RU2647887C1

RU2647887C1 - Duoplasmatron source of gas ions

Info

Publication number: RU2647887C1
Application number: RU2017117719A
Authority: RU
Inventors: Владимир Иванович Турчин
Priority date: 2017-05-23
Filing date: 2017-05-23
Publication date: 2018-03-21

Abstract

FIELD: physics.

SUBSTANCE: invention refers to the sources of gas ions, which are used in accelerators of charged particles. Duopolasmatron source of gas ions consists of the coaxially located cathode, of the intermediate electrode with the opening and of the anode with the emission opening. There is the tubular metal cylinder between the anode and the intermediate electrode, one end of the cylinder is fixed to the intermediate electrode, and the opposite end is blocked by the diaphragm with the opening, the area of which is selected to be less than the inner surface area of the tubular metal cylinder, this area is selected as the ratio of the square root of the doubled electron mass to the square root of the working gas ion.

EFFECT: increased phase current density of the injected ion beam.

1 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к источникам ионов, применяемым на ускорителях заряженных частиц, и может использоваться в областях, где требуются ускоренные ионы.The invention relates to ion sources used in accelerators of charged particles, and can be used in areas where accelerated ions are required.

Широко известны источники ионов дуоплазматронного типа, содержащие катод, промежуточный электрод, анод с отверстием эмиссии и магнитопровод с электромагнитной катушкой для формирования аксиального магнитного поля между анодом и промежуточным электродом. (Габович М.Д. Плазменные источники ионов. Киев.: Наукова думка, 1964). Недостаток - низкая фазовая плотность тока пучка, генерируемого источником, вызванная наличием аксиального магнитного поля в области анода, разогревающего плазму и большого потока остаточного газа на выходе источника ионов, способствующего рассеянию и перезарядке ионов на молекулах газа.Duoplasmatron-type ion sources are widely known, comprising a cathode, an intermediate electrode, an anode with an emission hole, and a magnetic circuit with an electromagnetic coil to form an axial magnetic field between the anode and the intermediate electrode. (Gabovich M.D. Plasma sources of ions. Kiev: Naukova Dumka, 1964). The disadvantage is the low phase density of the beam current generated by the source, caused by the presence of an axial magnetic field in the region of the anode, which heats up the plasma and a large stream of residual gas at the output of the ion source, which contributes to the scattering and charge exchange of ions on gas molecules.

Известны источники ионов дуоплазматронного типа, в которых для уменьшения потока остаточного газа на выходе дуоплазматрона установлен электромагнитный клапан, его подвижная заслонка открывает отверстие эмиссии только на время экстракции ионов из источника (Баталии В.А., Кондратьев Б.К., Коломиец А.А. и др. Дуоплазматрон с холодным катодом. // ПТЭ, 1975, №2. С. 21-13 и Баталии В.А., Коломиец А.А., Кондратьев Б.К. и др. // ПТЭ. 1978, №3. С. 35). Недостаток, низкая фазовая плотность тока пучка, извлекаемого из ионных источников из-за наличия аксиального магнитного поля в области между анодом и промежуточным электродом.Duoplasmatron-type ion sources are known in which an electromagnetic valve is installed at the output of the duoplasmatron to reduce the residual gas flow, its movable damper opens the emission hole only during the extraction of ions from the source (Batalia V.A., Kondratiev B.K., Kolomiyets A.A. . and others. Duoplasmatron with a cold cathode. // PTE, 1975, No. 2. P. 21-13 and Batalia VA, Kolomiyets AA, Kondratiev BK and others // PTE. 1978, No. 3. P. 35). The disadvantage is the low phase current density of the beam extracted from ion sources due to the presence of an axial magnetic field in the region between the anode and the intermediate electrode.

