RU2728513C1 - Device for cluster ion ionisation - Google Patents
Device for cluster ion ionisation Download PDFInfo
- Publication number
- RU2728513C1 RU2728513C1 RU2019145114A RU2019145114A RU2728513C1 RU 2728513 C1 RU2728513 C1 RU 2728513C1 RU 2019145114 A RU2019145114 A RU 2019145114A RU 2019145114 A RU2019145114 A RU 2019145114A RU 2728513 C1 RU2728513 C1 RU 2728513C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- anode
- cathode
- center
- fixed
- ceramic base
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G21—NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
- G21K—TECHNIQUES FOR HANDLING PARTICLES OR IONISING RADIATION NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; IRRADIATION DEVICES; GAMMA RAY OR X-RAY MICROSCOPES
- G21K1/00—Arrangements for handling particles or ionising radiation, e.g. focusing or moderating
- G21K1/08—Deviation, concentration or focusing of the beam by electric or magnetic means
- G21K1/087—Deviation, concentration or focusing of the beam by electric or magnetic means by electrical means
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- High Energy & Nuclear Physics (AREA)
- Electron Sources, Ion Sources (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области кластерных ускорителей и их применения для обработки поверхности твердых материалов, а именно к зарядке кластерного пучка перед его ускорением в электрическом поле.The invention relates to the field of cluster accelerators and their application for surface treatment of solid materials, namely, to charging a cluster beam before accelerating it in an electric field.
Известно техническое решение, в котором используется спиральный катод, охватывающий сеточный анод, а фокусировка электронов осуществляется за счет эллиптического внешнего электрода [IONIZER FOR GAS CLUSTER ION FORMATION. Патент США 6629508 B2, от 7 октября 2003].Known technical solution, which uses a spiral cathode, covering the grid anode, and the focusing of electrons is carried out by means of an elliptical external electrode [IONIZER FOR GAS CLUSTER ION FORMATION. US Patent 6,629,508 B2, Oct. 7, 2003].
Недостатком данного технического решения является относительно высокая температура катода, наличие дополнительного устройства для подвода кластерных ионов и формирование пучка электронов в относительно малом объеме, что влечет низкую эффективность ионизации кластерных ионов.The disadvantages of this technical solution are the relatively high cathode temperature, the presence of an additional device for supplying cluster ions and the formation of an electron beam in a relatively small volume, which entails a low efficiency of ionization of cluster ions.
Наиболее близким техническим решением является решение, предложенное в патенте [RF ELECTRON SOURCE FOR IONIZING GAS CLUSTERS. Патент США 0166555 Al, от 2 июля 2009], в котором используется катод, анод и отражающий электрод. В качестве анода используется вольфрамовая нить, анод и отражающий электрод выполнены в виде сложных геометрических фигур. Катод и анод соединены между собой в форме треугольника с помощью керамических изоляторов и закреплены на керамическом основании. При этом геометрия анода, катода зависят от относительных расстояний между ними и от оси пучка нейтральных кластеров.The closest technical solution is the solution proposed in the patent [RF ELECTRON SOURCE FOR IONIZING GAS CLUSTERS. US patent 0166555 Al, dated July 2, 2009], which uses a cathode, anode and a reflective electrode. A tungsten filament is used as the anode, the anode and the reflecting electrode are made in the form of complex geometric shapes. The cathode and anode are interconnected in the form of a triangle by means of ceramic insulators and fixed on a ceramic base. In this case, the geometry of the anode and cathode depends on the relative distances between them and on the axis of the beam of neutral clusters.
Недостатком данного технического решения является относительно высокая температура катода и большие тепловые нагрузки узла ионизации, что приводит к разрушению кластерных ионов.The disadvantage of this technical solution is the relatively high cathode temperature and high thermal loads of the ionization unit, which leads to the destruction of cluster ions.
Задачей заявляемого технического решения состоит в снижении температуры катода и тепловых нагрузок на кластерные ионы.The objective of the proposed technical solution is to reduce the cathode temperature and thermal loads on cluster ions.
Технический результат - снижение количества разрушенных кластерных ионов.The technical result is a decrease in the number of destroyed cluster ions.
