Способ импульсного ввода ионовв электронный пучок
Иллюстрации
Реферат
Союз Советских
Социалистических
Республик
ОПИСАНИЕ
ИЗОБРЕТЕНИЯ
К АВТОРСКОМУ СВИ ИТЕЛЬСТВУ (61) Дополнительное к евт. сеид-ву— (22) Заявлено 211177 (21) 2545843/18-25 (53)M. КЛ. с присоединением заявки HP(23) Приоритет—
Н 05 Н 9/00
Н 01 g 3/04
Государственный комитет
С,ССР ио делам изобретений и открытий
Опубликовано 070881 Бюллетень Ио 29
Ю) ПЖ621. 384. 6 (088. 8) Дата опубликования описания 070881 (72) Авторы изобретения
E.Ä.Äîíåö и A.H.Ïèêèí
{71) Заявитель
Объединенный институт ядерных исследований (54) СПОСОБ ИМПУЛЬСНОГО ВВОДА ИОНОВ
В ЭЛЕКТРОННЫЙ ПУЧОК
Изобретение относится к ускорительной технике, преимущественно к технике ускорения многозарядных ионов, и может быть использовано при получении пучков многозарядных ионов иэ ионных источников.
В технике элетронно-лучевых ионных источников в настоящее время идет поиск наилучших способов импульсного ввода ионов в электронный пучок. В частности, имеется проект создания импульсного потока атомов рабочего вещества, пересекающего электронный пучок или направленного вдоль него.
Ионы, возникающие в результате атом-электронного взаимодействия, считаются введенными в электронный пучок (1$. Реализация этого способа, однако, сопряжена с необходимостью разработки сложной аппаратуры для создания импульсного атомарного потока и имеет ряд других недостатков °
Известен способ ввода ионов в электронный пучок P), состоящий в том, что электронный пучок некоторой начальной плотности пропускают через объем, содержащий атомы рабочего вещества, нахапливают образующиеся ионы в объеме пучка посредством ихак- З0 сиального запирания барьерами электрического потенциала в оконечных участках пучка, затем, после накопления определенного количества ионов, исключают место их поступления в пучок из объему электростатической ионной ловушки путем перенесения места потенциального барьера, а накопленые ионы стягивают в приаксиальную область электронного пучка .путем увеличения его rmoTHocTH.
Основной недостаток этого способа состоит в том, что ионы в электронном пучке к концу процесса ввода обладают достаточно большими радиальными скоростями, в реальных случаях сравнимыми с глубиной электростатической ловушки в области электронного пучка. Причиной этого является увеличение энергии радиальных колебаний ионов.при стягивании их .в приаксиальную область электронного пучка путем адиабатического увеличения его плотности.
Действительно, при адиабатическом увеличении плотности электронного луча увеличивается глубина радиального провисания потенциала, обусловленного пространственным зарядом электронного пучка, Ион, совершающий
741766 радиальные колебания в поле такого потенциала, всякий раз после остановки в точке максимального радиального отклонения при движении к оси пучка
"видит" увеличивающуюся глубину потенциальной ямы, что в частности, и приводит к увеличению энергии радиальных колебаний иона.
Наличие у ионов с самого начала процесса ионизации, т.е. сразу же после ввода их в электронный пучок, значительной эн ргии радиальных колебаний, сравнимой с энергией, достаточной для преодоления потенциального барьера электростатической ионной ловушки, затрудняет их удержание в области электронного пучка и приво1с дит к тому, что приобретая в процессе ионизации дополнительную энергию от электронного пучка, ионы уходят из электростатической ловушки. Тем самым снижается интенсивность иод- О ного пучка и уменьшается предельно достижимая зарядность ионов в элект. ронно-лучевом ионном источнике.
Целью настоящего изобретения является увеличение интенсивности ион- 25 ного пучка и увеличение зарядности ионов на выходе электронно-лучевого ионного источника.
Поставленная цель достигается тем, что при импульсном вводе ионов щ в электронный пучок электронно-лучевого ионного источника способом, включающим пропускание электронного пучка через объем, содержащий атомы рабочего вещества, накопление ионов в объеме пучка посредством их аксиального запирания двумя барьерами электрического потенциала в оконечных участках пучка и исключение из объема электростатической ионной ловушки места поступления ионов в
40 пучок путем перенесения одного потенциального барьера, накопление ионов ведут только в приаксиальной области электронного пучка. Для этого глубину аксиального запирания устанав-4$ ливают существенно меньшей радиального провисания потенциала электронного пучка, свободного от ионов, и накапливают ионы в течение времени, необходимого для их термализации. Пос-gg ле накопления ионов тепловых энергий и исключения из объема ловушки места поступления ионов глубину аксиального запирания увеличивают до уровня радиального провисания потенциалов свободного электронного пучка, причем
ypoaWb аксиального запирания при накоплении ионов выбирают так, чтобы отношение всего объема электронного пучка в пределах ловушки к объему указанной приаксиальной области было 4© равно отношению ионных зарядов в конце процесса ионизации и в конце накопления.
Накопление ионов лишь в приаксиальной области, а не во всем объеме элект45
Ронного пучка позволяет получить к началу процесса ионизации столб ионов с энергиями, близкими к тепловым а
1 дальнейшее увеличение уровня аксиального запирания превращает в электростатическую ловушку весь объем электронного пучка. Теперь ионы в процессе ионизации могут"растекаться" в радиальном направлении, не покидая ловушки.
