RU2625728C1 - High-temperature surface ionization source - Google Patents
High-temperature surface ionization source Download PDFInfo
- Publication number
- RU2625728C1 RU2625728C1 RU2016103208A RU2016103208A RU2625728C1 RU 2625728 C1 RU2625728 C1 RU 2625728C1 RU 2016103208 A RU2016103208 A RU 2016103208A RU 2016103208 A RU2016103208 A RU 2016103208A RU 2625728 C1 RU2625728 C1 RU 2625728C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- source
- surface ionization
- ionization source
- hole
- ionization
- Prior art date
Links
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
- H01J27/00—Ion beam tubes
- H01J27/02—Ion sources; Ion guns
- H01J27/26—Ion sources; Ion guns using surface ionisation, e.g. field effect ion sources, thermionic ion sources
Landscapes
- Electron Sources, Ion Sources (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к вакуумной технике и может быть использовано для получения пучков ионов при разделении изотопов или масс-спектрометрии.The invention relates to vacuum technology and can be used to obtain ion beams in the separation of isotopes or mass spectrometry.
Для получения пучков ионов в целях, к примеру, ядерной медицины используют различные методы ионизации, но наиболее распространенным и простым для реализации является метод поверхностной ионизации. Суть его состоит в том, что при попадании атомов на поверхность металла часть из них испаряется в виде нейтральных частиц, а часть - в виде положительных ионов.To obtain ion beams for purposes, for example, nuclear medicine, various ionization methods are used, but the surface ionization method is the most common and simple to implement. Its essence is that when atoms hit the metal surface, part of them evaporates in the form of neutral particles, and part in the form of positive ions.
Как известно, степень поверхностной ионизации описывается уравнением Саха-Ленгмюра [Л.Н. Добрецов, М.В. Гомоюнова. Эмиссионная электроника. М.: «Наука», 1966 г., 564 с.]:As you know, the degree of surface ionization is described by the Sakha-Langmuir equation [L.N. Dobretsov, M.V. Gomoyunova. Emission electronics. M .: "Science", 1966, 564 pp.]:
где α - степень поверхностной ионизации, равная:where α is the degree of surface ionization equal to:
na - доля атомов, испарившихся с поверхности в виде нейтральных атомов; np - в виде положительных ионов; gp/ga - отношение статистических весов ионного и атомного состояния ионизирующихся частиц; ϕ - работа выхода материала, с поверхности которого испаряются атомы; Vi - потенциал ионизации атома.n a is the fraction of atoms evaporated from the surface in the form of neutral atoms; n p - in the form of positive ions; g p / g a is the ratio of the statistical weights of the ionic and atomic state of ionizing particles; ϕ is the work function of the material from the surface of which atoms evaporate; V i is the ionization potential of the atom.
Из уравнения видно, что степень ионизации тем больше, чем больше разность работы выхода ионизатора и потенциала ионизации атомов (ϕ-Vi), стоящая в числителе экспоненты.It can be seen from the equation that the degree of ionization is greater, the greater is the difference between the work function of the ionizer and the atomic ionization potential (ϕ-V i ), which is in the numerator of the exponent.
Известен ионный источник с поверхностной ионизацией, выполненный в виде трубки из поликристаллического вольфрама, в котором образование ионов происходит при попадании атомов ионизируемого вещества на разогретую внутреннюю цилиндрическую поверхность трубки [V.N. Panteleev, А.Е. Barzakh, D.V. Fedorov, F.V. Moroz, S. Yu. Orlov, M.D. Seliverstov and Yu. M. Volkov. High temperature ion sources with ion confinement. Rev. Sci. Instr., Vol 73, No. 2, February 2002, 738-740].Known ion source with surface ionization, made in the form of a tube of polycrystalline tungsten, in which the formation of ions occurs when atoms of the ionized substance get on the heated inner cylindrical surface of the tube [V.N. Panteleev, A.E. Barzakh, D.V. Fedorov, F.V. Moroz, S. Yu. Orlov, M.D. Seliverstov and Yu. M. Volkov. High temperature ion sources with ion confinement. Rev. Sci. Instr., Vol 73, No. 2, February 2002, 738-740].