Для исключения указанных недостатков в устройстве для ионизации кластерных ионов, состоящем из анода и катода, закрепленных на керамическом основании, предлагается:To eliminate these disadvantages in a device for ionization of cluster ions, which consists of an anode and a cathode fixed on a ceramic base, it is proposed:
- катод выполнить из материала с низкой температурой эмиссии (ниже 1200 К);- the cathode is made of a material with a low emission temperature (below 1200 K);
- анод выполнить из полого кругового цилиндра, при этом на радиально противоположных стенках полого кругового цилиндра по всей его высоте вырезать части поверхностей под углом 30°-90°, которые закрыть металлической сеткой, закрепленной на аноде;- the anode is made from a hollow circular cylinder, while on the radially opposite walls of the hollow circular cylinder along its entire height, cut out parts of the surfaces at an angle of 30 ° -90 °, which are closed with a metal mesh fixed to the anode;
- устройство дополнить отражателем электронов, расположенным вокруг катода и анода, закрепленным на керамическом основании соосно с анодом;- supplement the device with an electron reflector located around the cathode and anode, fixed on a ceramic base coaxially with the anode;
- катод расположить на прямой линии, проходящей из центра оси симметрии через сетку анода;- place the cathode on a straight line passing from the center of the symmetry axis through the anode grid;
- при этом расстояние от центра оси симметрии до катода обеспечить большим, чем наружный радиус анода.- in this case, the distance from the center of the axis of symmetry to the cathode should be greater than the outer radius of the anode.
В частных случаях реализации устройства предлагается:In particular cases, the implementation of the device is proposed:
- во-первых, в отражателе электронов обеспечить потенциал не менее -600 В относительно катода;- firstly, ensure a potential of at least -600 V relative to the cathode in the electron reflector;
- во-вторых, катод расположить на прямой, проходящей из центра оси симметрии устройства через середину сетки анода на расстоянии не менее 1,1 внешнего радиуса анода.- secondly, place the cathode on a straight line passing from the center of the symmetry axis of the device through the middle of the anode grid at a distance of at least 1.1 of the outer radius of the anode.
Сущность предлагаемого технического решения поясняется фигурами чертежа устройства для ионизации кластерных ионов, где на фиг. 1 представлено продольное сечение устройства для ионизации кластерных ионов; на фиг. 2 - поперечное сечение устройства для ионизации кластерных ионов.The essence of the proposed technical solution is illustrated by the figures of the drawing of the device for ionizing cluster ions, where in Fig. 1 shows a longitudinal section of a device for ionizing cluster ions; in fig. 2 is a cross-section of a device for ionizing cluster ions.
На фиг. 1 и 2 приняты следующие позиционные обозначения: 1 - анод; 2 - катод; 3 - керамическое основание; 4 - отражатель электронов.FIG. 1 and 2 the following reference designations are adopted: 1 - anode; 2 - cathode; 3 - ceramic base; 4 - electron reflector.
Устройство для ионизации кластерных ионов включает анод 1, катод 2, керамическое основание 3 и отражатель электронов 4.The device for ionizing cluster ions includes
Анод 1 и катод 2 закреплены на керамическом основании 3.
Катод 2 изготовлен из материала с низкой температурой эмиссии (ниже 1200 К).
Анод 1 выполнен из полого кругового цилиндра, на радиально противоположных стенках которого по всей высоте вырезаны части поверхностей под углом 30°-90°, которые закрыты металлической сеткой, закрепленной на аноде. Сетка предназначена для прохождения электронов в центр устройства.The
Отражатель электронов 4 расположен вокруг катода 2 и анода 1. Отражатель электронов 4 предназначен для возврата в центр части электронов, выходящих из зоны взаимодействия с кластерными ионами.The
Отражатель электронов 4 закреплен на керамическом основании соосно с анодом 1.The
В частном случае отражатель электронов 4 имеет потенциал не менее -600 В относительно катода 2. Приложенный к отражателю электронов 4 отрицательный потенциал позволяет произвести дополнительное ускорение электронов.In a particular case, the
Катод 2 расположен на прямой линии, проходящей из центра оси симметрии через сетку анода 1.Cathode 2 is located on a straight line passing from the center of the symmetry axis through the grid of
Расстояние от центра оси симметрии до катода 2 превышает наружный радиус анода 1.The distance from the center of the symmetry axis to the
В частном случае катод 2 располагается на прямой, проходящей из центра оси симметрии устройства через середину сетки анода 1 на расстоянии не менее 1,1 внешнего радиуса анода 1. Такое расположение катода 2 позволяет обеспечить прохождение в центр устройства максимально возможного количества электронов.In a particular case, the
Устройство для ионизации кластерных ионов работает следующим образом.The device for ionizing cluster ions works as follows.
