RU2214016C2

RU2214016C2 - Multicasp source of ions with double-stage electric discharge

Info

Publication number: RU2214016C2
Application number: RU2001110570A
Authority: RU
Inventors: В.И. Турчин
Priority date: 2001-04-17
Filing date: 2001-04-17
Publication date: 2003-10-10

Abstract

FIELD: sources of charged particles utilized in acceleration equipment. SUBSTANCE: multicasp source of ions with double-stage electric discharge comprises cathode, intermediate electrode, anode with emission hole arranged in listed order and electrically insulated one from another. In addition intermediate electrode carries independent electromagnets which adjacent coils are connected in opposition and which magnetic cores come in the form of bars extended along longitudinal axis of ion source. Electromagnets form acute-angled multicasp magnetic field between cathode and anode which value nears zero on longitudinal axis of source and abruptly grows along radius in zone of bars. As result of structural changes there emerges new physical property: presence of magnetic field in entire gap between cathode and anode prevents drift of electrons of discharge to side surfaces which grows with removal from central longitudinal axis and plasma is activated in gap between intermediate electrode and anode by magnetic field which lines of force are perpendicular to direction of electric discharge field and value of this magnetic field has minimum lying on central longitudinal axis of source and grows abruptly on periphery. EFFECT: increased current and reduced spread of lateral velocities of ions in beam across outlet of ion source. 2 dwg

Description

Изобретение относится к источникам заряженных частиц и применяется в области ускорительной техники. The invention relates to sources of charged particles and is used in the field of accelerator technology.

Аналогом изобретения являются широко известные источники ионов с двухступенчатым электрическим разрядом, в которых плазма первой ступени разряда действует как плазменный катод и дает первичные электроны для поддержания второй, главной ступени [1, 2]. Недостатком является потеря частиц плазмы на боковых стенках разрядной камеры и высокий уровень осцилляции плазмы, факторы, ухудшающие фазовые параметры генерируемых ионных пучков и уменьшающие ток пучка. An analogue of the invention is the well-known sources of ions with a two-stage electric discharge, in which the plasma of the first stage of the discharge acts as a plasma cathode and gives primary electrons to maintain the second, main stage [1, 2]. The disadvantage is the loss of plasma particles on the side walls of the discharge chamber and a high level of plasma oscillations, factors that worsen the phase parameters of the generated ion beams and reduce the beam current.

Прототипом изобретения является дуоплазматронный источник ионов, состоящий из катода, промежуточного электрода, анода с отверстием эмиссии и электромагнита, создающего продольное магнитное поле между промежуточным электродом и анодом [3]. В этом источнике реализовано горение двухступенчатого электрического разряда между катодом и анодом, а удержание и контрагирование плазмы продольным магнитным полем осуществляется только в области между промежуточным электродом и анодом, где оно соосно с электрическим полем разряда. Недостатками являются: значительный уход первичных электронов на боковые поверхности в области катод - промежуточный электрод, уменьшающий ток пучка на выходе источника; и осцилляция плазмы в области разряда между промежуточным электродом и анодом, где магнитное и электрическое поля соосны. Они повышают температуру плазмы в отверстии эмиссии ионов и ухудшают фазовые характеристики пучка заряженных частиц, генерируемого источником. The prototype of the invention is a duoplasmatron ion source, consisting of a cathode, an intermediate electrode, an anode with an emission hole and an electromagnet that creates a longitudinal magnetic field between the intermediate electrode and the anode [3]. This source implements the combustion of a two-stage electric discharge between the cathode and the anode, and plasma is retained and counter-aligned with a longitudinal magnetic field only in the region between the intermediate electrode and the anode, where it is coaxial with the electric field of the discharge. The disadvantages are: a significant departure of primary electrons to the side surfaces in the cathode region — an intermediate electrode that reduces the beam current at the source output; and plasma oscillation in the discharge region between the intermediate electrode and the anode, where the magnetic and electric fields are coaxial. They increase the temperature of the plasma in the hole of ion emission and worsen the phase characteristics of the beam of charged particles generated by the source.

Целью изобретения является увеличение тока и уменьшение разброса поперечных скоростей ионов в пучке на выходе ионного источника. The aim of the invention is to increase the current and reduce the spread of the transverse speeds of the ions in the beam at the output of the ion source.

