Способ ионизации атомов и устройство для его осуществления

 

Назначение: ускорительная техника, а также формирование ионных пучков низкой энергии в ионных источниках. Сущность изобретения: способ ионизации атомов заключается в том, что атомы подвергают бомбардировке ускоренными электронами с энергией, превышающей энергию связи электронов в атомной оболочке, причем электроны и атомы многократно проходят область взаимодействия за счет отражения от границ области и формирования отраженных электронов и ионов в виде пучков. Устройство для ионизации атомов содержит катод, антикатод и расположенный между ними симметрично анод. Устройство содержит симметрично расположенные отражающие электроды, ограничивающие по торцам объем разрядной камеры, тормозящие электроды, расположенные между отражающими электродами и соответственно катодом и антикатодом, и формирующие электроды, расположенные между тормозящими электродами и соответственно катодом и антикатодом, причем катод, антикатод, тормозящие и формирующие электроды выполнены в виде пластин с отверстиями для прохождения ионов и электронов. Изобретение обеспечивает повышение эффективности и кратности ионизации. 2 с. и 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к ускорительной технике и, в частности к способам и устройствам для ионизации атомов, и может быть использовано для формирования ионных пучков низкой энергии в ионных источниках.

Известен способ ионизации атомов электронами [1] заключающийся в том, что атомы подвергают бомбардировке ускоренными электронами с энергией, превышающей энергию связи электронов в атомной оболочке. Недостатками такого способа являются низкие эффективность и кратность ионизации из-за малого времени взаимодействия, числа соударений и низких энергий бомбардирующих электронов.

Данный способ реализован в известном устройстве [1] содержащем катод и анод, образующие разрядную камеру с ионизируемыми атомами, причем между катодом и анодом приложена разность потенциалов. Недостатками такого устройства являются низкий срок службы из-за быстрого износа катода в результате интенсивного распыления быстрыми ионами, недостаточная величина разрядного напряжения из-за возрастания скорости ионного распыления катода, приводящая к ограничению кратности ионизации.

Наиболее близким к изобретению является способ ионизации атомов [2] включающий многократную бомбардировку атомов ускоренными электронами с энергией, превышающей энергию связи электронов в атомной оболочке, при многократном прохождении электронами в продольном магнитном поле области взаимодействия с ионизируемыми атомами за счет отражения электронов от границ области, определяемых потенциальными барьерами между анодом и катодом, анодом и антикатодом. Недостатками такого способа являются также недостаточно высокая эффективность и кратность ионизации из-за недостаточного числа соударений и низких энергий бомбардирующих электронов.

Способ реализован в устройстве [2] для ионизации атомов, содержащем последовательно расположенные в разрядной камере катод, анод и антикатод, средства для создания продольного магнитного поля и источник высокого постоянного напряжения. Недостатками такого устройства также являются низкий срок службы из-за быстрого износа катода в результате интенсивного распыления быстрыми ионами, недостаточная величина разрядного напряжения из-за возрастания скорости ионного распыления катода, приводящая к ограничению кратности ионизации.

Задачей данного изобретения является повышение эффективности и кратности ионизации за счет увеличения числа соударений и повышения энергий бомбардирующих электронов, а также повышения срока службы катода за счет снижения износа в результате распыления быстрыми ионами.

Задача решается тем, что в способе ионизации ионизированные атомы подвергают дополнительному воздействию ионизирующими электронами при многократном прохождении ионизированных атомов через область взаимодействия за счет их отражения от границ области на потенциальных барьерах, создаваемых тормозящими и отражающими электродами, а падающие на границу области взаимодействия отраженные электроны и ионизированные атомы формируют в виде электронных и ионных пучков с помощью электромагнитных полей, причем между анодом и катодом, а также анодом и антикатодом приложены одинаковые разности потенциалов, а между тормозящими и отражающими электродами приложена разность потенциалов, величину которой выбирают не менее величины разности потенциалов между анодом и катодом. При этом величина потенциального барьера между катодом и антикатодом является переменной во времени.

Способ реализован в устройстве, в котором анод расположен симметрично относительно катода и антикатода и дополнительно введены симметрично расположенные отражающие электроды, ограничивающие по торцам объем разрядной камеры, тормозящие электроды, расположенные между отражающими электродами и соответственно катодом и антикатодом, и формирующие электроды, расположенные между тормозящими электродами и соответственно катодом и антикатодом, причем катод, антикатод, тормозящие и формирующие электроды выполнены в виде пластин с отверстиями для прохождения ионов и электронов.

На фиг.1 представлена схема устройства для ионизации атомов.

Способ заключается в том, что атомы вещества подвергают многократной бомбардировке ускоренными электронами с энергией, превышающей энергию связи электронов в атомной оболочке, при многократном прохождении электронами в продольном магнитном поле области взаимодействия с ионизируемыми атомами за счет отражения электронов от границ области, определяемых потенциальными барьерами между анодом и катодом, анодом и антикатодом. При этом ионизированные атомы подвергают также воздействию ионизирующими электронами при многократном прохождении ионизированных атомов через область взаимодействия за счет их отражения от границ области на потенциальных барьерах, создаваемых тормозящими и отражающими электродами, а падающие на границу области взаимодействия отраженные электроны и ионизированные атомы формируют в виде электронных и ионных пучков с помощью электромагнитных полей. Причем между анодом и катодом, а также анодом и антикатодом приложены одинаковые разности потенциалов, а между тормозящими и отражающими электродами приложена разность потенциалов, величину которой выбирают не менее величины разности потенциалов между анодом и катодом. При этом величина потенциального барьера между катодом и антикатодом является переменной во времени.