Кластерные ионы направляются в центр устройства для их ионизации электронным ударом. Поток электронов создается термоэлектронной эмиссией на поверхности катода 2. Поток электронов через сетку анода 1 направляется к центру устройства для ионизации кластерных ионов. При этом электроны, взаимодействуя с кластерными ионами, осуществляют их зарядку. Часть электронов, выходящая из зоны взаимодействия с кластерными ионами, возвращается в центр с помощью отражателя электронов 4. При этом приложенный к отражателю электронов 4 отрицательный потенциал позволяет произвести дополнительное ускорение электронов. При взаимодействии части электронов с внутренней сплошной непрозрачной для электронов поверхностью анода 1 создаются вторичные электроны. Вторичные электроны увеличивают плотность потока электронов, при этом повышается вероятность зарядки кластерных ионов.Cluster ions are directed to the center of the device to be ionized by electron impact. The flow of electrons is created by thermionic emission on the surface of the
Мощность теплового излучения с единицы площади на всех длинах волн, исходящая от катода 2 с температурой Т, определяется законом Стефана-Больцмана: М=εσТ4 [Вт/(м2)], где ε - безразмерный множитель, называемый коэффициентом излучения (коэффициентом черноты ε<1); σ=5,67⋅10-8 - постоянная Стефана-Больцмана [Вт/(м2⋅К4)]; Т - температура катода, К. При понижении температуры катода 2 уменьшение теплового потока обратно пропорционально снижению температуры катода 2 в четвертой степени. Следовательно, тепловой поток, поглощенный кластерными ионами, уменьшается и снижается количество разрушенных ионных кластеров. Это повышает эффективность работы устройства для ионизации кластерных ионов. Снижение температуры катода 2 с 2000 К до 1200 К, приводит к уменьшению тепловой потока в 20004/12004=7,7 раз. Тепловое излучение, поглощенное кластерными ионами при прохождении через устройство для ионизации кластерных ионов, также уменьшается в 7,7 раз.The power thermal radiation per unit area at all wavelengths originating from the
Экспериментально показано увеличение эффективности заряда кластерных ионов, определяемой регистрируемым током, более чем в 4 раза по сравнению с устройством, в котором катод 2 выполнен из материала с высокой температурой эмиссии (более 2000 К) и отсутствует отражатель электронов 4.An increase in the efficiency of the charge of cluster ions, determined by the recorded current, is experimentally shown by more than 4 times compared with a device in which
Пример конкретного выполнения устройства для ионизации кластерных ионов.An example of a specific implementation of a device for ionizing cluster ions.
Катод 2 выполнен из молибденового цилиндра с внешним диаметром 6 мм и высотой 150 мм, с толщиной стенки 1,5 мм.
По всей высоте на внешней поверхности катода 2 в поперечном направлении закреплена фольга из платины шириной 2 мм.A
Анод 1 выполнен в виде полого кругового цилиндра с внешним диаметром 25 мм и высотой 150 мм из фольги толщиной 0,5 мм.
На радиально противоположных стенках полого кругового цилиндра анода 1 по всей его высоте вырезаны части поверхностей под углом 90°.On the radially opposite walls of the hollow circular cylinder of the
Вырезанная поверхность анода 1 закрыта сеткой, которая закреплена на аноде 1.The cut surface of the
Сетка изготовлена из молибденовой проволоки диаметром 0,3 мм с радиальным и поперечным шагом 3 мм.The mesh is made of molybdenum wire 0.3 mm in diameter with a radial and transverse pitch of 3 mm.
Отражатель электронов 4 изготовлен в виде полого кругового цилиндра из нержавеющей стали с внешним диаметром 65 мм, высотой 150 мм и толщиной стенки 0,5 мм.The
Анод 1 и отражатель электронов 4 закреплены на керамическом основании 3 на одной оси.The
Керамическое основание 4 изготовлено в виде полого кругового цилиндра с внешним диаметром 60 мм, внутренним диаметром 22 мм и высотой 10 мм.
Катод 2 закреплен на керамическом основании на расстоянии 20 мм от оси симметрии.
Катод 2 располагается на прямой, проходящей из центра оси симметрии через середину, закрепленной на аноде сетки.