Поставленная цель достигается тем, что в мультикасповый источник ионов с двухступенчатым электрическим разрядом, состоящий из катода, промежуточного электрода, анода с отверстием эмиссии, расположенных в перечисленном порядке и электрически изолированных друг от друга, отличающийся тем, что в нем по периметру промежуточного электрода установлены независимые электромагниты, магнитные сердечники которых выполнены в виде протяженных вдоль продольной оси ионного источника стержней, а их электрокатушки включены таким образом, что электромагниты создают между катодом и анодом остроугольное мультикасповое магнитное поле, величина которого приближается к нулю на продольной оси источника и резко нарастает по радиусу в области стержней. This goal is achieved by the fact that in a multicasp ion source with a two-stage electric discharge, consisting of a cathode, an intermediate electrode, an anode with an emission hole, arranged in the listed order and electrically isolated from each other, characterized in that independent independent electrodes are installed along the perimeter of the intermediate electrode electromagnets whose magnetic cores are made in the form of rods extended along the longitudinal axis of the ion source, and their electrocoils are turned on in such a way that The magnets create an acute-angled multicasp magnetic field between the cathode and anode, the magnitude of which approaches zero on the longitudinal axis of the source and sharply increases in radius in the region of the rods.

В результате предложенных конструктивных изменений в изобретении возникает новое физическое свойство, а именно во всем промежутке между катодом и анодом уходу электронов из разряда на боковые поверхности препятствует наличие магнитного поля, которое нарастает по мере удаления от центральной продольной оси, а контрагирование плазмы в зазоре между промежуточным электродом и анодом осуществляется магнитным полем, силовые линии которого перпендикулярны направлению электрического поля разряда и величина этого магнитного поля имеет минимум на центральной продольной оси источника, резко нарастая на периферии. Первый из перечисленных факторов увеличивает количество электронов, ионизирующих рабочий газ, повышая плотность плазмы в области отверстия эмиссии, что способствует увеличению тока пучка, генерируемого источником ионов. А использованный вид магнитного поля в зазоре между анодом и промежуточным электродом изменяет по сравнению с прототипом траектории движения электронов, уменьшая плазменные осцилляции, возникающие из-за локальных изменений ее плотности по длине зазора в зоне контракции. Это снижает уровень плазменных шумов и ее температуру в области отверстия эмиссии ионов, способствуя уменьшению разброса поперечных скоростей заряженных частиц в ионном пучке на выходе источника. As a result of the proposed structural changes in the invention, a new physical property arises, namely, in the entire gap between the cathode and anode, the escape of electrons from the discharge to the lateral surfaces is prevented by the presence of a magnetic field, which increases with increasing distance from the central longitudinal axis, and plasma contraction in the gap between the intermediate the electrode and the anode is carried out by a magnetic field, the lines of force of which are perpendicular to the direction of the electric field of the discharge and the magnitude of this magnetic field is min MUM on the central longitudinal axis of the source, increase sharply to the periphery. The first of these factors increases the number of electrons ionizing the working gas, increasing the plasma density in the region of the emission hole, which contributes to an increase in the beam current generated by the ion source. And the used form of the magnetic field in the gap between the anode and the intermediate electrode changes the electron trajectory in comparison with the prototype, reducing the plasma oscillations arising from local changes in its density along the length of the gap in the contraction zone. This reduces the plasma noise level and its temperature in the region of the ion emission hole, helping to reduce the spread of transverse velocities of charged particles in the ion beam at the source output.

Широко известны источники ионов, в которых используется мультикасповое магнитное поле для уменьшения ухода плазмы на боковые поверхности из области одноступенчатого электрического разряда [4]. Но ионных источников с двухступенчатым электрическим разрядом, в которых подобное поле использовалось бы как для контрагирования, так и для удержания плазмы, не обнаружено. Ion sources are widely known in which a multicasp magnetic field is used to reduce the escape of plasma to the side surfaces from the region of a single-stage electric discharge [4]. But ion sources with a two-stage electric discharge, in which a similar field would be used both for counteraction and for plasma confinement, were not found.

