси магнитного поля фокусирующего соленоида 12. With the exception of the cathode 1 itself, all the elements of the electron-optical system and the drift structure 2-11 are mounted on the axis of the magnetic field of the focusing solenoid 12.

Необходимым условием работы ионного источника является создание в его объеме сверхвысокого вакуума и сильного фокусирующего магнитного поля. Все элементы системы заключены в вакуумный кожух 14. A necessary condition for the operation of an ion source is the creation of an ultrahigh vacuum and a strong focusing magnetic field in its volume. All elements of the system are enclosed in a vacuum casing 14.

Ионный источник работает следующим образом. The ion source works as follows.

На собственно катод 1 и катодный диск 2 подается отрицательное напряжения U_kаt, а на собственно отражатель электронов 8 несколько более отрицательное напряжение U_ое, так что U_kаt U_ое, при этом потенциалы анода ЭП 4 и анода отражателя электронов 11, а также обоих коллекторов электронов 5 и 8 поддерживаются, например, равными нулю. На фокусирующий электрод ЭП 3 подается напряжение более отрицательное, чем на катод, а на фокусирующий электрод отражателя электронов 10 более отрицательное, чем на собственно отражатель 9. На структуру дрейфа электронов подается положительное напряжение с градиентом, например, в направлении отражателя электронов ОЭ. При включении подогрева собственно катода испускаемые им электроны ускоряются потенциалом анода ЭП, пролетают через отверстие ЭК1 5 внутрь структуры дрейфа электронов 6 и далее через отверстие ЭК2 8 и анода ОЭ 11 попадают в тормозящее электрическое поле отражателя ОЭ 9. Здесь электроны сначала замедляются, а потом отражаются от ОЭ 9, поскольку U_ое U_kаt. На обратном пути электроны вновь ускоряются анодом ОЭ, проходят структуру дрейфа, ЭК1, анод ЭП и, затормозившись в поле катода ЭП, отражаются обратно. Магнитное поле фокусирующего соленоида 12 удерживает электроны на их траекториях. Однако по мере увеличения числа отражений и накопления отрицательного пространственного заряда осциллирующих электронов, их траектории все больше смещаются от оси системы в радиальном направлении, что приводит к высадке электронов на коллектор электронов ЭК1 и ЭК2, а также на анод ЭП и анод ОЭ.In fact the cathode 1 and the cathode plate 2 is supplied a negative voltage U _kat and on the actual reflector electrons 8 somewhat more negative voltage U _th, so that U _kat U _th, the anode potentials EP 4 and anode electron reflector 11 and the two manifolds electrons 5 and 8 are maintained, for example, equal to zero. A voltage more negative is applied to the focusing electrode of EP 3 than to the cathode, and a more negative voltage is applied to the focusing electrode of electron reflector 10 than to reflector 9. A positive voltage with a gradient is applied to the electron drift structure, for example, in the direction of the electron reflector OE. When the cathode proper is turned on, the electrons emitted by it are accelerated by the potential of the EP anode, fly through the hole EC1 5 into the electron drift structure 6, and then through the hole EC2 8 and the anode OE 11 they enter the braking electric field of the OE 9 reflector. Here, the electrons are first decelerated and then reflected from OE 9 since U _th U _kat . On the way back, the electrons are again accelerated by the anode of the OE, go through the drift structure, EC1, the anode of the electron beam and, having braked in the field of the cathode of the electron beam, are reflected back. The magnetic field of the focusing solenoid 12 holds the electrons along their paths. However, as the number of reflections increases and the negative space charge of the oscillating electrons accumulates, their trajectories shift more and more from the system axis in the radial direction, which leads to the electron landing on the electron collector EK1 and EK2, as well as on the anode of the electron beam and the anode of the OE.

Экспериментально показано, что число отражений электронов может достигать 200 и более. Таким образом, при отборе электронного тока с собственно катода, например в 1мл эффективный электронный ток ионизирующего пучка составляет 200 мл. It has been experimentally shown that the number of electron reflections can reach 200 or more. Thus, when selecting the electron current from the cathode itself, for example, in 1 ml, the effective electron current of the ionizing beam is 200 ml.

Процесс инжекции, удержания и вывода ионов из пучка осциллирующих электронов осуществляется так же, как и в обычном электронно-лучевом ионном источнике. А именно: в начальный момент времени цикла ионизации на оконечных секциях 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 мм рт.ст.) давлении. Через определенное время потенциальный барьер подается на оконечную секцию 7в, а с оконечной секции 7б барьер снимается. Ионы рабочего газа удерживаются в пучке осциллирующих электронов между барьерами 7а и 7в. Под действием электронной бомбардировки зарядность ионов увеличивается, при достижении ионами нужной зарядности потенциалы секций структуры дрейфа между секциями 7а и 7б увеличиваются с одновременным созданием выводящего ионы градиента электрического потенциала. После вывода ионов через отверстие в собственно отражателе электронов цикл ионизации повторяется.The process of injection, confinement and removal of ions from a beam of oscillating electrons is carried out in the same way as in a conventional electron-beam ion source. Namely: at the initial time of the ionization cycle, potential barriers are created at the terminal sections of the drift structure 7a, b. Through the element 13 of the working gas input system, the working gas is introduced into the drift structure at a low (about 10 ^-7 mm Hg) pressure. After a certain time, the potential barrier is supplied to the terminal section 7b, and the barrier is removed from the terminal section 7b. The working gas ions are held in a beam of oscillating electrons between the barriers 7a and 7c. Under the influence of electronic bombardment, the charge of ions increases, when the ions reach the desired charge, the potentials of the sections of the structure of the drift between sections 7a and 7b increase with the simultaneous creation of an ion-potential gradient of electric potential. After the ions are removed through the hole in the electron reflector itself, the ionization cycle repeats.

Таким образом, применение предлагаемого источника ионов позволяет значительно (более чем в 100 раз) снизить рассеиваемую на элементах источника мощность, не уменьшая эффективность ионизации. Thus, the use of the proposed ion source allows you to significantly (more than 100 times) to reduce the power dissipated on the source elements, without reducing the ionization efficiency.

При необходимости инжектирования ионов рабочего вещества и/или вывода ионов из источника через катод ЭП центральная часть электронной пушки может быть освобождена путем выполнения собственно катода в виде кольца или одного или нескольких эмиттеров электронов смещенно от оси ЭП. If it is necessary to inject ions of the working substance and / or remove ions from the source through the cathode of the electron gun, the central part of the electron gun can be released by making the cathode itself in the form of a ring or one or more electron emitters offset from the axis of the electron gun.

Claims

1. An ion source containing an electron gun consisting of a cathode, anode and a focusing electrode, an electron drift structure, an electron collector, a focusing magnetic system, a working substance input system and a vacuum casing, characterized in that the cathode is made of two parts - the cathode itself, capable of emitting electrons, and the cathode disk surrounding it with a hole in the center, at the opposite end of the drift structure relative to the electron gun, an electron reflector assembly consisting of of the reflector itself with the hole in the center, focusing electrode and an anode reflector electrons electron reflector mounted in front of the actual reflector coaxially with the latter, and the electron collector having an opening along the axis, is mounted directly behind the anode of the electron gun and / or before the anode reflector electrons.

2. The source according to claim 1, characterized in that the cathode of the electron gun itself is made in the form of a ring.

3. The source according to claim 1, characterized in that the cathode of the electron gun itself is offset from the center of the cathode disk.

4. The source according to claim 1, characterized in that the cathode contains several cathodes proper, offset from the center of the cathode disk.