RU2233505C2 - Gas-discharge ion source - Google Patents

Abstract

FIELD: electrical engineering, applicable in accelerating equipment, in particular, in accelerating gas-filled tubes of neutron generators.

SUBSTANCE: the gas-discharge ion source has an anode and a non-heater cathode that is made in the form of a cylindrical winding of conducting material with a layer with a high secondary ion-electron emission ratio located on its surface, the cathode end is positioned in the gas-discharge chamber of the ion source and may be made of an aluminum band or foil.

EFFECT: enhanced efficiency of ion sources.

2 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к устройствам для получения пучков ионов и может найти применение в ускорительной технике, ускорительных газонаполненных трубках генераторов нейтронов.The invention relates to devices for producing ion beams and can find application in accelerator technology, gas-filled accelerator tubes of neutron generators.

Известен источник ионов (см., например. Физика и технология источников ионов. Под ред. Я. Брауна. М.: Мир, 1998, с. 181), в которых генерация ионов осуществляется в разряде Пеннинга с горячим катодом.A known ion source (see, for example, Physics and technology of ion sources. Edited by J. Brown. M .: Mir, 1998, p. 181), in which the generation of ions is carried out in the Penning discharge with a hot cathode.

Однако такие источники имеют сложную конструкцию и низкую надежность из-за наличия в конструкции накаливаемого элемента.However, such sources have a complex structure and low reliability due to the presence of a heated element in the structure.

За прототип выбран источник ионов (см., например, патент США №4282440, кл. H 01 J 47/06 1981, Neutron accelerator tube having improved ionization section) с разрядом Пеннинга с холодным катодом.For the prototype, an ion source was selected (see, for example, US patent No. 4282440, class H 01 J 47/06 1981, Neutron accelerator tube having improved ionization section) with a Penning discharge with a cold cathode.

Источник работает следующим образом. Газоразрядная камера источника ионов образована цилиндрическим анодом и холодным катодом, состоящим из двух расположенных соосно с анодом дисков. Диски размещены у торцов цилиндрического анода. В одном из дисков имеется отверстие для извлечения ионов. В цилиндрическом объеме, ограниченном анодом и дисками, создается магнитное поле, параллельное оси системы. Анод и катод размещены в объеме вакуумной камеры, в которую подается рабочий газ. Между анодом и катодом прикладывается напряжение, в результате чего имеющиеся в газоразрядной камере электроны ускоряются и ионизируют молекулы газа. Образовавшиеся ионы двигаются к катоду. Часть ионов выходит из источника через отверстие в катоде, а часть бомбардирует катод, выбивая из него электроны. Кроме того, при наличии на поверхности катода микронеоднородностей, электроны эмитируются с них в результате автоэлектронной эмиссии. Эффективность ионизации рабочего газа зависит от величины коэффициента вторичной ионно-электронной эмиссии и величины автоэлектронной эмиссии на поверхности катода. Коэффициент ионно-электронной эмиссии в значительной степени зависит от наличия на поверхности катода микровключений окислов металлов (см., например, Габович М.Д. Физика и техника плазменных источников ионов. М.: Атомиздат, 1972).The source works as follows. The gas discharge chamber of the ion source is formed by a cylindrical anode and a cold cathode, consisting of two disks located coaxially with the anode. Disks are placed at the ends of the cylindrical anode. One of the disks has a hole for extracting ions. In a cylindrical volume bounded by the anode and disks, a magnetic field is created parallel to the axis of the system. The anode and cathode are placed in the volume of the vacuum chamber into which the working gas is supplied. A voltage is applied between the anode and cathode, as a result of which the electrons in the gas discharge chamber are accelerated and ionize the gas molecules. The formed ions move to the cathode. Part of the ions leaves the source through an opening in the cathode, and part of it bombards the cathode, knocking electrons out of it. In addition, in the presence of microinhomogeneities on the cathode surface, electrons are emitted from them as a result of field emission. The efficiency of ionization of the working gas depends on the magnitude of the coefficient of secondary ion-electron emission and the magnitude of field emission on the surface of the cathode. The coefficient of ion-electron emission largely depends on the presence of microinclusions of metal oxides on the surface of the cathode (see, for example, Gabovich MD, Physics and Technique of Plasma Ion Sources. M: Atomizdat, 1972).

На поверхности свежих катодов, как правило, имеются пленки окислов. Однако эти пленки быстро распыляются в результате ионной бомбардировки катода. Быстро распыляются и микронеоднородности, являющиеся источником автоэлектронной эмиссии.On the surface of fresh cathodes, as a rule, there are oxide films. However, these films are quickly atomized by ion bombardment of the cathode. Microinhomogeneities, which are a source of field emission, are also rapidly dispersed.

По этой причине эффективность источника быстро уменьшается и стабилизируется на уровне, соответствующем чистой, гладкой поверхности катода.For this reason, the efficiency of the source rapidly decreases and stabilizes at a level corresponding to a clean, smooth cathode surface.

