[1]Изобретение относится к технике генерации пучков отрицательных ионов и может быть использовано в ускорителях заряженных частиц, системах нагрева плазмы и других устройствах.
[2]Известен поверхностно-плазменный способ получения отрицательных ионов [1], включающий подачу в разрядную камеру источника вместе с основным рабочим веществом добавки вещества с малым потенциалом ионизации, например цезия.
[3]Недостатком данного способа является подача в разрядную камеру вещества с малым потенциалом ионизации, обычно это щелочные металлы, чаще всего цезий. Неизбежный при этом вынос паров щелочного металла из источника ионов в устройства, использующие ионный пучок, ограничивает применение данного способа, так как может вести к возрастанию вторичной электронной эмиссии или электрическим пробоям в ускоряющей системе и других устройствах.
[4]Наиболее близким по своей технической сущности и достигаемому результату является способ получения пучка отрицательных ионов водорода без использования щелочного металла, за счет стимулированной электронами десорбции водородных частиц с поверхности полупроводника, имеющего отрицательную энергию электронного сродства, а именно алмаза [2]. Способ включает создание потока атомарного водорода, направленного к поверхности конвертора, изготовленного из алмаза, последующую бомбардировку поверхности электронным пучком, вызывающую десорбцию водородных частиц с поверхности в виде отрицательных ионов, ускорение образованных отрицательных ионов и формирование их в ионный пучок. Недостатком способа является низкая интенсивность получаемого пучка отрицательных ионов водорода, которая в этом способе определяется тем, что ток электронов, поступающих к поверхности конвертора, ограничивается пространственным зарядом электронного пучка.
[5]Техническим результатом изобретения является повышение интенсивности пучка отрицательных ионов изотопов водорода без использования щелочных металлов в качестве катализаторов процессов образования отрицательных ионов.
[6]Указанный технический результат достигается тем, что в известном способе получения отрицательных ионов, включающем создание потоков атомарного водорода и электронов, направленных к поверхности конвертора, изготовленного из материала с отрицательной энергией электронного сродства, например алмаза, ускорение образовавшихся ионов и формирование их в пучок, в предлагаемом способе, для создания интенсивных потоков атомарного водорода и электронов в непосредственном контакте с конвертором возбуждают плазму сильноточного газового разряда, при этом молекулярный водород подают к конвертору таким образом, чтобы он протекал через зону плотного газового разряда, а отрицательные ионы вытягивают с конвертора, минуя столб плазмы. В качестве конвертора может использоваться анод или часть анода газоразрядной ячейки.
[7]Для получения технического результата при изготовлении конвертора используется поликристаллический алмазный материал, полученный методом газофазного синтеза. Синтезированные таким методом алмазные материалы имеют вид пластин с размерами свыше 1 см в диаметре и более 1 мм толщиной, что удовлетворяет требованиям применения в качестве конвертора в источнике отрицательных ионов водорода.
[8]Известна [3] величина энергии сродства к электрону для алмаза, полученного методом газофазного синтеза, поверхность которого насыщена слоем адсорбированного водорода. Величина энергии сродства составляет Ua=-1,27 эВ, отрицательная величина энергии означает, что минимум зоны проводимости лежит выше вакуумного уровня. Величина энергии связи электрона с атомным остатком в ионе Н - составляет φ=0,75 эВ. Величина энергии связи атома водорода, адсорбированного на поверхности алмаза, составляет около 1,6 эВ [4].
[9]При переходе электрона с уровня зоны проводимости на уровень электронного сродства в ионе Н - выделяется энергия, равная Δ=|Ua-φ|=|-1,27-0,75| эВ=2,02 эВ, что достаточно для разрыва связи атома с поверхностью (1,6 эВ) и десорбции в виде свободного отрицательного иона.
[10]Использование сильноточного газового разряда позволяет получить поток электронов на поверхности конвертора величиной свыше 1 А, что значительно превышает электронный ток, использованный в прототипе [2], который составлял 40 мкА.
[11]Интенсивная диссоциация молекулярного водорода в зоне плазменного столба позволяет получить интенсивный поток атомарного водорода на поверхности конвертора, необходимый для насыщения поверхностного слоя адсорбированных атомов и его поддержания при десорбции с поверхности водородных частиц в виде отрицательных ионов.
[12]Освоение газофазного синтеза поликристаллических алмазных материалов сделало возможным получение пластин такого материала с достаточно большой площадью поверхности, удовлетворяющих требованиям применения в поверхностно-плазменном источнике отрицательных ионов в качестве конвертора, на котором происходит перезарядка падающих на него нейтралов в поток отрицательных ионов. Такой конвертор расположен в области эмиссионного отверстия, что существенно увеличивает вероятность выхода отрицательных ионов без разрушения в область формирования пучка и обеспечивает условия для генерации пучков с малым энергетическим разбросом и эмиттансом.
[13]Способ может быть применен для получения отрицательных ионов изотопов водорода и других элементов, например кислорода, способных образовывать стабильные отрицательные ионы.
[14]На чертеже представлен вариант реализации способа, когда конвертором является часть анода газоразрядной ячейки в виде вставки, изготовленной из алмазного материала, выращенного методом газофазного синтеза. Газоразрядная ячейка состоит из катода 1 и анода 2. Анодная вставка 3 изготовлена из алмазного материала и служит конвертором нейтральных атомов в отрицательные ионы. Поток отрицательных ионов 4 вытягивается электродом 6. Поток молекулярного водорода 5 подается в разряд со стороны катода. Для осуществления изобретения между катодом и анодом газоразрядной ячейки прикладывают напряжение, которое вызывает газовый разряд с разрядным током более 10 А. Со стороны катода в плазму газового разряда подают рабочий газ - молекулярный водород, который в значительной степени диссоциирует в плазме разряда и поступает к аноду в виде потока атомарных частиц. На анод также поступает ток электронов газового разряда, величина которого составляет более 10 А, что значительно больше, чем электронный ток, поступающий на конвертор в прототипе. Электроны из плазмы газового разряда протекают через анодную вставку из алмазного материала, создавая концентрацию носителей в зоне проводимости алмаза. Адсорбированные на алмазной поверхности атомы водорода захватывают электроны из зоны проводимости на уровень электронного сродства с выделением энергии, достаточной для десорбции и ухода от поверхности в виде отрицательных ионов, и формируются в пучок 4 вытягивающими электродами 6.
[15]Предлагаемый способ получения пучка отрицательных ионов водорода за счет возбуждения плазмы сильноточного газового разряда имеет высокую интенсивность получаемого пучка отрицательных ионов и может быть использован на сильноточном линейном ускорителе.
[17]1. В.Г.Дудников. Способ получения отрицательных ионов, Авторское свидетельство Кл. H01J 3/04, №411542, Заявка 3.03.1972, Бюллетень №2, 1974.
[18]2. С.Goeden and G.Dollinger. Electron stimulated desorption on diamond (100) as a negative hydrogen source, Applied Surface Science, Volume 147, Issues 1-4, May 1999, Pages 107-113.
[19]3. J.B.Cui, J.Ristein, L.Ley, Phys. Rev. Letters, 81, p.429-432 (1998).
[20]4. M.McConial, M.L.Kempel, M.S.Hammond, K.D.Jamison, Jorn. Vac. Sci. Technol. A 14 (4) (1996) p.2308.