Наиболее близким техническим решением, принятым за прототип, является дуоплазматрон, содержащий соосно расположенные: катод, промежуточный электрод с отверстием, анод с отверстием эмиссии и полый безнакальный катод, размещенный между анодом и промежуточным электродом и электрически соединенный с промежуточным электродом (Патент на изобретение №2045103. Турчин В.И., Кондратьев Б.К, Дуоплазматрон).The closest technical solution adopted for the prototype is a duoplasmatron containing coaxially arranged: a cathode, an intermediate electrode with a hole, an anode with an emission hole and a hollow non-filament cathode located between the anode and the intermediate electrode and electrically connected to the intermediate electrode (Patent for invention No. 2045103 Turchin V.I., Kondratiev B.K., Duoplasmatron).

Техническая проблема заключается в малой величине фазовой плотности тока ионного пучка на выходе источника из-за низкой эффективности ионизации молекул газа электронами и большого потока остаточного газа на выходе источника ионов.The technical problem is the small phase density of the ion beam current at the source output due to the low efficiency of ionization of gas molecules by electrons and the large residual gas flow at the output of the ion source.

Целью изобретения является повышение фазовой плотности тока пучка ионов на выходе источника.The aim of the invention is to increase the phase density of the current of the ion beam at the source output.

Сущность изобретения - использование электронов плазмы, образующейся в зазоре анод - промежуточный электрод, для ионизации молекул газа вблизи отверстия эмиссии в аноде.The essence of the invention is the use of electrons of the plasma formed in the gap of the anode - an intermediate electrode, for ionization of gas molecules near the emission hole in the anode.

Поставленная цель достигается предложенной конструкцией дуоплазматронного источника газовых ионов, состоящего из соосно расположенных: катода, промежуточного электрода с отверстием, анода с отверстием эмиссии и трубчатого металлического цилиндра, размещенного между анодом и промежуточным электродом, один торец которого закреплен на промежуточном электроде, а противоположный торец перекрыт диафрагмой с отверстием, площадь которого выбирают меньше площади внутренней поверхности трубчатого металлического цилиндра как отношение корня квадратного удвоенной массы электрона к корню квадратному массы иона рабочего газа.This goal is achieved by the proposed design of the duoplasmatron gas ion source, consisting of coaxially arranged: cathode, intermediate electrode with a hole, anode with an emission hole and a tubular metal cylinder placed between the anode and the intermediate electrode, one end of which is fixed to the intermediate electrode, and the opposite end is closed a diaphragm with a hole, the area of which is chosen less than the area of the inner surface of the tubular metal cylinder as the ratio of nya square double mass of the electron to the root of the square mass of the working gas ion.

В прототипе плазма, заполняющая область между промежуточным электродом и анодом, может только контрагироваться электрическим полем полого катода и ее электроны не обладают достаточной энергией для ионизации газа в области анода. В предлагаемом изобретении трубчатый металлический цилиндр с диафрагмой является электростатической ловушкой для электронов, эмитируемых стенками его внутренней поверхности, что наряду с наличием потока электронов, поступающих из отверстия промежуточного электрода способствует увеличению плотности плазмы, образованной внутри его полости. Когда плотность электронов в этой плазме начинает превышать пропускную способность отверстия диафрагмы, ограниченную действием закона Кулона, вблизи отверстия диафрагмы образуется двойной слой. Электрическое поле которого ускоряет плазменные электроны в сторону анода (Никулин С.П. Влияние размеров анода на характеристики тлеющего разряда с полым катодом. Журнал технической физики. 1997. Т. 67. Вып. 5. С. 43-47. Гречаный В.Н., Метель А.С. Тлеющий разряд с полым катодом в вакуумном режиме катодной полости. Теплофизика высоких температур. 1984. Т. 22. Вып. 6. С. 444-448). Ускоренные в двойном слое плазменные электроны приобретают дополнительную энергию, позволяющую им ионизировать рабочий газ в области анода (А.С. Метель. Особенности установления квазистационарного состояния сильноточного разряда с полым катодом при пониженных давлениях газа. Журнал технической физики. 1986. Т. 56. Вып. 12. С. 2329-3239).In the prototype, the plasma filling the region between the intermediate electrode and the anode can only be contracted by the electric field of the hollow cathode and its electrons do not have enough energy to ionize the gas in the region of the anode. In the present invention, a tubular metal cylinder with a diaphragm is an electrostatic trap for electrons emitted by the walls of its inner surface, which, along with the presence of a stream of electrons coming from the holes of the intermediate electrode, increases the density of the plasma formed inside its cavity. When the electron density in this plasma begins to exceed the throughput of the diaphragm hole, limited by the Coulomb law, a double layer forms near the diaphragm hole. The electric field of which accelerates the plasma electrons toward the anode (Nikulin S.P. Influence of the size of the anode on the characteristics of a glow discharge with a hollow cathode. Journal of Technical Physics. 1997. V. 67. Issue 5. P. 43-47. Grechaniy V.N. ., Metel AS, Glow discharge with a hollow cathode in the vacuum regime of the cathode cavity. Thermophysics of high temperatures. 1984. V. 22. Issue 6. P. 444-448). Plasma electrons accelerated in the double layer acquire additional energy, which allows them to ionize the working gas in the anode region (A. Metel. Features of establishing a quasistationary state of a high-current hollow-cathode discharge at low gas pressures. Journal of Technical Physics. 1986. V. 56. Issue 12, pp. 2329-3239).

