RU2368977C2 - Method of generating stream of negative ions - Google Patents

Method of generating stream of negative ions Download PDF

Info

Publication number
RU2368977C2
RU2368977C2 RU2007146590/28A RU2007146590A RU2368977C2 RU 2368977 C2 RU2368977 C2 RU 2368977C2 RU 2007146590/28 A RU2007146590/28 A RU 2007146590/28A RU 2007146590 A RU2007146590 A RU 2007146590A RU 2368977 C2 RU2368977 C2 RU 2368977C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
converter
negative ions
negative
hydrogen
electrons
Prior art date
Application number
RU2007146590/28A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2007146590A (en
Inventor
Виктор Сергеевич Кленов (RU)
Виктор Сергеевич Кленов
Original Assignee
Институт ядерных исследований РАН (ИЯИ РАН)
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Институт ядерных исследований РАН (ИЯИ РАН) filed Critical Институт ядерных исследований РАН (ИЯИ РАН)
Priority to RU2007146590/28A priority Critical patent/RU2368977C2/en
Publication of RU2007146590A publication Critical patent/RU2007146590A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2368977C2 publication Critical patent/RU2368977C2/en

Links

Abstract

FIELD: physics.
SUBSTANCE: invention relates to the technology of generating streams of negative ions and can be used in charged particle accelerators, plasma heating systems and other devices. The method of generating negative ions is based on desorption of hydrogen particles in form of negative ions from the surface of a converter, made from material with negative electron affinity, for example diamond. To increase intensity of the beam of pulled negative ions in immediate proximity of the converter, high-current gas discharge plasma is generated, which is a source of intense streams of neutral atoms and electrons, which provide for saturation of the atomic layer adsorbed on the surface of the converter and filling the conduction zone with electrons. Molecular hydrogen is fed to the converter such that, it flows through the dense gas discharge zone so as to increase degree of dissociation. Negative electrons are pulled from the converter, bypassing plasma columns. The converter used is an anode or part of an anode of a gas-discharge cell.
EFFECT: increased intensity of beam of negative ions of hydrogen isotopes without using alkali metals as catalyst.
2 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к технике генерации пучков отрицательных ионов и может быть использовано в ускорителях заряженных частиц, системах нагрева плазмы и других устройствах.The invention relates to techniques for generating beams of negative ions and can be used in charged particle accelerators, plasma heating systems and other devices.

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.Known surface-plasma method for producing negative ions [1], including the supply to the discharge chamber of the source along with the main working substance additives additives substances with low ionization potential, such as cesium.

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.The disadvantage of this method is the flow into the discharge chamber of a substance with a low ionization potential, usually alkali metals, most often cesium. The inevitable removal of alkali metal vapors from an ion source into devices using an ion beam limits the application of this method, since it can lead to an increase in secondary electron emission or electrical breakdowns in an accelerating system and other devices.

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.The closest in its technical essence and the achieved result is a method of producing a beam of negative hydrogen ions without using an alkali metal, due to the desorption of hydrogen particles stimulated by electrons from the surface of a semiconductor having negative electron affinity energy, namely diamond [2]. The method includes creating a stream of atomic hydrogen directed to the surface of a converter made of diamond, subsequent bombardment of the surface by an electron beam, causing the desorption of hydrogen particles from the surface in the form of negative ions, acceleration of the formed negative ions and their formation into an ion beam. The disadvantage of this method is the low intensity of the resulting beam of negative hydrogen ions, which in this method is determined by the fact that the current of electrons entering the surface of the converter is limited by the space charge of the electron beam.

Техническим результатом изобретения является повышение интенсивности пучка отрицательных ионов изотопов водорода без использования щелочных металлов в качестве катализаторов процессов образования отрицательных ионов.The technical result of the invention is to increase the intensity of the beam of negative ions of hydrogen isotopes without the use of alkali metals as catalysts for the formation of negative ions.

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.The specified technical result is achieved by the fact that in the known method for producing negative ions, including the creation of flows of atomic hydrogen and electrons directed to the surface of a converter made of a material with negative electron affinity energy, such as diamond, accelerating the formed ions and forming them into a beam, in the method, to create intense flows of atomic hydrogen and electrons in direct contact with the Converter excite the plasma of a high-current gas discharge and, wherein the molecular hydrogen is supplied to the converter so that it flowed through the dense gas discharge zone, and the negative ions are drawn from the converter, bypassing the plasma column. As the converter, an anode or part of the anode of the gas discharge cell can be used.

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.To obtain a technical result in the manufacture of the converter, polycrystalline diamond material obtained by gas-phase synthesis is used. The diamond materials synthesized by this method have the form of plates with sizes over 1 cm in diameter and more than 1 mm thick, which meets the requirements of using negative hydrogen ions as a converter in the source.