Изобретение направлено на увеличение эффективности источника ионов путем создания такого катода, на рабочей поверхности которого всегда находились бы микровключения, например, окислов металлов, обеспечивающие высокий коэффициент ионно-электронной эмиссии, и микронеоднородности, обеспечивающие повышенную автоэлектронную эмиссию с катода.The invention is aimed at increasing the efficiency of the ion source by creating such a cathode, on the working surface of which there would always be microinclusions, for example, metal oxides, providing a high coefficient of ion-electron emission, and microinhomogeneities, providing increased field emission from the cathode.

Для этого в газоразрядном источнике ионов, включающем анод и неподогреваемый катод, катод выполнен в виде плотной цилиндрической намотки из проводящего материала, на поверхности которого расположен слой с высоким коэффициентом вторичной ионно-электронной эмиссии, причем торец катода, перпендикулярный оси намотки, расположен в газоразрядной камере источника ионов, проводящий материал может представлять собой ленту из алюминиевой фольги с окисной пленкой на поверхности, или соединение тонких алюминиевых, окисленных с поверхности пластин, или набор тонких алюминиевых проволочек с окисной пленкой на поверхности, концы которых образуют торцы катода.For this, in a gas discharge ion source, including the anode and unheated cathode, the cathode is made in the form of a dense cylindrical winding of conductive material, on the surface of which there is a layer with a high secondary ion-electron emission coefficient, with the end of the cathode perpendicular to the winding axis located in the gas discharge chamber ion source, the conductive material may be an aluminum foil tape with an oxide film on the surface, or a compound of thin aluminum, oxidized from the surface of the plaz in, or set of wires with a thin aluminum oxide film on the surface, the ends of which form the ends of the cathode.

На фиг.1 изображена схема предложенного газоразрядного источника ионов; на фиг.2. представлен вид рабочей поверхности катода со стороны газоразрядной камеры.Figure 1 shows a diagram of the proposed gas discharge ion source; figure 2. presents a view of the working surface of the cathode from the gas discharge chamber.

Газоразрядный источник ионов (см. фиг.1) состоит из цилиндрической вакуумной камеры 1 из немагнитного материала. В камере 1 размещен анод 2 цилиндрической формы и неподогреваемый катод 3, состоящий из двух соединенных электрически частей, размещенных соосно с анодом у его торцов. В одной части катода имеется отверстие 4 для извлечения ионов.The gas-discharge ion source (see Fig. 1) consists of a cylindrical vacuum chamber 1 of non-magnetic material. A cylindrical anode 2 and an unheated cathode 3, consisting of two electrically connected parts placed coaxially with the anode at its ends, are placed in the chamber 1. In one part of the cathode there is a hole 4 for extracting ions.

Каждая часть катода изготовлена из тонкой окисленной с поверхности алюминиевой фольги путем плотной цилиндрической намотки, или из соединения тонких алюминиевых пластин, или из набора тонких алюминиевых проволочек, концы которых образуют торцы частей катода. Цилиндрическая вакуумная камера 1 размещена в полости цилиндрического магнита 5, создающего магнитное поле в газоразрядной камере источника ионов.Each part of the cathode is made of thin oxidized aluminum foil from the surface by tight cylindrical winding, or from a combination of thin aluminum plates, or from a set of thin aluminum wires, the ends of which form the ends of the parts of the cathode. A cylindrical vacuum chamber 1 is placed in the cavity of a cylindrical magnet 5, which creates a magnetic field in the gas discharge chamber of the ion source.

В такой конструкции на рабочей поверхности катода всегда присутствуют окислы, обеспечивающие повышенную эмиссию электронов. При этом распыление окислов до чистого алюминия, как в прототипе, невозможно. Кроме того, в результате различия в скоростях распыления чистого алюминия и окисла на рабочей поверхности появляется сильная микронеоднородность, увеличивающая автоэлектронную эмиссию. В результате наличия на рабочей поверхности катода следов окислов и микронеоднородностей при длительной эксплуатации эффективность ионизации рабочего газа будет увеличена по сравнению с прототипом.In this design, oxides are always present on the working surface of the cathode, providing increased electron emission. In this case, the spraying of oxides to pure aluminum, as in the prototype, is impossible. In addition, as a result of the difference in the sputtering rates of pure aluminum and oxide, a strong microinhomogeneity appears on the working surface, which increases field emission. As a result of the presence of traces of oxides and microinhomogeneities on the working surface of the cathode during long-term operation, the efficiency of ionization of the working gas will be increased in comparison with the prototype.

Claims (2)

1. Газоразрядный источник ионов, включающий газоразрядную камеру, анод и неподогреваемый катод, отличающийся тем, что катод выполнен из проводящей ленты или фольги, имеющей на поверхности слой с высоким коэффициентом вторичной ионно-электронной эмиссии, путем плотной цилиндрической намотки, причем торец катода расположен в газоразрядной камере источника ионов.1. A gas-discharge ion source, including a gas-discharge chamber, anode and an unheated cathode, characterized in that the cathode is made of a conductive tape or foil having a layer with a high secondary ion-electron emission layer on the surface by tight cylindrical winding, the cathode end being located in gas discharge chamber of an ion source. 2. Газоразрядный источник ионов по п.1, отличающийся тем, что проводящая лента или фольга выполнены из алюминия.2. The gas-discharge ion source according to claim 1, characterized in that the conductive tape or foil is made of aluminum.

Images