RU2022392C1

RU2022392C1 - Oxygen or halogen negative ion source

Info

Publication number: RU2022392C1
Authority: RU
Inventors: Г.Д. Танцырев; Г.Ю. Ляпин
Original assignee: Институт энергетических проблем химической физики РАН
Priority date: 1992-01-21
Filing date: 1992-01-21
Publication date: 1994-10-30

Abstract

FIELD: acceleration engineering. SUBSTANCE: source has gas discharge chamber provided with cold cathode and anode, which are mounted in align relatively magnetic field induction vector in space of the chamber. Source also has system for forming negative ion beam and system for separating ions from attendant electrons. Cold cathode is made of oxide material or of halogen salt. Negative oxygen ions of ions of halogens are formed from gas discharge when bombarding of the cathode by positive ions is carried out. The gas discharge is initiated between anode and cathode in axial magnetic field when inert gas is leaked-in into discharge chamber. EFFECT: improved efficiency. 3 dwg

Description

Изобретение относится к устройствам для получения ионных пучков, а более конкретно - к устройствам ионных источников отрицательных ионов, которые могут применяться в ускорительной технике, масс-спектрометрии, технике получения нейтральных атомов. The invention relates to devices for producing ion beams, and more particularly to devices for ion sources of negative ions, which can be used in accelerator technology, mass spectrometry, and the technology of producing neutral atoms.

Известны источники, в которых отрицательные ионы кислорода получают путем пропускания через соответствующий газ, например O₂, NO, NO₂, электронов с низкой энергией. При взаимодействии электронов с молекулами газа происходит их диссоциация с образованием O^- [1].Sources are known in which negative oxygen ions are obtained by passing through an appropriate gas, for example O ₂ , NO, NO ₂ , low-energy electrons. When electrons interact with gas molecules, they dissociate to form O ^- [1].

Известны источники, в которых генерация отрицательных ионов осуществляется в разряде Пеннинга с холодным катодом [2]. Sources are known in which the generation of negative ions is carried out in a Penning discharge with a cold cathode [2].

Однако используемые источники отрицательных ионов имеют сложную конструкцию и для своей работы обычно требуют напуска в вакуумную систему агрессивных газов. However, the sources of negative ions used have a complex structure and usually require aggressive gases to be introduced into the vacuum system for their operation.

Наиболее близким к изобретению техническим решением является устройство ионного источника с разрядом Пеннинга [2]. Источник работает следующим образом. Газоразрядная система - трубка Пеннинга образована полюсными наконечниками постоянного магнита, выполняющими функцию катодов, и медным прямоугольным анодом. Рабочий газ - кислород поступает внутрь анода. Между анодом и катодом прикладывается напряжение, в результате чего зажигается разряд. Образующиеся в разряде отрицательные ионы кислорода вытягиваются через отверстие в стенке анода вытягивающим электродом. После ускорения ионы одиночной линзой фокусируются в пучок и очищаются от сопутствующих электронов поперечным магнитным полем. Closest to the invention, the technical solution is the device of an ion source with a Penning discharge [2]. The source works as follows. Gas-discharge system - the Penning tube is formed by the pole tips of a permanent magnet that perform the function of cathodes, and a copper rectangular anode. Working gas - oxygen enters the anode. A voltage is applied between the anode and cathode, as a result of which a discharge is ignited. Negative oxygen ions formed in the discharge are drawn through a hole in the anode wall by a pulling electrode. After acceleration, ions with a single lens are focused into the beam and are cleared of accompanying electrons by a transverse magnetic field.

Цель изобретения - упрощение конструкции ионного источника и улучшение условий работы за счет отказа от использования агрессивных газов. Сущность изобретения состоит в том, что для получения отрицательных ионов кислорода O^- и галогенов F^-, Cl^- и I^- используется вторичная ионная эмиссия этих ионов из окисленного вещества или солей галогенов, например NaF, NaCl. При бомбардировке таких материалов положительными ионами с энергией в несколько кэВ наблюдается большой выход отрицательных ионов O^-, Cl^-, F^-, I^-.The purpose of the invention is to simplify the design of the ion source and improve working conditions due to the rejection of the use of aggressive gases. The essence of the invention lies in the fact that for the production of negative oxygen ions O ^- and halogens F ^- , Cl ^- and I ^- secondary ion emission of these ions from oxidized substances or halogen salts, for example NaF, NaCl, is used. When such materials are bombarded with positive ions with an energy of several keV, a large yield of negative ions O ^- , Cl ^- , F ^- , I ^{- is} observed.