В результате предложенных конструктивных изменений, выразившихся в установке между промежуточным электродом и анодом трубчатого металлического цилиндра предложенной конструкции, в дуоплазматронном источнике газовых ионов возникает новое физическое свойство. А именно становится возможным использовать электроны плазмы, образующейся в полости металлического цилиндра для ионизации газа вблизи отверстия эмиссии в аноде, способствуя увеличению эффективности ионизации молекул рабочего газа и увеличению плотности ионов плазмы в этой области, уменьшению потока остаточного газа и повышению фазовой плотности тока пучка на выходе источника ионов (технический результат).As a result of the proposed structural changes, expressed in the installation between the intermediate electrode and the anode of the tubular metal cylinder of the proposed design, a new physical property arises in the duoplasmatron source of gas ions. Namely, it becomes possible to use the electrons of the plasma formed in the cavity of the metal cylinder to ionize the gas near the emission hole in the anode, helping to increase the ionization efficiency of the working gas molecules and increase the plasma ion density in this region, reduce the residual gas flow and increase the phase current density of the beam at the exit ion source (technical result).

Анализ отличительных существенных признаков и проявленных благодаря им физических свойств, связанных с достижением неожиданного технического результата, позволяет считать данную заявку соответствующей критерию изобретения.Analysis of the distinctive essential features and the physical properties manifested due to them, associated with the achievement of an unexpected technical result, allows us to consider this application to meet the criteria of the invention.

На рисунке показана схема дуоплазматронного источника газовых ионов согласно настоящему изобретению.The figure shows a diagram of a duoplasmatron source of gas ions according to the present invention.

Дуоплазматронный источник газовых ионов состоит из соосно расположенных: газовой магистрали 1, разрядной камеры 2, внутри которой установлен промежуточный электрод 3 с апертурой в конусной части, установленного на газовой магистрали катода 4, трубчатого металлического цилиндра 5, один торец которого закреплен на внешней стороне конуса промежуточного электрода, а противоположный торец перекрыт диафрагмой 6 с отверстием 7, анода 8 с отверстием эмиссии 9.The duoplasmatron gas ion source consists of coaxially arranged: gas line 1, discharge chamber 2, inside which an intermediate electrode 3 with an aperture in the conical part mounted on the gas line of the cathode 4, is installed, a tubular metal cylinder 5, one end of which is fixed on the outside of the intermediate cone electrode, and the opposite end is blocked by a diaphragm 6 with a hole 7, of the anode 8 with a hole of emission 9.