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].Known [3] is the electron affinity energy for diamond obtained by gas-phase synthesis, the surface of which is saturated with a layer of adsorbed hydrogen. The affinity energy is U a = -1.27 eV, a negative energy value means that the minimum of the conduction band lies above the vacuum level. The binding energy of the electron with the atomic residue in the H - ion is φ = 0.75 eV. The binding energy of the hydrogen atom adsorbed on the diamond surface is about 1.6 eV [4].

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.When an electron transfers from the level of the conduction band to the level of electron affinity in the H - ion, an energy equal to Δ = | U a -φ | = | -1.27-0.75 | eV = 2.02 eV, which is enough to break the bond of the atom with the surface (1.6 eV) and desorption in the form of a free negative ion.

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.The use of a high-current gas discharge allows to obtain an electron flux on the surface of the converter with a magnitude greater than 1 A, which significantly exceeds the electron current used in the prototype [2], which was 40 μA.

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.The intense dissociation of molecular hydrogen in the zone of the plasma column allows one to obtain an intense flow of atomic hydrogen on the surface of the converter, which is necessary to saturate the surface layer of adsorbed atoms and maintain it during desorption from the surface of hydrogen particles in the form of negative ions.

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.Mastering the gas-phase synthesis of polycrystalline diamond materials made it possible to obtain plates of such a material with a sufficiently large surface area that satisfy the requirements of using negative ions in a surface-plasma source as a converter, on which the neutrals incident on it are recharged into the negative ion stream. Such a converter is located in the region of the emission hole, which significantly increases the probability of negative ions coming out without destruction to the beam forming region and provides conditions for the generation of beams with a small energy spread and emittance.

Способ может быть применен для получения отрицательных ионов изотопов водорода и других элементов, например кислорода, способных образовывать стабильные отрицательные ионы.The method can be applied to obtain negative ions of hydrogen isotopes and other elements, for example oxygen, capable of forming stable negative ions.

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.The drawing shows an embodiment of the method when the converter is a part of the anode of the gas discharge cell in the form of an insert made of diamond material grown by gas-phase synthesis. The gas discharge cell consists of a cathode 1 and anode 2. The anode insert 3 is made of diamond material and serves as a converter of neutral atoms into negative ions. The flow of negative ions 4 is drawn by the electrode 6. The flow of molecular hydrogen 5 is supplied to the discharge from the cathode. To implement the invention, a voltage is applied between the cathode and anode of the gas discharge cell, which causes a gas discharge with a discharge current of more than 10 A. From the cathode side, a working gas, molecular hydrogen, which substantially dissociates in the discharge plasma and flows to the anode in in the form of a stream of atomic particles. The anode also receives a current of electrons of a gas discharge, the magnitude of which is more than 10 A, which is much larger than the electron current supplied to the converter in the prototype. Electrons from a gas discharge plasma flow through an anode insert of diamond material, creating a concentration of carriers in the conduction band of diamond. Hydrogen atoms adsorbed on a diamond surface capture electrons from the conduction band to the electron affinity level with the release of energy sufficient for desorption and escape from the surface in the form of negative ions, and are formed into a beam 4 by pulling electrodes 6.

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.The proposed method for producing a beam of negative hydrogen ions due to the excitation of a plasma of a high-current gas discharge has a high intensity of the resulting negative ion beam and can be used on a high-current linear accelerator.

ЛитератураLiterature

1. В.Г.Дудников. Способ получения отрицательных ионов, Авторское свидетельство Кл. H01J 3/04, №411542, Заявка 3.03.1972, Бюллетень №2, 1974.1. V.G. Dudnikov. The method of obtaining negative ions, Copyright certificate Cl. H01J 3/04, No. 411542, Application 03.03.1972, Bulletin No. 2, 1974.

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 107-113.2. C. Goden 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.

3. J.B.Cui, J.Ristein, L.Ley, Phys. Rev. Letters, 81, p.429-432 (1998).3. J.B. Cui, J. Ristein, L. Lay, Phys. Rev. Letters, 81, p. 429-432 (1998).

4. M.McConial, M.L.Kempel, M.S.Hammond, K.D.Jamison, Jorn. Vac. Sci. Technol. A 14 (4) (1996) p.2308.4. M. McConial, M. L. Kempel, M. S. Hammond, K. D. Jamison, Jorn. Vac. Sci. Technol. A 14 (4) (1996) p. 2308.