Анализ отличительных существенных признаков и проявленных благодаря им свойств, связанных с достижением положительного эффекта, а именно: наличие конструктивных изменений, вызвавшее возникновение нового физического свойства, приведшее к положительному эффекту, позволяет считать, что заявленное техническое решение соответствует критерию существенные отличия. An analysis of the distinctive essential features and the properties manifested due to them, associated with the achievement of a positive effect, namely: the presence of structural changes that caused the emergence of a new physical property that led to a positive effect, allows us to assume that the claimed technical solution meets the criterion of significant differences.

На фиг. 1 показан чертеж мультикаспового источника ионов с двухступенчатым электрическим разрядом 1, состоящего из катода 2, промежуточного электрода 3, электромагнитов 4, включающих в себя электрокатушку 5 и магнитный сердечник 6, содержащего отверстие эмиссии 7 анода 8, причем катод, промежуточный электрод, электромагниты и анод электрически изолированы друг от друга и каждый подсоединен к отдельному источнику электропитания. Источник ионов работает следующим образом. Импульсы электропитания подаются на катод 2, промежуточный электрод 3, электромагниты 4 и анод 8 в заданной последовательности. Стержни электромагнитов, в описанном экспериментальном образце их было 4, размещаются равномерно по периметру промежуточного электрода 3 на протяжении всей его длины и выступают далее, перекрывая практически весь зазор между промежуточным электродом 3 и анодом 8 за исключением толщины тонкой диэлектрической прокладки, изолирующей анод 8 от других электродов и на фиг. 1 не показанной. Поскольку электрокатушки 5 соседних электромагнитов 4 включены встречно, то два соседних магнитных сердечника 6 будут иметь различную магнитную полярность, как это показано на фиг. 2. Они формируют на всем протяжении между катодом и анодом магнитное поле сложного профиля, силовые линии которого показаны на фиг.2, причем величина этого поля будет приближаться к нулю на центральной продольной оси источника резко нарастая вблизи полюсных наконечников, фиг.2. Регулируя ток через электрокатушки 5, фиг.1, можно изменять размеры области свободной от магнитного поля на продольной оси источника, фиг. 2, осуществляя контрагирование плазмы в нем. После подачи электрических импульсов на катод 2, промежуточный электрод 3 и анод 8, фиг.1, между этими электродами зажигается электрический разряд, ионизирующий рабочий газ, которым предварительно был заполнен ионный источник. Причем плазма разряда в области между катодом 2 и промежуточным электродом 3 фиг.1, служит эмиттером электронов ионизирующих газ в зазоре между промежуточным электродом 3 и анодом 8 фиг. 1, обеспечивая горение второй ступени электрического разряда между этими электродами. Ионный пучок вытягивается из мультикаспового источника ионов с двухступенчатым электрическим разрядом 1, через отверстие эмиссии 7 из плазменной области электрического разряда вблизи анода 8 фиг. 1. Известно, что реализация двухступенчатого электрического разряда в ионных источниках приводит к очень хорошей производительности по газу и мощности [5]. In FIG. 1 shows a drawing of a multicasp ion source with a two-stage electric discharge 1, consisting of a cathode 2, an intermediate electrode 3, electromagnets 4, including an electrocoil 5 and a magnetic core 6, containing an emission hole 7 of anode 8, and the cathode, intermediate electrode, electromagnets and anode are electrically isolated from each other and each is connected to a separate power source. The ion source works as follows. Power pulses are supplied to the cathode 2, the intermediate electrode 3, the electromagnets 4 and the anode 8 in a predetermined sequence. The electromagnet rods, in the described experimental sample there were 4 of them, are placed uniformly around the perimeter of the intermediate electrode 3 over its entire length and extend further, covering almost the entire gap between the intermediate electrode 3 and the anode 8 except for the thickness of the thin dielectric strip isolating the anode 8 from others electrodes and in FIG. 1 not shown. Since the electric coils 5 of the adjacent electromagnets 4 are turned on in the opposite direction, the two neighboring magnetic cores 6 will have different magnetic polarity, as shown in FIG. 2. They form along the entire length between the cathode and the anode a magnetic field of a complex profile, the lines of force of which are shown in Fig. 2, and the magnitude of this field will approach zero on the central longitudinal axis of the source, increasing sharply near the pole pieces, Fig. 2. By adjusting the current through the electric coils 5, FIG. 1, it is possible to change the dimensions of the region free of magnetic field on the longitudinal axis of the source, FIG. 2, by controlling the plasma in it. After applying electrical pulses to the cathode 2, the intermediate electrode 3 and the anode 8, Fig. 1, an electric discharge is ignited between these electrodes, ionizing the working gas, with which the ion source was previously filled. Moreover, the discharge plasma in the region between the cathode 2 and the intermediate electrode 3 of FIG. 1 serves as an emitter of electrons ionizing the gas in the gap between the intermediate electrode 3 and the anode 8 of FIG. 1, providing combustion of the second stage of an electric discharge between these electrodes. The ion beam is drawn from a multicasp ion source with a two-stage electric discharge 1, through the emission hole 7 from the plasma region of the electric discharge near the anode 8 of FIG. 1. It is known that the implementation of a two-stage electric discharge in ion sources leads to very good gas performance and power [5].