Созданная конструкция устройства для ионизации кластерных ионов позволила увеличить эффективность заряда кластерных ионов, определяемую регистрируемым током, в 2,5 раза по сравнению с использованием катода 2 с высокой температурой эмиссии (более 2000 К), и в 4,2 раза по сравнению с устройством, в котором катод 2 выполнен из материала высокой температурой эмиссии (более 2000 К) и отсутствует отражатель электронов 4.The developed design of the device for ionization of cluster ions made it possible to increase the efficiency of the charge of cluster ions, which is determined by the recorded current, by a factor of 2.5 compared with the use of
Claims (3)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2019145114A RU2728513C1 (en) | 2020-02-12 | 2020-02-12 | Device for cluster ion ionisation |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2019145114A RU2728513C1 (en) | 2020-02-12 | 2020-02-12 | Device for cluster ion ionisation |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2728513C1 true RU2728513C1 (en) | 2020-07-30 |
Family
ID=72086094
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2019145114A RU2728513C1 (en) | 2020-02-12 | 2020-02-12 | Device for cluster ion ionisation |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2728513C1 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2796652C1 (en) * | 2022-12-30 | 2023-05-29 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный университет имени М.В.Ломоносова" (МГУ) | Device for forming a beam of cluster or atomic ions of gas |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US7365341B2 (en) * | 2004-12-03 | 2008-04-29 | Canon Kabushiki Kaisha | Gas cluster ion beam emitting apparatus and method for ionization of gas cluster |
RU2560108C1 (en) * | 2014-04-21 | 2015-08-20 | Федеральное государственное бюджетное учреждение Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт" "Государственный научный центр Российской Федерации-Институт Теоретической и Экспериментальной Физики" | High-frequency structure for accelerating cluster ions |
CA2790805C (en) * | 2010-02-24 | 2018-06-05 | Siemens Aktiengesellschaft | Rf resonator cavity and accelerator |
RU2688865C2 (en) * | 2016-11-02 | 2019-05-22 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем технологии микроэлектроники и особочистых материалов Российской академии наук (ИПТМ РАН) | Method of modifying nanostructures of electronic engineering materials with gas cluster ions |
-
2020
- 2020-02-12 RU RU2019145114A patent/RU2728513C1/en active
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US7365341B2 (en) * | 2004-12-03 | 2008-04-29 | Canon Kabushiki Kaisha | Gas cluster ion beam emitting apparatus and method for ionization of gas cluster |
CA2790805C (en) * | 2010-02-24 | 2018-06-05 | Siemens Aktiengesellschaft | Rf resonator cavity and accelerator |
RU2560108C1 (en) * | 2014-04-21 | 2015-08-20 | Федеральное государственное бюджетное учреждение Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт" "Государственный научный центр Российской Федерации-Институт Теоретической и Экспериментальной Физики" | High-frequency structure for accelerating cluster ions |
RU2688865C2 (en) * | 2016-11-02 | 2019-05-22 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем технологии микроэлектроники и особочистых материалов Российской академии наук (ИПТМ РАН) | Method of modifying nanostructures of electronic engineering materials with gas cluster ions |
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
Д.С.Киреев и др., УСКОРИТЕЛЬ КЛАСТЕРНЫХ ИОНОВ И ЕГО ПРИМЕНЕНИЕ ДЛЯ СВЕРХТОЧНОЙ ПОЛИРОВКИ ПОВЕРХНОСТИ, Вестник РГРТУ. 2018. No 66.Часть 2, с. 40-43. * |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2796652C1 (en) * | 2022-12-30 | 2023-05-29 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный университет имени М.В.Ломоносова" (МГУ) | Device for forming a beam of cluster or atomic ions of gas |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP4832285B2 (en) | X-ray source | |
US8094784B2 (en) | X-ray sources | |
US5128977A (en) | X-ray tube | |
US20160343533A1 (en) | X-Ray Sources | |
JP2007066694A (en) | X-ray tube | |
US20130121473A1 (en) | Radiation generating tube and radiation generating apparatus using the same | |
US11101096B2 (en) | High dose output, through transmission and relective target X-ray system and methods of use | |
US5206895A (en) | X-ray tube | |
JPH0624099B2 (en) | Improved electron gun | |
CN110942967B (en) | X-ray tube | |
RU2728513C1 (en) | Device for cluster ion ionisation | |
US4891525A (en) | SKM ion source | |
RU2654494C1 (en) | Vacuum spark discharger | |
JP3696079B2 (en) | Inertial electrostatic confinement device | |
US10971322B2 (en) | Electron gun, X-ray generation apparatus, and X-ray imaging apparatus | |
US4839554A (en) | Apparatus for forming an electron beam sheet | |
JPS594819B2 (en) | ion source | |
RU2089053C1 (en) | Accelerating tube of electrostatic accelerator | |
US3406305A (en) | High power electron gun with electron bombarded apertured cathode having a concave emission surface | |
WO2024190670A1 (en) | Electron beam emission structure and field emission device | |
RU2331135C1 (en) | Multi-beam electron gun | |
RU2306683C1 (en) | Plasma electron source | |
JPS6229862B2 (en) | ||
EP4100990A1 (en) | Device for generating negative ions | |
JPH02267837A (en) | Ion source for large ion current with large diameter |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
QB4A | Licence on use of patent |
Free format text: LICENCE FORMERLY AGREED ON 20211123 Effective date: 20211123 |