Источники отрицательных ионов

ИСТОЧНИКИ ОТРИЦАТЕЛЬНЫХ ИОНОВ
Получение отрицательных ионов основано на трех физических
процессах: поверхностная ионизация, объемная ионизация и обмен зарядов.
При этом необходимо помнить, что экстракция отрицательных ионов
сопровождается экстракцией большого количества электронов. И одной из
самых больших технологических задач является избавление от
нежелательного электронного потока. При поверхностной ионизации в
плазму вводится цезиевый электрод, на котором происходит гидратизация с
последующей диссоциацией Cs  H  CsH  Cs   H  . При объемной
ионизации процесс разбивается на два этапа. На первом этапе из-за
соударений молекул водорода с электронами (энергия порядка 100-200 эВ)
образуется положительно заряженная молекула в возбужденном состоянии,
которая затем захватывает электрон, оставаясь в возбужденном состоянии
H 2  e  *H 2  2e  *H 2  e . На втором этапе возбужденные молекулы
водорода захватывают низкоэнергетичный электрон и диссоциируют:
*
H 2  e  *H 2  H   *H . Другой способ получения – путем обменных
процессов - основан на двойном обмене заряда положительных или
нейтральных паров щелочных металлов с требуемыми ионами:
X   Cs  X  Cs  и X  Cs  X   Cs .
Источники отрицательных ионов распылительного типа основаны на
двойном обмене зарядом. Поглощение электрона нейтральном атомом
является экзотермическим процессом. Сродство элемента электрону может
служить хорошим мерилом устойчивости образовавшегося отрицательного
иона. Сродство электрону Ea определяется как разность энергий основного
состояния нейтрального атома и отрицательного иона. Для формирования
иона необходимо, чтобы Ea была положительной. Некоторые элементы, такие
как благородные газы, гелий, магний и другие имеют отрицательное
значение сродства электрону и не могут образовывать отрицательные ионы.
Процесс, описывающий формирование отрицательных ионов в шпуттере
подобен процессу поверхностной ионизации. Вероятность образования
отрицательного иона согласно распределению Больцмана экспоненциально
зависит от разности сродства электрону и работы выхода. Присутствие
тонкого слоя цезия на поверхности материала резко понижает работу выходу
1
и увеличивает производство отрицательных ионов. Источник шпуттерного
типа (рис. 19) устроен следующим образом, В рабочий объем вводится пучок
ионов цезия (или другого щелочного металла, обычно рубидия) в виде пара,
ионы цезия ускоряются до нескольких кэВ и попадают на охлаждаемый
катод, где осаждаются тонким слоем. На катоде образуются отрицательные
ионы того материала, из которого он изготовлен, а затем вытягиваются
напряжением соответствующей полярности.
Рис.19. Шпуттерный ионный источник.
Достоинствами источника подобного типа являются:
- большое число элементов, отрицательные ионы которых могут быть
получены данным способом;
- достаточно высокая интенсивность;
- хорошая эффективность ионизации;
- малый эмиттанс и энергетический разброс;
- источник может функционировать в течении длительного времени.
Примерно такой же механизм функционирует и в объемных
источниках, куда вводятся пары цезия для увеличения вероятности
2
образования отрицательных ионов. И конечно же отрицательные ионы
можно получать в дуоплазмотронах, дуопигатронах и других источниках
изменив полярность вытягивающего напряжения. В таблице 3 приведены
характеристики источников отрицательных ионов водорода. Используются
следующее обозначения Iп – импульсный ток пучка, Iср – средний ток пучка
(для импульсного тока), ν – частота повторения импульсов, U – напряжение
экстракции, F – эффективность использования мощности мА/кВ. Сравнение
данных по источникам отрицательных ионов других элементов затруднено,
поскольку почти все они изготовлены по индивидуальным проектам.
Таблица 3. Характеристики источников отрицательных ионов водорода.
U,
кВ
T1
0.1
18
52
1
8
7.5
0.7
35
26
1.8
67
0.1
30
0.07
20
16
0.9/1.4
9
75
0.08
15
0.07
20
16
0.9/1.5
2.5
40
0.05
8
0.15
36
150
0.43
2
60
0.06
10
0.1
35
1
0.9
2.1
35
0.35
50
0.2
18
0.7/1.1
6
0.6/1.2
8
Тип
Iп,
Iср,
ν,
Гц
Источника
мА
мА
60
0.03
5
95
0.5
48
l,
мс
Э2
F
x/y
DESY
HERA
BNL
Магнетрон
AGS
ANL
IPNS
FNAL
DESY
ВЧ
HERA
SSC
RAL
Пеннинга
ISIS
UNR
1
В неделях
2
π∙мм∙рад
4
50
1.0
100
3
0.2
20
MMF
KEK
18
0.07
20
0.2
14
2
4.5
4
0.6
1.6
0.5
3
0.6
3
KENS
80
LANL
20
2.4
TRIUMF
8
8
25
Jyvaskyla
3
3
5.8
Multicusp
120
1
LANSCE
6
4