В прототипе [3] плазменные электроны первой ступени электрического разряда между катодом 2 и промежуточным электродом 3 фиг.1 могли беспрепятственно уходить из области плазмы на боковые стенки этого электрода, что приводило к снижению эффективности ионизации рабочего газа, уменьшая производительность ионного источника по газу и генерируемому току пучка заряженных частиц. Магнитное поле 9, создаваемое электромагнитами 4, отражает плазменные электроны, идущие на боковые стенки обратно к центральной продольной оси, где его величина исчезающе мала, фиг.2. Ширина магнитных щелей на сердечниках электромагнитов 4 фиг. 2, через которые возможен уход плазменных электронов из разряда, оцененная согласно [6] как
W~4•(ρ_e•ρ_i)^1/2,
где (ρ_e•ρ_i)^1/2 - гибридный ларморовский радиус, определяемый магнитным полем вблизи полюсного наконечника 6, помноженная на длину сердечника электромагнитов 4 и их число, фиг.1; величина во много раз меньшая, чем площадь ухода в прототипе [3], где она определялась всей боковой поверхностью промежуточного электрода. В предлагаемом изобретении, как и в прототипе, контрагирование плазмы на выходе из промежуточного электрода осуществляется электрическим полем вогнутого двойного электрического слоя, что увеличивает ток пучка ионов на выходе источника [1].In the prototype [3], the plasma electrons of the first stage of the electric discharge between the cathode 2 and the intermediate electrode 3 of FIG. 1 could freely leave the plasma region on the side walls of this electrode, which led to a decrease in the efficiency of ionization of the working gas, reducing the productivity of the ion source in gas and generated current of a beam of charged particles. The magnetic field 9 created by the electromagnets 4 reflects the plasma electrons going to the side walls back to the central longitudinal axis, where its magnitude is vanishingly small, Fig.2. The width of the magnetic slots on the cores of the electromagnets 4 of FIG. 2, through which plasma electrons can escape from the discharge, estimated according to [6] as
W ~ 4 • (ρ _e • ρ _i ) ^1/2 ,
where (ρ _e • ρ _i ) ^1/2 is the Larmor hybrid radius determined by the magnetic field near the pole piece 6, multiplied by the length of the core of the electromagnets 4 and their number, figure 1; the value is many times smaller than the area of care in the prototype [3], where it was determined by the entire lateral surface of the intermediate electrode. In the present invention, as in the prototype, plasma contraction at the outlet of the intermediate electrode is carried out by the electric field of a concave double electric layer, which increases the ion beam current at the source output [1].

