источник отрицательных ионов кислорода или ионов галогенов

Формула изобретения

ИСТОЧНИК ОТРИЦАТЕЛЬНЫХ ИОНОВ КИСЛОРОДА ИЛИ ИОНОВ ГАЛОГЕНОВ, содержащий газоразрядную камеру с холодным катодом и анодом, в котором выполнено отверстие для извлечения ионов, источник рабочего вещества, магнитную систему, систему извлечения и формирования пучка отрицательных ионов и систему сепарации ионов от сопутствующих электронов, отличающийся тем, что катод, служащий источником рабочего вещества, выполнен из оксидного материала или соли галогена, при этом газоразрядная камера соединена с системой подачи инертного газа, а катод и анод установлены соосно относительно вектора индукции магнитного поля в полости камеры.

Описание изобретения к патенту

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.

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].

Известны источники, в которых генерация отрицательных ионов осуществляется в разряде Пеннинга с холодным катодом [2].

Однако используемые источники отрицательных ионов имеют сложную конструкцию и для своей работы обычно требуют напуска в вакуумную систему агрессивных газов.

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.

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^-.

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.

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.

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.

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.

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^-.

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.