Цель достигается тем, что в ионный источник, содержащий газоразрядную камеру с холодным катодом и анодом, в котором выполнено отверстие для извлечения ионов, источник рабочего вещества, магнитную систему, систему извлечения и фокусировки пучка отрицательных ионов и систему сепарации ионов от сопутствующих электронов, напускается инертный газ. При подаче напряжения между анодом и катодом в камере зажигается разряд. Положительные ионы, образующиеся в разряде, ускоряются электрическим полем к катоду, который покрыт рабочим веществом, и бомбардируют его. В результате такой бомбардировки из катода выбиваются отрицательные ионы кислорода или галогенов, которые тем же электрическим полем ускоряются в сторону анода. Дойдя до анода, они приобретают энергию, соответствующую напряжению, приложенному между анодом и катодом. В центре анода имеется отверстие, через которое часть ионов выходит из разрядного промежутка. Для фокусировки образующегося пучка ионов за анодом установлена фокусирующая система. Для удаления из пучка электронов используется магнит и отклоняющий конденсатор. The goal is achieved by the fact that an inert ion is introduced into an ion source containing a gas discharge chamber with a cold cathode and anode, in which a hole for extracting ions is made, a source of a working substance, a magnetic system, a system for extracting and focusing a beam of negative ions, and a system for separating ions from accompanying electrons gas. When voltage is applied between the anode and cathode, a discharge is ignited in the chamber. Positive ions formed in the discharge are accelerated by the electric field to the cathode, which is covered with the working substance, and bombard it. As a result of such a bombardment, negative oxygen or halogen ions are knocked out of the cathode, which are accelerated towards the anode by the same electric field. When they reach the anode, they acquire energy corresponding to the voltage applied between the anode and cathode. In the center of the anode there is a hole through which part of the ions leaves the discharge gap. A focusing system is installed behind the anode to focus the resulting ion beam. A magnet and a deflecting capacitor are used to remove electrons from the electron beam.

На фиг. 1 изображена схема предлагаемого устройства; на фиг. 2 - масс-спектр пучка ионов, который выходит из источника при использовании в качестве катода окисленного кремния и газового разряда в аргоне; на фиг. 3 - масс-спектр пучка ионов, который выходит из источника при использовании в качестве катода соли NaF и газового разряда в аргоне. In FIG. 1 shows a diagram of the proposed device; in FIG. 2 - mass spectrum of an ion beam that leaves the source when using oxidized silicon and a gas discharge in argon as a cathode; in FIG. 3 - mass spectrum of an ion beam that leaves the source when using NaF salt and a gas discharge in argon as a cathode.

Устройство состоит из цилиндрической вакуумной камеры 1, изготовленной из немагнитного металла. В камере имеется патрубок 2 для напуска газа в разрядный промежуток. В торце камеры на изоляторе установлен холодный катод 3, на который подается отрицательный потенциал. Анод 4 закреплен непосредственно в камере и имеет в центре отверстие для выхода отрицательных ионов. Анод выполняет также функцию диафрагмы, которая обеспечивает повышенное давление газа в разрядном промежутке. Цилиндрический магнит 5 создает в области разряда аксиальное магнитное поле, которое обеспечивает зажигание разряда при более низких давлениях газа и концентрирует плазму вблизи оси источника. За диафрагмой установлены электростатическая линза 6 для фокусировки пучка ионов, постоянный магнит 7 для удаления электронов из пучка и отклоняющий конденсатор 8 для коррекции направления движения ионов. Энергия ионов в пучке определяется разностью потенциалов между анодом и катодом, а разброс по энергиям - разбросом вторичных ионов по начальным кинетическим энергиям, который не превышает нескольких эВ. The device consists of a cylindrical vacuum chamber 1 made of non-magnetic metal. The chamber has a pipe 2 for inlet of gas into the discharge gap. At the end of the chamber, a cold cathode 3 is installed on the insulator, to which a negative potential is supplied. Anode 4 is fixed directly in the chamber and has a hole in the center for the exit of negative ions. The anode also performs the function of the diaphragm, which provides increased gas pressure in the discharge gap. The cylindrical magnet 5 creates an axial magnetic field in the discharge region, which provides ignition of the discharge at lower gas pressures and concentrates the plasma near the source axis. Behind the diaphragm there is an electrostatic lens 6 for focusing the ion beam, a permanent magnet 7 for removing electrons from the beam, and a deflecting capacitor 8 for correcting the direction of movement of the ions. The ion energy in the beam is determined by the potential difference between the anode and cathode, and the energy spread is determined by the spread of secondary ions in the initial kinetic energies, which does not exceed several eV.

