Способ импульсного ввода ионовв электронный пучок

Союз Советских Социалистических РеспубликОПИСАНИЕИЗОБРЕТЕНИЯК АВТОРСКОМУ СВИ ИТЕЛЬСТВУ(22) Заявлено 211177 (21) 2545843/18-25 (5 т)М. КЛ. с присоединением заявки Йо(23) Приоритет -Н 05 Н 9/00 Н 01 Д 3/04 Государственный комитет С,ССР ио делам изобретений и открытий(088. 8) Дата опубликования описания 070881(71) Заявитель Объединенный институт ядерных исследований(54) СПОСОБ ИМПУЛЬСНОГО ВВОДА ИОНОВ В ЭЛЕКТРОННЫЙ ПУЧОКИзобретение 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 11. Реализация этого способа, однако, сопряжена с необходимостью разработки сложной аппаратуры для 2 О создания импульсного атомарного потока и имеет ряд других недостатковИзвестен способ ввода ионов в элен. тронный пучок 2, состоящий в том, что электронный пучок некоторой начальной плотности пропускают через объем, содержащий атомы рабочего вещества, нахапливают образующиеся ионы в объеме пучка посредством ихак- ЗО сиального запирания барьерами электрического потенциала в оконечных участках пучка, затем, после накопле" ния 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 плотности.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, совершающийРадиальные колебания в поле такогопотенциала, всякий раз после остановки в точке максимального радиальногоотклонения при движении к оси пучка"видит" увеличивающуюся глубину потенциальной ямы, что в частности,и приводит к увеличению энергиирадиальных колебаний иона,Наличие у ионов с самого началапроцесса ионизации, т,е. сразу же после ввода их в электронный пучок, значительной энергии радиальных колебаний, сравнимой с энергией, достаточной для преодоления потенциальногобарьера электростатической ионнойловушки, затрудняет их удержание вобласти электронного пучка и приво 1 сдит к тому, что приобретая в процессе ионизации дополнительную энергиюот электронного пучка, ионы уходятиз электростатической ловушки, Темсамым снижается интенсивность иодного пучка и уменьшается предельнодостижимая зарядность ионов в электронно-лучевом ионном источнике.Целью настоящего изобретенияявляется увеличение интенсивности ион 25ного пучка и увеличение зарядностиионов на выходе электронно-лучевогоионного источника.Поставленная цель достигаетсятем, что при импульсном вводе ионов З 0в электронный пучок электронно-лучевого ионного источника способом,включающим пропускание электронногопучка через объем, содержащий атомырабочего вещества, накопление ионовв объеме пучка посредством их аксиального запирания двумя барьерамиэлектрического потенциала в оконечных участках пучка и исключение изобъема электростатической ионнойловушки места поступления ионов в40пучок путем перенесения одного потенциального барьера, накоплениеионов ведут только в приаксиальнойобласти электронного пучка. Для этогоглубину аксиального запирания устанав ливают существенно меньшей радиального провисания потенциала электронного пучка, свободного от ионов, и накапливают ионы в течение времени,необходимого для их термализации, Пос-щоле накопления ионов тепловых энергийи исключения из объема ловушки местапоступления ионов глубину аксиальногозапирания увеличивают до уровня радиального провисания потенциалов свободного электронного пучка, причемуровазь аксиального запирания при накоплении ионов выбирают так, чтобыотношение всего объема электронногопучка в пределах ловушки к объемууказанной приаксиальной области было 40равно отношению ионных зарядов вконце процесса ионизации и в конценакопления,Накопление ионов лишь в приаксиальной области, а не во всем объеме элект 45 ронного пучка позволяет получить кначалу процесса ионизации столб ионовс энергиями, близкими к тепловым а1дальнейшее увеличение уровня аксиального запирания превращает в электростатическую ловушку весь объемэлектронного пучка, Теперь ионы в процессе ионизации могут"растекаться" врадиальном направлении, не покидаяловушки.На чертеже изображены картиныраспределения электрических потенциалов вдоль оси электронного пучкав течение всего процесса ввода внего ионов по предлагаемому способу.