Дуоплазматронный источник газовых ионов предназначен для использования в ускорителях и импланторах заряженных частиц. Увеличение фазовой плотности инжектируемого ионного пучка обеспечивается в нем установкой между анодом и промежуточным электродом трубчатого металлического цилиндра, конструкция которого позволяет использовать поверхность его внутренней полости в качестве катода, а саму полость в качестве электростатической ловушки для электронов, эмитируемых стенками полости. При определенной конструкции данного металлического цилиндра, вблизи отверстия диафрагмы перекрывающей его торец со стороны анода образуется двойной слой. Увеличение потока плазменных электронов, ионизирующих газ на выходе данного источника ионов за счет плазменных электронов, ускоренных электрическим полем двойного слоя, способствует повышению эффективности ионизации газа. Это увеличивает плотность плазмы в области анода и величины тока ионов в пучке на выходе данного источника ионов. Использование электронов плазмы, образованной в области промежуточный электрод - анод для ионизации газа так же способствует уменьшению давления рабочего газа в источнике. Перечисленные выше факторы приводят к увеличению тока и фазовой плотности ионного пучка на выходе дуоплазматронного источника газовых ионов.The duoplasmatron gas ion source is intended for use in charged particle accelerators and implants. An increase in the phase density of the injected ion beam is ensured in it by installing a tubular metal cylinder between the anode and the intermediate electrode, the design of which allows the surface of its internal cavity to be used as a cathode, and the cavity itself as an electrostatic trap for electrons emitted by the walls of the cavity. With a certain design of this metal cylinder, a double layer is formed near the hole of the diaphragm overlapping its end from the side of the anode. An increase in the flux of plasma electrons ionizing the gas at the output of a given ion source due to plasma electrons accelerated by the electric field of the double layer helps to increase the efficiency of gas ionization. This increases the plasma density in the anode region and the ion current in the beam at the output of this ion source. The use of plasma electrons formed in the region of the intermediate electrode - anode for ionization of the gas also helps to reduce the pressure of the working gas in the source. The factors listed above lead to an increase in the current and phase density of the ion beam at the output of the duoplasmatron source of gas ions.

Фазовая плотность тока пучка заряженных частиц определяется формулойThe phase current density of a beam of charged particles is determined by the formula

где: I - ток ионного пучка, V_p - эмиттанс пучка, зависящий от величины фазового сдвига, возникающего при рассеянии ионов в результате столкновений с молекулами остаточного газа на выходе источника ионов (ИИ) (И.М. Капчинский, Теория линейных резонансных ускорителей. М. Энергоиздат. С. 42-75. 1982 г.).where: I is the ion beam current, V _p is the beam emittance, which depends on the phase shift arising from ion scattering as a result of collisions with residual gas molecules at the output of the ion source (II) (I.M. Kapchinsky, Theory of linear resonant accelerators. M. Energoizdat. S. 42-75. 1982).

Максимальная величина тока заряженных частиц, который можно извлечь из плазмы, зависит от плотности плазмы. Величина плотности плазмы, образующейся при ионизации газа электронами, возрастает с увеличением потока электронов. Увеличение интенсивности потока ионизирующих газ электронов позволяет уменьшать плотность газа в ИИ, сохраняя неизменной величину плотности образующейся плазмы. Уменьшение потока остаточного газа на выходе ИИ способствует уменьшению углового рассеяние ионов в экстрагируемом пучке, уменьшая величину эмиттанса пучка V_p.Перечисленные факторы, увеличения I и уменьшения V_p приводят к росту фазовой плотности J в ионном пучке (1).The maximum current of charged particles that can be extracted from the plasma depends on the plasma density. The density of the plasma formed during ionization of the gas by electrons increases with increasing electron flux. An increase in the intensity of the flow of gas-ionizing electrons makes it possible to reduce the density of the gas in the AI, keeping the density of the plasma formed unchanged. A decrease in the residual gas flow at the AI output helps to reduce the angular scattering of ions in the extracted beam, decreasing the beam emittance V _p. The listed factors, increasing I and decreasing V _p lead to an increase in the phase density J in the ion beam (1).