Недостатком такого источника поверхностной ионизации является его относительно низкая эффективность, связанная с невысокой степенью поверхностной ионизации на поликристаллическом вольфраме, работа выхода которого составляет (4,5-4,55) эВ [B.C. Фоменко. Эмиссионные свойства материалов. Наукова думка. Киев. 1970. 134 с].The disadvantage of such a surface ionization source is its relatively low efficiency, associated with a low degree of surface ionization on polycrystalline tungsten, the work function of which is (4.5-4.55) eV [B.C. Fomenko. Emission properties of materials. Naukova Dumka. Kiev. 1970. 134 s].
Для повышения эффективности источника необходимо достигать высоких температур на внутренней поверхности вольфрамовой трубки, что, с одной стороны, приводит к снижению срока службы источника, а с другой - требует дополнительных технических средств нагрева, повышая при этом его стоимость.To increase the efficiency of the source, it is necessary to achieve high temperatures on the inner surface of the tungsten tube, which, on the one hand, leads to a decrease in the service life of the source, and on the other hand, requires additional heating means, while increasing its cost.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является ионный источник с поверхностной ионизацией, выполненный в виде трубки из монокристалла вольфрама, который авторы выбрали в качестве прототипа [В.Н. Пантелеев. Эксперименты на установке ИРИС МЛК ИРИНА. Сессия научного совета ОФВЭ, 23-26 декабря 2014 г.].Closest to the proposed technical solution is an ion source with surface ionization, made in the form of a tube from a single crystal of tungsten, which the authors chose as a prototype [V.N. Panteleev. Experiments on the IRIS MLK IRINA installation. Session of the Scientific Council of HEPE, December 23-26, 2014].
Известный источник обладает повышенной по сравнению с источником из поликристаллического вольфрама эффективностью благодаря анизотропии свойств монокристалла. Однако, несмотря на то, что на внутреннюю поверхность трубки выходят грани с достаточно высокими значениями работы выхода (до 5,6 эВ), интегральная работа выхода источника существенно ниже, что связано с присутствием на внутренней поверхности трубки большого числа кристаллографических граней с низкой работой выхода. Для повышения эффективности ионизации указанный источник также требует дополнительных технических средств нагрева или увеличения длины самого ионизатора, что сказывается на его стоимости.The known source has a higher efficiency compared to a source from polycrystalline tungsten due to the anisotropy of the properties of the single crystal. However, despite the fact that faces with sufficiently high values of the work function (up to 5.6 eV) extend to the inner surface of the tube, the integral work function of the source is much lower, due to the presence of a large number of crystallographic faces with a low work function . To increase the efficiency of ionization, this source also requires additional technical means of heating or increasing the length of the ionizer itself, which affects its cost.
Задача и достигаемый при использовании изобретения технический результат - повышение эффективности источника поверхностной ионизации без увеличения его рабочей температуры и геометрических размеров, что позволяет снизить стоимость получения пучков ионов.The task and the technical result achieved by using the invention is to increase the efficiency of a surface ionization source without increasing its operating temperature and geometric dimensions, which reduces the cost of producing ion beams.
Поставленная задача решается путем выполнения высокотемпературного ионного источника поверхностной ионизации из монокристаллического материала с объемно-центрированной кубической решеткой, снабженного цилиндрическим сквозным отверстием, в котором согласно изобретению сквозное отверстие выполнено вдоль кристаллографического направления [111] монокристалла.The problem is solved by performing a high-temperature ion source of surface ionization from a single crystal material with a body-centered cubic lattice provided with a cylindrical through hole in which, according to the invention, the through hole is made along the crystallographic direction [111] of the single crystal.
В качестве монокристаллического материала с объемно-центрированной кубической решеткой выбраны материалы из ряда тугоплавких материалов, таких как вольфрам, тантал, молибден и ванадий.As a single-crystal material with a body-centered cubic lattice, materials from a number of refractory materials, such as tungsten, tantalum, molybdenum, and vanadium, were selected.
Для дополнительного повышения работы выхода поверхность сквозного отверстия снабжена оксидной пленкой, толщина которой не превышает 1 мкм.To further increase the work function, the surface of the through hole is provided with an oxide film whose thickness does not exceed 1 μm.
При расположении сквозного отверстия вдоль кристаллографического направления [111] монокристалла на внутреннюю поверхность источника выходит максимальное число граней с индексами {110}, обладающих максимальной работой выхода - (5,2-5,6) эВ.When the through hole is located along the crystallographic direction [111] of the single crystal, the maximum number of faces with indices {110} with the maximum work function of (5.2–5.6) eV emerge on the inner surface of the source.