Для проверки работоспособности данного устройства использовался ионный источник с вакуумной камерой диаметром 60 мм, изготовленной из нержавеющей стали. Катод диаметром 10 мм изготавливают из окисленного кремния или соли NaF. Анод-диафрагму с отверстием в центре 0,5 мм изготавливают из нержавеющей стали и устанавливают на расстоянии 20 мм от катода. Аксиальное магнитное поле с напряженностью 80 мТ создают с помощью кольцевого постоянного магнита. При разности потенциалов между катодом и анодом 4 кВ и при давлении аргона в области разряда 10^-5 Торр ток разряда составляет 4 мА. При этом ток отрицательных ионов кислорода или фтора на выходе источника составляет 10^-7 А.To test the operability of this device, an ion source with a 60 mm diameter vacuum chamber made of stainless steel was used. A cathode with a diameter of 10 mm is made of oxidized silicon or NaF salt. The anode diaphragm with a hole in the center of 0.5 mm is made of stainless steel and installed at a distance of 20 mm from the cathode. An axial magnetic field with a strength of 80 mT is generated using an annular permanent magnet. With a potential difference between the cathode and anode of 4 kV and an argon pressure in the discharge region of 10 ^-5 Torr, the discharge current is 4 mA. In this case, the current of negative oxygen or fluorine ions at the source output is 10 ^-7 A.

Состав ионного пучка, выходящего из источника, был проанализирован с помощью масс-спектрометра. На фиг. 2 показан масс-спектр пучка, полученного при использовании в качестве катода окисленного кремния. Кроме ионов O^- в пучке присутствует небольшое количество ионов OH^- (несколько процентов). На фиг. 3 показан масс-спектр пучка, полученного при использовании в качестве катода соли NaF. Кроме ионов F^- в пучке присутствует небольшое количество ионов O^-.The composition of the ion beam emerging from the source was analyzed using a mass spectrometer. In FIG. 2 shows the mass spectrum of a beam obtained using oxidized silicon as a cathode. In addition to O ^- ions, a small amount of OH ^- ions ^is present in the beam (a few percent). In FIG. Figure 3 shows the mass spectrum of a beam obtained using NaF salt as a cathode. In addition to F ^- ions, a small amount of O ^- ions ^is present in the beam.

Таким образом предлагаемое устройство, которое отличается высокой эффективностью, простотой конструкции, позволяет получать интенсивные и достаточно чистые пучки отрицательных атомарных ионов кислорода и галогенов с малым разбросом по кинетическим энергиям. Thus, the proposed device, which is characterized by high efficiency, simplicity of design, allows to obtain intense and fairly clean beams of negative atomic oxygen ions and halogens with a small spread in kinetic energies.

Claims

SOURCE OF NEGATIVE OXYGEN IONS OR HALOGEN IONS, containing a gas discharge chamber with a cold cathode and anode, in which a hole is made for extracting ions, a source of working substance, a magnetic system, a system for extracting and forming a beam of negative ions and a system for separating ions from related electrons, characterized in that that the cathode serving as a source of the working substance is made of an oxide material or a halogen salt, while the gas discharge chamber is connected to an inert gas supply system, and the cathode and an The odds are set coaxially with respect to the magnetic field induction vector in the chamber cavity.