На чертеже изображены картины распределения электрических потенциалов вдоль оси электронного пучка в течение всего процесса ввода в него ионов по предлагаемому способу.
Электронный пучок распространяется в секционированной трубке дрейфа вдоль оси Х.
Точка L указывает место, вблизи которого пучок проходит через объем, содержащий атомы рабочего вещества.
EN — аксиальный размер ловушки при накоплении ионов.
Мй — аксиальный размер ловушки после окончания ввода ионов в пучок.
О„ — значение потенциала на секциях трубки дрейфа в области вершин аксиальных потенциальных барьеров.
U<- значение потенциалов на секциях трубки дрейфа в области электростатических ловушек KN u MN в процессе накопления ионов и после его окончания.
U>- значение потенциала на секциях трубки дрейфа в области электростатической ловушки MN после окончания ввода ионов в пучок и в начале процесса ионизации, 0 -U равно провисанию потенциала в электронном пучке, свободном от ионов. Распределения потенциалов, соответствующие накоплению ионов, А, окончанию накопления — В и началу ионизации — С, создаются прикладыванием необходимых потенциалов к соответствующим секциям трубки дрейфа.
Процесс ввода ионов в электронный пучок происходит следующим образом.
Вдоль электронного пучка создается распределение потенциалов A. Поскольку при этом глубина запирания U„ -U< значительно меньше, чем провисание потенциала в свободном пучке Ц -U запертым в ловушке KN оказываются лишь ионы, возникающие в некоторой приаксиальной области, радиальный размер которой определяется отношеU - нием - . При накоплении ионов
0л-О в приаксиальной области происходит компейсация пространственного заряда электронов, и суммарный потенциал этой области возрастает. Это приводит к тому, что часть ионов, введенных в пучок ранее, может покинуть за счет своих кинетических энергий ловушку в аксиальном направлении. Процесс накопления продолжается до тех пор, пока в ловушке накопятся лишь ионы энергий, близких к тепловым, про741766 изойдет термализация ионов. Время этого процесса определяется концентрацией атомов газа рабочего вещества вблизи точки L, родом газа, энергией электронного пучка и отношением дли ;ны ловушки Кй к длине объема, содержащего атомы рабочего вещества.
Можно показать, что термализация ионов наступает после генерации в приаксиальной области ионного заряда, необходимого для примерно 10кратной перекомпенсации пространственного заряда электронов в этой области. ПОсле окончания процесса термализации создается распределение потенциалов В, потенциал вблизи точки увеличивается, место ввода отсекается от электростатической ловушки.
После этого создается распределение потенциалов С. При этом все пространство электронного пучка становится электростатической ловушкой MN. Ионы 20 обладают энергиями, близкими к тепловым, и находятся в приаксиальной области пучка.
Пространственный заряд электронного пучка будет использован в мак- 5 симальной степени, если к концу процесса ионизации положительный ионный заряд возрастет настолько, что заряд всего электронного пучка будет скомпенсирован ионами. В этом случае при равномерной плотности электронного пучка радиус r приаксиальной области, в которой йроисходит накопление ионов с начальной средней зарядностью го ж н с Радиусом элек- 35 .тронного пучка гб и конечной средней зарядностью ионов г< следующим соотношением:
В соответствии с этим выбирается глубина запирания при накоплении ионов
Использование предлагаемого способа импульсного ввода ионов по сравнению с известным позволяет увеличить время пребывания ионов в электронном пучке и тем самым повысить количество и эарядность ионов на выходе из ионного источника. Это особенно важно при использовании электронно-лучевого Ю ионного источника для релятивистских ускорителей тяжелых ионов, когда непосредственно в источнике получаются пучки ядер неона, аргона и др., пол- ностью лишенных электродов.
Зкспериментально доказано, что использование предложенного метода на электронно-лучевых ионных источниках позволяет увеличить эффективное время пребывания ионов в пучках в 1,3-2 раза. При этом соответственно возрастает эффективность ионизации.
Формула изобретения
Способ импульсного ввода ионов в электронный пучок электронно-лучевого ионного источника, включающий пропускание электронного пучка через объем, содержащий атомы рабочего вещества, накопление образующихся ионов в объеме пучка посредством их аксиального запирания двумя барьерами электрических потенциалов и исключение из объема ионной ловушки места поступления ионов в пучок путем перенесения одного потенциального барьера, отличающийся тем, что, с целью увеличения интенсивности ионного пучка и увеличения зарядности ионов, ионы накапливают только в приаксиальной области электронного пучка в течение времени, необходимого для их термализации, установив глубину аксиального запирания меньшей радиального провисания потенциала электронного пучка, свободного от ионов, а после исключения из объема ловушки места поступления ионов увеличивают глубину аксиального запира-, ния до уровня радиального провисания потенциала свободного электронного пучка, причем уровень запирания при накоплении ионов выбирают таким, что отношение всего объема электронного пучка на длине ловушки к объему указанной приаксиальной области равно отношению ионных зарядов в конце ионизации и в конце накопления.
Источники информации, принятые во внимание при экспертизе
1 ° Авторское свидетельство СССР
Р 248860, кл. Н 05 H 7/00, 1969.
2. Авторское свидетельство СССР
Р 375708, кл. Н 05 Н 7/00, 1973 (прототип).
741766
Составитель Н. Валуев
Техред T .. Маточка Корректор E. Рошко
Редактор Т. Федотов
Ф
Заказ 5922/50 Тираж 889 Подписное
ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий
113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5
Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4