Пример 1.Example 1

Дуоплазматронный источник газовых ионов работает следующим образом. Рабочий газ по газовой магистрали 1 поступает в разрядную камеру 2, заполняя ее. На промежуточный электрод 3 и катод 4, установленный на газовой магистрали1, от блоков электропитания (на рисунке они не показаны) подается импульсное электрическое напряжение отрицательной полярности относительно анода 8. Величина амплитуды импульсов на катоде 4 меньше амплитуды импульсов, поступающих на промежуточный электрод 3. После подачи на эти электроды электрического напряжения между промежуточным электродом 3 и катодом 4 зажигается электрический разряд, образуется катодная плазма (рисунке). Электронную компоненту этой плазмы составляют быстрые электроны, эмитированные катодом, и плазменные электроны, образовавшиеся при ионизации молекул газа быстрыми электронами.Duoplasmatron source of gas ions works as follows. The working gas through the gas line 1 enters the discharge chamber 2, filling it. The intermediate electrode 3 and the cathode 4 mounted on the gas line 1 are supplied from the power supply units (they are not shown in the figure) with a pulsed electrical voltage of negative polarity relative to the anode 8. The magnitude of the amplitude of the pulses at the cathode 4 is less than the amplitude of the pulses supplied to the intermediate electrode 3. After applying electric voltage to these electrodes between the intermediate electrode 3 and the cathode 4, an electric discharge is ignited, a cathode plasma is formed (figure). The electronic component of this plasma is composed of fast electrons emitted by the cathode, and plasma electrons produced by ionization of gas molecules by fast electrons.

Из-за наличия плазменных электронов, плотность потока электронов, инжектируемых образованной катодной плазмой через апертуру промежуточного электрода 3, многократно превосходит плотность электронов, эмитируемых катодом 4. Электроны, экстрагированные из катодной плазмы, проходя через отверстие в конусной части промежуточного электрода 3, ионизируют газ в области между анодом 8 и промежуточным электродом 3. Образованная ими плазма, контрагируется в аналогах или прототипе магнитным или электрическим полями, заполняя пространство между анодом и промежуточным электродом источника. Ионы из этой плазмы эмитируются источниками в пучок через отверстие эмиссии 9 (Габович М.Д. Плазменные источники ионов. Киев.: Наукова думка, 1964).Due to the presence of plasma electrons, the flux density of the electrons injected by the generated cathode plasma through the aperture of the intermediate electrode 3 is many times higher than the density of the electrons emitted by the cathode 4. The electrons extracted from the cathode plasma, passing through the hole in the conical part of the intermediate electrode 3, ionize the gas into the area between the anode 8 and the intermediate electrode 3. The plasma formed by them is counterparted in analogues or prototype to magnetic or electric fields, filling the space between the an od and intermediate source electrode. Ions from this plasma are emitted by sources into the beam through emission hole 9 (Gabovich MD, Plasma ion sources. Kiev: Naukova Dumka, 1964).

В аналогах и прототипе движение плазменных электронов в области между анодом и промежуточным электродом носит диффузионный характер, они не обладают энергией, достаточной для ионизации газа. Плотность плазмы в области анода, и величина тока ионов, экстрагируемых из такой плазмы, зависит от интенсивности потока быстрых электронов, экстрагируемых из катодной плазмы.In the analogues and prototype, the movement of plasma electrons in the region between the anode and the intermediate electrode is diffusive, they do not have enough energy to ionize the gas. The plasma density in the anode region, and the magnitude of the current of ions extracted from such a plasma, depends on the intensity of the flux of fast electrons extracted from the cathode plasma.

В предлагаемом изобретении кроме электронов катодной плазмы из промежуточного электрода 3 в ионизации газа в области отверстия эмиссии 9 участвуют электроны плазмы, образованной в трубчатом металлическом цилиндре 5, установленном в пространстве между промежуточным электродом 3 и анодом 8. В результате, между анодом 8 и промежуточным электродом 3 возникают два плазменных сгустка различной плотности, разделенные двойным слоем. Они показаны на рисунке.In the present invention, in addition to the cathode plasma electrons from the intermediate electrode 3, plasma electrons formed in the tubular metal cylinder 5, installed in the space between the intermediate electrode 3 and the anode 8, participate in gas ionization in the region of the emission hole 9. As a result, between the anode 8 and the intermediate electrode 3, two plasma clots of different densities arise, separated by a double layer. They are shown in the figure.