Во второй ступени электрического разряда в ионном источнике, выбранном за прототип [3] , плазменные электроны в процессе контрагирования плазмы замагничиваются силовыми линиями магнитного поля, соосного с электрическим в зазоре промежуточный электрод - анод, резко повышая их плотность в трубках тока, что, с учетом электрического взаимодействия зарядов, способствует образованию локальных участков с неравномерным распределением плотности заряда. Наличие таких локализаций повышает уровень самосогласованных полей в плазме, способствуя развитию осцилляции и увеличению ее температуры, что увеличивает разброс поперечных скоростей ионов в пучке на выходе источника. Поэтому температура плазмы, из которой производится отбор ионов в пучок на выходе источников, выбранных за прототип и аналог [1-3], лежит в пределах 3-7 эВ, являясь основным ограничением, препятствующим улучшению фазовых характеристик извлекаемого из таких источников пучка заряженных частиц. In the second stage of an electric discharge in an ion source selected as the prototype [3], plasma electrons in the process of plasma contraction are magnetized by the lines of force of a magnetic field coaxial with the intermediate electrode – anode that is electric in the gap, sharply increasing their density in current tubes, which, taking into account electrical interaction of charges, contributes to the formation of local sections with an uneven distribution of charge density. The presence of such localizations increases the level of self-consistent fields in the plasma, contributing to the development of oscillations and an increase in its temperature, which increases the spread in the transverse velocities of ions in the beam at the source output. Therefore, the temperature of the plasma from which the ions are taken into the beam at the output of the sources selected for the prototype and analogue [1-3] lies in the range of 3–7 eV, being the main limitation preventing the improvement of the phase characteristics of the charged particle beam extracted from such sources.

В предлагаемом изобретении контрагирование плазмы в области отбора ионов в пучок, между промежуточным электродом 3 и анодом 8, осуществляется так же магнитным полем, но его силовые линии ортогональны вектору электрического поля в разряде. А вблизи центральной оси источника, на которой в экспериментальном образце ионного источника расположено отверстие эмиссии 7 фиг.1, величина магнитного поля почти нулевая. Подобная конфигурация полей, вынуждающая плазменные электроны пересекать силовые линии, изменяя свою траекторию движения по сравнению с прототипом, способствует более равномерному распределению плотности заряженных частиц в плазме. Так, характерная температура плазмы в ионных источниках, использующих для ее удержания мультикасповое магнитное поле и одноступенчатый электрический разряд, лежит в диапазоне 0,1-0,3 эВ [4]. Это улучшает фазовые характеристики извлекаемого пучка заряженных частиц. In the present invention, plasma contraction in the field of ion extraction into the beam, between the intermediate electrode 3 and the anode 8, is also carried out by a magnetic field, but its field lines are orthogonal to the electric field vector in the discharge. And near the central axis of the source, on which the emission hole 7 of FIG. 1 is located in the experimental sample of the ion source, the magnetic field is almost zero. Such a configuration of the fields, forcing plasma electrons to cross the lines of force, changing its trajectory of motion in comparison with the prototype, contributes to a more uniform distribution of the density of charged particles in the plasma. Thus, the characteristic plasma temperature in ion sources using a multicasp magnetic field and a single-stage electric discharge for its confinement lies in the range 0.1–0.3 eV [4]. This improves the phase characteristics of the extracted beam of charged particles.

Таким образом, в мультикасповом источнике ионов с двухступенчатым электрическим разрядом, как и в прототипе, сохранены основные физические принципы, формирующие плотную плазму на выходе источника, использование двухступенчатого электрического разряда и его двойное контрагирование электрическим (в конусе промежуточного электрода) и магнитным (между промежуточным электродом и анодом) полями. Но для достижения заявленного положительного эффекта в отличие от прототипа резко уменьшен уход плазменных электронов из области ионизации на всем участке разряда между катодом и анодом и контрагирование плазмы между промежуточным электродом и анодом осуществляется магнитным полем, обеспечивающим получение более низкотемпературной плазмы на выходе ионного источника, что позволяет в предлагаемом изобретении увеличить ток и уменьшить разброс поперечных температур генерируемого источником пучка заряженных частиц. Так, величина нормализованного эмиттанса ионного пучка протонов на выходе предлагаемого источника не превосходила 0,08 (π см мрад) в отличие от 0,8 (π см мрад), характерной для прототипа, причем величина тока ускоренного пучка на 40% превосходила аналогичную характеристику прототипа. Thus, in a multicasp ion source with a two-stage electric discharge, as in the prototype, the basic physical principles that form a dense plasma at the source output, the use of a two-stage electric discharge and its double contraction by the electric (in the cone of the intermediate electrode) and magnetic (between the intermediate electrode) are preserved and anode) fields. But in order to achieve the claimed positive effect, in contrast to the prototype, the departure of plasma electrons from the ionization region in the entire discharge region between the cathode and the anode is sharply reduced and the plasma is contracted between the intermediate electrode and the anode by a magnetic field, which provides a lower temperature plasma at the output of the ion source, which allows in the present invention, increase the current and reduce the spread of transverse temperatures of the charged particle beam generated by the source. So, the magnitude of the normalized emittance of the proton ion beam at the output of the proposed source did not exceed 0.08 (π cm mrad), in contrast to 0.8 (π cm mrad) characteristic of the prototype, and the magnitude of the accelerated beam current was 40% higher than the similar characteristic of the prototype .