Как подтверждают проведенные эксперименты, эффективность источника поверхностной ионизации увеличивается по сравнению с прототипом, по меньшей мере, в два раза. В частности, использование заявленного источника позволяет получать эффективность ионизации изотопов Sr более 80% при длине ионизатора до 25 мм, что обеспечивает повышенный выход изотопов и, как следствие, снижение стоимости их производства.As confirmed by the experiments, the effectiveness of the surface ionization source is increased in comparison with the prototype, at least twice. In particular, the use of the claimed source allows one to obtain an ionization efficiency of Sr isotopes of more than 80% with an ionizer length of up to 25 mm, which provides an increased yield of isotopes and, as a result, a decrease in the cost of their production.
Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретенияInformation confirming the possibility of carrying out the invention
Высокотемпературный источник поверхностной ионизации выполнен в виде трубы из монокристаллического вольфрама, полученного методом зонной плавки. Указанный монокристалл вольфрама ориентируют по кристаллографическому направлению [111], вдоль которого выполняют сквозное отверстие цилиндрической формы диаметром 2 мм методом электроэрозионной резки. Затем методом электроэрозионной резки формируют наружную поверхность источника в форме цилиндра диаметром 7 мм, коаксиально расположенного относительно сквозного отверстия. Внутреннюю и наружную поверхность полученной трубки подвергают электрохимической полировке в NaOH. После полировки получившееся изделие подвергают термообработке в атмосфере воздуха при температуре 700°С, формируя тем самым оксидную пленку толщиной до 1 мкм.The high-temperature surface ionization source is made in the form of a pipe made of single-crystal tungsten obtained by the zone melting method. The specified tungsten single crystal is oriented in the crystallographic direction [111] along which a through hole of a cylindrical shape with a diameter of 2 mm is performed by EDM cutting. Then, by the EDM method, the outer surface of the source is formed in the form of a cylinder with a diameter of 7 mm, coaxially located relative to the through hole. The inner and outer surfaces of the obtained tube are subjected to electrochemical polishing in NaOH. After polishing, the resulting product is subjected to heat treatment in an atmosphere of air at a temperature of 700 ° C, thereby forming an oxide film up to 1 μm thick.
Следует отметить, что источник может иметь любую другую форму с точки зрения технологичности конструкции, а также условий эксплуатации, и которая не является существенной с точки зрения достижения технического результата.It should be noted that the source can have any other form in terms of manufacturability of the design, as well as operating conditions, and which is not significant in terms of achieving a technical result.
В зависимости от конструкции масс-сепаратора возможно формирование наружной поверхности, отличной от цилиндра формы, например в виде прямоугольного параллелепипеда.Depending on the design of the mass separator, it is possible to form an external surface that is different from the cylinder shape, for example in the form of a rectangular parallelepiped.
В масс-сепараторе заявляемое устройство располагают в непосредственной близости от испаряемой мишени. Нагрев высокотемпературного источника проводят методом прямого пропускания электрического тока. Испаренные атомы мишени, попадая на разогретую внутреннюю поверхность источника, покидают ее в виде ионов, которые впоследствии направляют из облучательного устройства электростатическим полем.In the mass separator of the inventive device is located in the immediate vicinity of the evaporated target. The high-temperature source is heated by direct transmission of electric current. The evaporated target atoms, falling on the heated inner surface of the source, leave it in the form of ions, which are subsequently sent from the irradiation device by an electrostatic field.
Техническим результатом, достигаемым при использовании заявленного изобретения, является повышенное значение эффективности ионизации и, как следствие, получения радиоизотопов и снижение стоимости их производства на установках с масс-сепаратором.The technical result achieved by using the claimed invention is the increased value of the ionization efficiency and, as a result, the production of radioisotopes and a decrease in the cost of their production in plants with a mass separator.