В плазменном сгустке внутри трубчатого металлического цилиндра 5 плазма создается в результате ионизации газа как электронами, инжектируемыми через апертуру в конусе промежуточного электрода 3 катодной плазмой, так и за счет ионизации газа электронами, которые эмитируются стенками внутренней полости трубчатого металлического цилиндра 5 под действием электрического поля, существующего между анодом 8 и промежуточным электродом 3. Трубчатый металлический цилиндр 5 является эмиттером дополнительных электронов, обладающих достаточной энергией для ионизации молекул газа. В результате суммарного действия этих электронов и электронов, экстрагированных из катодной плазмы, плотность плазмы внутри трубчатого металлического цилиндра 5 превосходит плотность катодной плазмы в промежуточном электроде 3.In a plasma bunch inside a tubular metal cylinder 5, plasma is created as a result of gas ionization both by electrons injected through the aperture in the cone of the intermediate electrode 3 by the cathode plasma, and due to gas ionization by electrons emitted by the walls of the inner cavity of the tubular metal cylinder 5 under the influence of an electric field, existing between the anode 8 and the intermediate electrode 3. The tubular metal cylinder 5 is an emitter of additional electrons with sufficient energy rgi for ionization of gas molecules. As a result of the combined action of these electrons and electrons extracted from the cathode plasma, the plasma density inside the tubular metal cylinder 5 exceeds the density of the cathode plasma in the intermediate electrode 3.

Заряженные частицы плазмы из трубчатого металлического цилиндра 5 могут свободно диффундировать к аноду 8 через отверстие 7 в диафрагме 6 в том случае, когда его пропускная способность соответствует плотности заряженных частиц в плазме. Когда плотность заряженных частиц, например, электронов, в этой плазме начинает превосходить пропускную способность апертуры 7, ограниченную действием закона Кулона, вблизи апертуры 7 образуется двойной слой, показанный на рис.Charged plasma particles from a tubular metal cylinder 5 can freely diffuse to the anode 8 through the hole 7 in the diaphragm 6 in the case when its throughput corresponds to the density of charged particles in the plasma. When the density of charged particles, for example, electrons, in this plasma begins to exceed the throughput of aperture 7, limited by the Coulomb law, a double layer is formed near aperture 7, shown in Fig.

Электрическое поле этого слоя, стремясь выровнять плотности заряженных частиц по обе стороны диафрагмы 6, ускоряет плазменные электроны в сторону анода 8, сообщая им способность ионизировать газ и формировать плазменный сгусток с еще большей плотностью заряженных частиц в районе отверстия эмиссии 9.The electric field of this layer, trying to equalize the density of charged particles on both sides of the diaphragm 6, accelerates the plasma electrons towards the anode 8, giving them the ability to ionize the gas and form a plasma bunch with an even higher density of charged particles in the vicinity of the emission hole 9.

Критерий образования двойного слоя зависит от конструкции электростатической ловушки. Параметры конструкции трубчатого металлического цилиндра 5, необходимые для возникновения в нем двойного слоя, можно определить согласно работе (А.С. Метель. Тлеющий разряд с электростатическим удержанием электронов для генерации плазмы и пучков ускоренных частиц. Диссертация на соискание ученой степени д. ф-м. н. С. 154, 162-185. Москва. 2005 г.) по формулеThe criterion for the formation of a double layer depends on the design of the electrostatic trap. The design parameters of the tubular metal cylinder 5, necessary for the appearance of a double layer in it, can be determined according to the work (A.S. Metel. A glow discharge with electrostatic confinement of electrons to generate plasma and beams of accelerated particles. Thesis for the degree of Doctor of Physics N.S. 154, 162-185. Moscow. 2005) by the formula

где: S - площадь диафрагменного отверстия 7, Sk - площадь внутренней поверхности металлического цилиндра 5, m - масса электрона, М - масса иона рабочего газа.where: S is the area of the orifice 7, Sk is the area of the inner surface of the metal cylinder 5, m is the mass of the electron, M is the mass of the working gas ion.