Снижение плазменных потерь и увеличение эффективности ионизации рабочего газа, имеющие место в изобретении, позволяют уменьшить его расход и натекание в ускоритель через отверстие эмиссии по сравнению с прототипом. Зачастую эти факторы являются определяющими для нормальной работы многих типов ускорителей. Reducing plasma losses and increasing the efficiency of ionization of the working gas, occurring in the invention, can reduce its consumption and leakage into the accelerator through the emission hole in comparison with the prototype. Often, these factors are crucial for the normal operation of many types of accelerators.

Предлагаемый источник ионов прост и удобен и надежен в эксплуатации. Отличается невысокой стоимостью и удовлетворяет требованиям инжекции в разнообразные виды линейных и кольцевых ускорителей. Принимая во внимание высокую плотность плазмы, позволяющую формировать ионные пучки с большой плотностью тока, предлагаемое изобретение может успешно применяться при разработке импланторов и других технологических устройств. The proposed ion source is simple and convenient and reliable in operation. It has a low cost and meets the requirements of injection into various types of linear and ring accelerators. Given the high plasma density, which allows the formation of ion beams with a high current density, the present invention can be successfully applied in the development of implants and other technological devices.

Источники информации
1. О.В. Morgan, G.G. Kelley, R.C. Davis. Rev. Sci. Instrum. 38. P. 467, 1967.Sources of information
1. O.V. Morgan, GG Kelley, RC Davis. Rev. Sci. Instrum. 38. P. 467, 1967.

2. M.R. Shubaly, R.G. Maggas, A.E. Weeden. IEEE Trans. Nucl. Sci. NS-32. P.1751. 1985. 2. M.R. Shubaly, R.G. Maggas, A.E. Weeden. IEEE Trans. Nucl. Sci. NS-32. P.1751. 1985.

3. Баталин В. А. , Кондратьев Б.К., Коломиец А.А и др. Дуоплазматрон с холодным катодом. // ПТЭ, 1975, 2. С.21-13. 3. Batalin V. A., Kondratiev B. K., Kolomiyets A. A. et al. Duoplasmatron with a cold cathode. // PTE, 1975, 2. S. 21-13.

4. J.P. Brainard, B.O. Hagan. Rev. Sci. Instrum. 54. P.1497. 1983. 4. J.P. Brainard, B.O. Hagan. Rev. Sci. Instrum. 54. P.1497. 1983.

5. Я. Браун. Физика и технология источников ионов. - М.: Мир. С.165. 5. I. Brown. Physics and technology of ion sources. - M .: World. S.165.

6. Семашко Н.Н., Владимиров А.Н., Кузнецов В.В. и др. Инжекторы быстрых атомов водорода. - М.: Энергоиздат, 1981. С.86-88. 6. Semashko NN, Vladimirov AN, Kuznetsov VV et al. Injectors of fast hydrogen atoms. - M .: Energoizdat, 1981. P.86-88.

Claims

A multicasp ion source with a two-stage electric discharge, consisting of a cathode, an intermediate electrode, an anode with an emission hole, arranged in the listed order and electrically isolated from each other, characterized in that independent electromagnets are installed on the intermediate electrode, the magnetic cores of which are made in the form rods extended along the longitudinal axis of the ion source, and the electromagnet electrocoils are turned on and the electromagnets sharply create between the cathode and anode coal multicasp magnetic field, the value of which approaches zero on the longitudinal axis of the source and increases sharply in radius in the region of the rods.