Claims (2)

1. Способ получения отрицательных ионов, включающий 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, отличающийся тем, что для создания интенсивных потоков атомарного водорода и электронов, направленных к поверхности конвертора, 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.1. A method of producing negative ions, including the creation of flows of atomic hydrogen and electrons directed to the surface of a converter made of a material with negative electron affinity energy, such as diamond, accelerating the ions formed and forming them into a beam, characterized in that for creating intense atomic flows hydrogen and electrons directed to the surface of the converter, in direct contact with the converter, excite a plasma of a high-current gas discharge, while the molecular The rod is fed to the converter in such a way that it flows through the dense gas discharge zone, and negative ions are pulled from the converter, bypassing the plasma column. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве конвертора используют анод или часть анода газоразрядной ячейки. 2. The method according to claim 1, characterized in that the anode or part of the anode of the discharge cell is used as a converter.
RU2007146590/28A 2007-12-18 2007-12-18 Method of generating stream of negative ions RU2368977C2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2007146590/28A RU2368977C2 (en) 2007-12-18 2007-12-18 Method of generating stream of negative ions

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2007146590/28A RU2368977C2 (en) 2007-12-18 2007-12-18 Method of generating stream of negative ions

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2007146590A RU2007146590A (en) 2009-06-27
RU2368977C2 true RU2368977C2 (en) 2009-09-27

Family

ID=41026452

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2007146590/28A RU2368977C2 (en) 2007-12-18 2007-12-18 Method of generating stream of negative ions

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2368977C2 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2615756C1 (en) * 2013-07-09 2017-04-11 Феникс Нуклеа Лэбс Ллс High-reliabiltiy, long- service life negatively charged ion source
RU2625728C1 (en) * 2016-02-01 2017-07-18 Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом") High-temperature surface ionization source

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
C.Goeden, G.Dollinger. Electron stimulated desorption on diamond (100) as a negative hydrogen source, Applied Surface Science, V.I 47, i.1-4, May 1999, p.107-113. *

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2615756C1 (en) * 2013-07-09 2017-04-11 Феникс Нуклеа Лэбс Ллс High-reliabiltiy, long- service life negatively charged ion source
US9847205B2 (en) 2013-07-09 2017-12-19 Phoenix Llc High reliability, long lifetime, negative ion source
US10950409B2 (en) 2013-07-09 2021-03-16 Phoenix Llc High reliability, long lifetime, negative ion source
RU2625728C1 (en) * 2016-02-01 2017-07-18 Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом") High-temperature surface ionization source

Also Published As

Publication number Publication date
RU2007146590A (en) 2009-06-27

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US7301160B2 (en) Ion sources
Smith et al. Advances in source technology for focused ion beam instruments
JPS61142645A (en) Ion source for combined use by positive and negative polarity
EP1829436B1 (en) Anionic and neutral particulate beams
RU2368977C2 (en) Method of generating stream of negative ions
JP6100098B2 (en) Reduction device and reduction method
JP5404950B1 (en) Deposition apparatus and deposition method
JP3325393B2 (en) Method and apparatus for producing ionic aluminum
JP2000268741A (en) Carbon atom cluster ion generating device and carbon atom cluster ion generating method
Kwan High current ion sources and injectors for induction linacs in heavy ion fusion
KR20200094130A (en) Method and apparatus for inhibiting adhesion of contaminants on the surface of a dynode electron emission
Yoshida et al. Grid-controlled extraction of low-charged ions from a laser ion source
US6998626B1 (en) Method of producing a dopant gas species
Oks et al. Electron beam extraction from a broad-beam vacuum-arc metal plasma source
Malferrari et al. Modification of anisotropic plasma diffusion via auxiliary electrons emitted by a carbon nanotubes-based electron gun in an electron cyclotron resonance ion source
Ishikawa High-intensity negative ion sources for material science applications
Tewari et al. Role of negatively charged ions in plasma on the growth and field emission properties of spherical carbon nanotube tip
RU2229925C1 (en) Process of separation of calcium isotopes in electromagnetic separator
RU2109367C1 (en) Method for producing negative ions in surface-plasma sources
Fraunberg et al. Collision-induced electron emission from surfaces in negative-ion time-of-fliht mass spectrometry
JP2655146B2 (en) Ion irradiation equipment
JP2004139913A (en) Ion beam generating device, ion beam generating method, ion processing device, and ion processing method
JP2004335420A (en) Fe type x-ray radiography system and method of manufacturing fe emitter used in the same
Sereda et al. Method of increasing the longitudnal current of Н⁻ ions from pig with a metal-hydride cathode
Filippov et al. Outgassing during large area field emitter operation in the diode system

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20141219

NF4A Reinstatement of patent

Effective date: 20151110