Согласно данной работе, плазменные электроны, ускоренные электрическим полем в двойном слое приобретают энергию, величина которой достигает 20% от значений разности электрических потенциалов между анодом 8 и трубчатым металлическим цилиндром 5. В дуоплазматронах величина электрического напряжения между анодом и промежуточным электродом варьируется от нескольких сотен Вольт (Габович М.Д. Плазменные источники ионов. Киев.: Наукова думка, 1964), до 1,5-2,0 кВ (Баталии В.А., Коломиец А.А., Кондратьев Б.К. и др. // ПТЭ. 1978. №3. С. 35). Что позволяет этим электронам ионизировать молекулы газа в прианодной области.According to this paper, plasma electrons accelerated by an electric field in a double layer acquire energy, the value of which reaches 20% of the values of the difference of electric potentials between the anode 8 and the tubular metal cylinder 5. In duoplasmatrons, the magnitude of the electric voltage between the anode and the intermediate electrode varies from several hundred volts (Gabovich M.D. Plasma ion sources. Kiev: Naukova Dumka, 1964), up to 1.5-2.0 kV (Batalia V.A., Kolomiyets A.A., Kondratiev B.K. et al. / / PTE. 1978. No. 3. P. 35). What allows these electrons to ionize gas molecules in the anode region.

Как показано выше, интенсивность потока электронов, экстрагируемых из плазмы трубчатого металлического цилиндра 5, превосходит плотность потока электронов, эмитированных катодной плазмой. В результате ионизации газа этими электронами вблизи анода 8 образуется плазма, плотность заряженных частиц в которой превосходит плотность зарядов в плазме существующей в аналогах и прототипе. Что позволяет извлекать из нее через отверстие эмиссии 9 ионный пучок с большей, чем в прототипе величиной ионного тока I и фазовой плотности тока J (2).As shown above, the intensity of the flux of electrons extracted from the plasma of the tubular metal cylinder 5 exceeds the density of the flux of electrons emitted by the cathode plasma. As a result of gas ionization by these electrons near the anode 8, a plasma is formed, the density of charged particles in which exceeds the density of charges in the plasma existing in analogues and prototype. That allows you to extract from it through the emission hole 9 an ion beam with a larger than the prototype ion current I and phase current density J (2).

Наряду с увеличением тока I ионного пучка, извлекаемого из дуоплазматронного источника газовых ионов, повышенная эффективность ионизации газа электронами в области отверстия эмиссии 9 позволяет уменьшать давление рабочего газа в ИИ. Уменьшение вероятности столкновений экстрагируемых из ИИ ионов пучка с молекулами остаточного газа способствуя уменьшению величины эмиттанса V_p извлекаемого пучка.Along with an increase in the current I of the ion beam extracted from the duoplasmatron source of gas ions, the increased efficiency of gas ionization by electrons in the region of the emission hole 9 makes it possible to reduce the pressure of the working gas in the AI. Reducing the likelihood of collisions of beam ions extracted from the AI with residual gas molecules, thereby reducing the emittance V _{p of the} extracted beam.

Перечисленные выше факторы, согласно (1), увеличивают фазовую плотность тока J в пучке ионов на выходе дуоплазматронного источника газовых ионов.The factors listed above, according to (1), increase the phase current density J in the ion beam at the output of the duoplasmatron source of gas ions.

Предлагаемый источник ионов прост по конструкции, надежен и удобен в эксплуатации. Отличается невысокой стоимостью и удовлетворяет требованиям инжекции в разнообразные виды линейных и кольцевых ускорителей. Он может успешно применяться при разработке импланторов и других технологических устройств.The proposed ion source is simple in design, reliable and easy to use. It has a low cost and meets the requirements of injection into various types of linear and ring accelerators. It can be successfully used in the development of implants and other technological devices.

Claims

Duoplasmatron gas ion source, consisting of a coaxially arranged: cathode, an intermediate electrode with a hole and an anode with an emission hole, characterized in that a tubular metal cylinder is placed between the anode and the intermediate electrode, one end of which is fixed to the intermediate electrode, and the opposite end is overlapped by a diaphragm with hole, the area of which is chosen less than the area of the inner surface of the tubular metal cylinder as the ratio of the root of the square doubled mass of the electron to the root th square mass of the working gas ion.