Электронный пучок распространяЕтся в секционированной трубке дрейфавдоль оси Х,Точкауказывает место, вблизикоторого пучок проходит через объем,содержащий атомы рабочего вещества,Ей - аксиальный размер ловушкипри накоплении ионов.Мй - аксиальный размер ловушкипосле окончания ввода ионов в пучок.О 1 - значение потенциала на секциях трубки дрейфа в области вершинаксиальных потенциальных барьеров,О- значение потенциалов на секциях трубки дрейфа в области электростатических ловушек Кй и Мй в процессе накопления ионов и после егоокончания.О- значение потенциала на секцияхтрубки дрейфа в области электростатической ловушки ММ после окончанияввода ионов в пучок и в начале процесса ионизации,О -Оравно провисанию потенциалав электронном пучке, свободном отионов. Распределения потенциалов,соответствующие накоплению ионов,А, окончанию накопления - В и началуионизации - С, создаются прикладыванием необходимых потенциалов к соответствующим секциям трубки дрейфа.Процесс ввода ионов в электронныйпучок происходит следующим образом.Вдоль электронного пучка создаетсяраспределение потенциалов А, Поскольку при этом глубина запирания О -Означительно меньше, чем провисаниепотенциала в свободном пучке О -Озапертым в ловушке Кй оказываютсялишь ионы, возникающие в некоторойприаксиальной области, радиальныйразмер которой определяется отноше-унием ф . При накоплении ионовОл-Оъв приаксиальной области происходиткомпейсация пространственного зарядаэлектронов, и суммарный потенциалэтой области возрастает. Это приводит к тому, что часть ионов, введенных в пучок ранее, может покинуть засчет своих кинетических энергий ловушку в аксиальном направлении, Процесс накопления продолжается до техпор, пока в ловушке накопятся лишьионы энергий, близких к тепловым, про 741766изойдет термализация ионов. Времяэтого процесса определяется концентрацией атомов газа рабочего веществавблизи точки , родом газа, энергиейэлектронного пучка и отношением дли,ны ловушки Кй к длине объема, содержащего атомы рабочего вещества,Можно показать, что термализацияионов наступает после генерации вприаксиальной области ионного заряда, необходимого для примерно 10 кратной перекомпенсации пространственного заряда электронов в этой области. ПОсле окончания процесса термализации создается распределение потенциалов В, потенциал вблизи точкиувеличивается, место ввода отсекается от электростатической ловушки,После этого создается распределениепотенциалов С. При этом все пространство электронного пучка становитсяэлектростатической ловушкой Ий, Ионы 20обладают энергиями, близкими к тепловым, и находятся в приаксиальной области пучка.Пространственный заряд электронного пучка будет использован в максимальной степени, если к концу процесса ионизации положительный ионный заряд возрастет настолько, чтозаряд всего электронного пучка будетскомпенсирован ионами, В этом случаепри равномерной плотности электронного пучка радиус г приаксиальнойобласти, в которой йроисходит накопление ионов с начальной средней зарядностью го, связан с радиусом элек- З.тронного пучка гб и конечной среднейзарядностью ионов г следующим соотношением: 0В соответствии с этим выбирается глубина запирания при накоплении ионовИспользование 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.Экспериментально 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 изобретенияСпособ 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, о т л и ч а ю щ и й с я 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 ионн. зации и в конце накопления.Источники информации,принятые во внимание при экспертизе1Авторское свидетельство СССР9 248860, кл. Н 05 Н 7/00, 1969,2. Авторское свидетельство СССР9 375708, кл, Н 05 Н 7/00, 1973741766 фг Составитель Н. Валуев едотов ТехредтМаточка Корректор Е. Рошко Шщитюю ютттщ фтюРедакто аказ 5922/5 писное 113 4 5 лиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4 Тираж 889 ВНИИПИ Государственного по делам изобретений 035, Москва, Ж, Раушкомитета СС открытий кая наб., д