Способ реализован в устройстве (фиг.1), которое содержит катод 1, антикатод 2, анод 3, формирующие электроды 4 и 5, тормозящие электроды 6 и 7 и отражающие электроды 8 и 9.

Устройство работает следующим образом.

Атомы вещества, находящиеся в реакционной камере, образованной катодом 1, анодом 3 и антикатодом 2, подвергаются бомбардировке электронами, эмитированными катодом 1 и ускоренными в промежутке между катодом 1 и анодом 2 за счет приложенной к ним разности потенциалов. Электроны отражаются от антикатода 2 и осциллируют между катодом 1 и антикатодом 2 до торможения. Ионизированные атомы, образовавшиеся в реакционной камере, вылетают из нее по направлению к катоду 1 или антикатоду 2 под действием разности потенциалов между катодом 1 и анодом 3 или антикатодом 2 и анодом 3. Для подогрева электродов 1 и 2 на них подают переменную во времени разность потенциалов, а величину подогрева регулируют амплитудой колебаний. Вылетевшие из реакционной камеры ионизированные атомы формируются формирующими электродами 4, 5 в сходящийся ионный пучок, который практически без потерь проходит через отверстия в электродах 1, 2, 4, 5. Затем, сформированные в пучок ионы, тормозятся тормозящими электродами 6, 7, отражаются от отражающих электродов 8 или 9 и возвращаются обратно в реакционную камеру через отверстия в электродах 6, 4, 1 или 7, 5, 2 и аноде 3. К тормозящим электродам приложена разность потенциалов, величину которой выбирают не меньше величины разности потенциалов между анодом и катодом. При меньшей разности потенциалов, приложенной между тормозящими электродами 6 и 7 и отражающими электродами 8, 9, не будет осуществляться торможение ионов перед электродами 8 или 9 и они будут подвергаться бомбардировке ионами и разрушению. Формирующие электроды 4 и 5 с отверстиями в них защищают анод 3 и электроды 1, 4, 6 и 2, 5, 7 от интенсивной бомбардировки быстрыми ионами и от ионного распыления и разогрева, которые вызывают дуговой разряд в промежутке между анодом 3 и катодом 1 или антикатодом 2, а также электродами 6, 8 и 7, 9. Поэтому разность потенциалов между анодом 3 и катодом 1 или антикатодом 2 может быть увеличена до нескольких десятков кВ и более (ограничена напряжением пробоя) вплоть до энергии связи электронов в глубоких оболочках атомов ионизируемого вещества, что снимает ограничение на достижимую кратность ионизации. Эффективность ионизации повышается при повторном взаимодействии отраженных от электродов 8 и 9 атомов с электронами в реакционной камере.

Отсутствие потерь ионов и электронов на электродах (или низкий уровень этих потерь) и возврат ионизируемых атомов и ионизирующих электронов в область взаимодействия увеличивает время удержания ионизируемых атомов в реакционной камере и число соударений атомов с ионизирующими электронами. Это также повышает эффективность устройства и достижимую кратность ионизации.

Использование настоящего изобретения позволяет обеспечить увеличение срока непрерывной работы ионных источников из-за увеличения долговечности катода и антикатода. Использование настоящего изобретения позволяет также поднять разность потенциалов между анодом и катодом или антикатодом, увеличить энергию ионизирующих электронов и повысить кратность ионизации атомов.

Формула изобретения

1. Способ ионизации атомов, включающий многократную бомбардировку атомов ускоренными электронами с энергией, превышающей энергию связи электронов в атомной оболочке, при многократном прохождении электронами в продольном магнитном поле области взаимодействия с ионизируемыми атомами за счет отражения электронов от границ области, определяемых потенциальными барьерами между анодом и катодом, анодом и антикатодом, отличающийся тем, что ионизированные атомы подвергают дополнительному воздействию ионизирующими электронами при многократном прохождении ионизированных атомов через область взаимодействия за счет их отражения от границ области на потенциальных барьерах, создаваемых тормозящими и отражающими электродами, а падающие на границу области взаимодействия отраженные электроны и ионизированные атомы формируют в виде электронных и ионных пучков с помощью электромагнитных полей, причем между анодом и катодом, а также анодом и антикатодом приложены одинаковые разности потенциалов, а между тормозящими и отражающими электродами приложена разность потенциалов, величину которой выбирают не менее величины разности потенциалов между анодом и катодом.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что величина потенциального барьера между катодом и антикатодом является переменной во времени.

3. Устройство для ионизации атомов, содержащее последовательно расположенные в разрядной камере катод, анод и антикатод, средства для создания продольного магнитного поля и источник высокого постоянного напряжения, отличающееся тем, что анод расположен симметрично относительно катода и антикатода, дополнительно введены симметрично расположенные отражающие электроды, ограничивающие по торцам объем разрядной камеры, тормозящие электроды, расположенные между отражающими электродами и соответственно катодом и антикатодом, и формирующие электроды, расположенные между тормозящими электродами и соответственно катодом и антикатодом, причем катод, антикатод, тормозящие и формирующие электроды выполнены в виде пластин с отверстиями для прохождения ионов и электронов.

РИСУНКИ

Рисунок 1