Claims (3)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2016103208A RU2625728C1 (en) | 2016-02-01 | 2016-02-01 | High-temperature surface ionization source |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2016103208A RU2625728C1 (en) | 2016-02-01 | 2016-02-01 | High-temperature surface ionization source |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2625728C1 true RU2625728C1 (en) | 2017-07-18 |
Family
ID=59495350
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2016103208A RU2625728C1 (en) | 2016-02-01 | 2016-02-01 | High-temperature surface ionization source |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2625728C1 (en) |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU397984A1 (en) * | 1972-05-29 | 1973-09-17 | ion source with SURFACE IONIZATION | |
| JP2004342384A (en) * | 2003-05-14 | 2004-12-02 | Japan Atom Energy Res Inst | Negative ion source forming negative ion of high current density in high efficiency by reducing gas pressure of beam passage region |
| RU2293977C2 (en) * | 2005-02-21 | 2007-02-20 | Владимир Иванович Капустин | Ion mobility spectrometer |
| RU2368977C2 (en) * | 2007-12-18 | 2009-09-27 | Институт ядерных исследований РАН (ИЯИ РАН) | Method of generating stream of negative ions |
-
2016
- 2016-02-01 RU RU2016103208A patent/RU2625728C1/en active
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU397984A1 (en) * | 1972-05-29 | 1973-09-17 | ion source with SURFACE IONIZATION | |
| JP2004342384A (en) * | 2003-05-14 | 2004-12-02 | Japan Atom Energy Res Inst | Negative ion source forming negative ion of high current density in high efficiency by reducing gas pressure of beam passage region |
| RU2293977C2 (en) * | 2005-02-21 | 2007-02-20 | Владимир Иванович Капустин | Ion mobility spectrometer |
| RU2368977C2 (en) * | 2007-12-18 | 2009-09-27 | Институт ядерных исследований РАН (ИЯИ РАН) | Method of generating stream of negative ions |
Non-Patent Citations (3)
| Title |
|---|
| Банных О.А. Новый подход к поверхностной ионизации и дрейф-спектроскопии органических молекул ЖТФ, 2002, том 72, вып.12, с.88-93.. * |
| ПАНТЕЛЕЕВ В.Н. Эксперименты на установке ИРИС МЛК ИРИНА. Сессия научного совета ОФВЭ, 23-26 декабря 2014. * |
| ПАНТЕЛЕЕВ В.Н. Эксперименты на установке ИРИС МЛК ИРИНА. Сессия научного совета ОФВЭ, 23-26 декабря 2014. Банных О.А. Новый подход к поверхностной ионизации и дрейф-спектроскопии органических молекул ЖТФ, 2002, том 72, вып.12, с.88-93.. * |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Wang et al. | Threshold photodetachment of cold C− 60 | |
| Turek et al. | Versatile plasma ion source with an internal evaporator | |
| JP2018526570A (en) | Gridded ion thruster with integrated solid propellant | |
| US10068743B2 (en) | Ion source devices and methods | |
| TW201113923A (en) | Conjugated ICP and ECR plasma sources for wide ribbon ion beam generation and control | |
| RU2625728C1 (en) | High-temperature surface ionization source | |
| US9576767B2 (en) | Focused ion beam systems and methods of operation | |
| US11004649B2 (en) | Ion source device | |
| Cutroneo et al. | Laser ion implantation of Ge in SiO2 using a post-ion acceleration system | |
| KR101371957B1 (en) | Ion implantation method | |
| KR102448490B1 (en) | Electrode, accelerator column and ion implantation device including same | |
| Bernatskii et al. | Field-Induced Desorption of Cesium from Rhenium | |
| Bakardjieva et al. | Radiation stability of Ti2InC (M2AX) nanolaminates under He ions irradiation–evaluation through STEM microscopy | |
| RU2558239C1 (en) | Weather condition correction device | |
| Abdelrahman et al. | Modified saddle field ion source using a ring focusing electrode | |
| RU2581835C1 (en) | Controlled emitting unit of electronic devices with autoelectronic emission and x-ray tube with said unit | |
| Moore | Delayed excimer emission from anthracene | |
| Dautov et al. | Calculation of distribution of potential near the surface of metal particle in the dust-electron thermal plasma | |
| JP2024521061A (en) | Ion generation system with efficient ion collector | |
| Sereda et al. | Method of increasing the longitudnal current of Н⁻ ions from pig with a metal-hydride cathode | |
| Motaweh et al. | Energy spectra of the electrons and ions emitted from Ni single crystal surface under Ne ion bombardment | |
| Adamenko et al. | Vacuum electric discharge initiated by accelerated nanoparticles | |
| JP2015185233A (en) | Method of producing negative ion beams of fullerene and organic polymer | |
| Turek | Ionization efficiency in a hot flat disc-shaped cavity | |
| Turek et al. | New Approach to Non-Volatile Metal Ion Production Using Plasma Ion Source with Internal Evaporator |