SU1107707A1 - Способ получени отрицательных ионов и устройство дл его осуществлени - Google Patents

Abstract

1. Способ получени  отрицательных ионов, преимущественно изотоrioB водорода и их соединений, включаю1зц1й воздействие на ионизуемый газ отличающийс  электронами, тем, что, с целью повышени  выхода двукратно зар женных ионов, осуществл ют пол ризацию ионизуемого газа электрическим полем в области воздействи  на него электронами. 2. Устройство дл  получени  отри- цательных ионов, содержащее ионизационную камеру, систему получени  электронов , систему извлечени  пучка ионов и эмиссионным электродом и систему электропитани , отличающеес  тем, что, с целью повьппени  выхода двукратно зар женных ионов, в ионизационной камере установлен дополнительный электрод соосно эмисси-i: онному электроду, а в систему электропитани  введен дополнительный источник электропитани , положительный полюс которого соединен с эмиссионным электродом, а отрицательньй полюс с дополнительгам электродом. г

Description

Изобретение относитс  к технике получени  зар лсенных частиц и может быть использовано при конструировании источников отрицательных ионов,а также в экспериментальной физике и / химии.

Известны способы получени  отрицательных ионов водорода и его изотопов , включающие воздействие на газ электронами в контрагированном разр  де и извлечение из него отрицательных ионов.

Известные способы реализуютс  в . газоразр дных источниках отрицатель-,

О

VJ

ных ионов различного типа, например

О в дугоплазмотронах, содержащих разр дную камеру, образованную катодом, анодом и промежуточным электродом, а

VI также магнитную и ионно-оптическую

системы.

Известные способы и устройства гфедназначены дл  получени  одйократно зар женных отрицательных ионов.

Ближайшим техническим решением  вл етс  способ получени  отрицательных ионов, включающий воздействие на ионизуемый газ электронами.

В лзпестиом способе удаетс  получить диуь:рат1 О зарллдаиные отрицательИ1 .;е rio;;bi MHODIX элементов:- О, F, С1, Вг, J, Те, BL. Слособ заключаетс  в

;оиизац11и в гaзoвo ; разр де Пенниига с холодным катодом,

Пзвес Iiibiii способ реализуетс  в исTOMiiiiKC отг1;1, 1ел ;1и:1х ионов, содержаи ем иоиизациоикуп камеру, систему из; .,|гечепи  ку-п.са попои с эмиссио И ым IleKTpo.iati и скгстему электропитани . Образог5ап е дпукратпо зар женных огрицато.мь ых ионов в укагзанном cvioси .бе и ycTpofiCrue происходит в ллазf-se газо;юго разр да   маглитно - ноле п результате присоединени  двух свобод .ных злектгонов атома -п элементов 1сходного ве ;сства (О, F, С1 , Вг, J, Те, 151) .

од сделие спобод ых электронов к ta iicxojfHoro вещества осу1дествл : . за счет Uin ;e:ni r электронов, обуюгихс  л газовом разр хге при газа.

Одна1:о т;1кол снособ и устроГк.тво лл  его осуи;.ествлени  малоэффективui-i , особенно при получении ионов 1 зотопов Бод,(зрода, поскольку в плазме газового разр да тктр ду с нрол,ессоь образовагн1  двукратно зар .кенных- отрицатель;;1лх ионов проггсход т и Д)угие Г1обочнь;е элементарные г;родессы (ионизал ,и  3 возбуждение с лоследующим излучением Лотона и др.), которые преп тствуют образованию отридательпых ионов или способствуют ра.зруше1 ию уже образоБаннь х., На указанные сопутствуюгцие эле 1с итарные продессы затрачиваетс  большое количество энергии и исходного вещества. При таком способе и устройстве нельз  н.епосредственио управл ть лpoцecco образоваии  двукратно зар ;ке И ЫХ отридательных ионов, HeoбxoдI- ым условием дл  получени  д,вукрагио зар женных отрицательных в указанном способе и устройстве  вл етс  ионизади  рабочего газа в ь агнитн.ом поле.

Целью изобрете1л-1   вл етс  повьпиеиие выхода двукрат 1О зар женных ионов

Эта дель достигаетс  тем, что в известном способе получени  отридательных ионов, преимущественно изотопов водорода и их соединений, вклю-. чаюсдем воздействие на ионизуемый газ электронами, осуг ествл ют пол ризацию ионизуемого газа электрическим полем в области воздействи  на него электронами . Способ реализуют с помощью устройства дл  получени отрицательных ионов, содержащего ионизационную камеру, систеьгу получени  электронов cиcтe iy извлечели  пучка ионов с э иcсиоиным электродом и систему электропитапи , в ионизап,ио1И1ой камере устаиовлеи дополнительный электрод cooctio эмиссионному электроду, а в систему электропитани  введен дополнительный источник электроиитали  , полойлтельный долюс которого соединен с эмиссионным элегггродом, а отрицательный полюс - с допол 1ительньа-1 электродом.

Па Лиг. 1 изобрал ено устройство с формированием электронного пучка под углом к направлению извлечени  ионов на оиг. 2 - вариант выполнени  устройства , электроны получаютс  непосред ственно в той обла.сти газового разр да, где осуществл етс  иол ризаГИ  aiiOMOB, на фиг. 3 - вариант выпсхчнени  устюйства с соосными вводом электронов и в,водом ионов J на фиг. 4 крива  разб;юс;а отрИ1 ательнь х ионов водорода Ю энергии,

Tipел.лагаемое устройство содержит ноллр1затор, образойанньм зазоро э:1ектричес;ки изс:п рован; ыми д,руг от э ;iIccиoнии 1 и доподнительньи- 2 э:Ieктpoдa ;и, В электроде 1 пол ризатора имеетс  отверстие 3. дл  отбора отргш.ательггых ионов. Одновремсн ю электрод, 1 выполн ет роль ст-енки, раздел ю1цей камеру i с 1- сход ;ijM веществом от камеры, в которой i:o:-ieui;eH экстрагиру-опдй электрод 5,. Электрод 2 лол рз-гзатора по -:еп;ен в камере с исходным веществом так, что V его поверхность расположена напротив отверсти  3 и перекрывает его просвет . Б камере 4 помещен источник : электронов, состо щий из катода б, анода 7 и промелуточного электрода 8. Отверсти  дд  выхода электронов в аноде 7 и промел-уточном электроде 8 соосны, а их ось с осью отверсти  3 образует угол 90°. Дл  извлечени  отридательных ионов через отверстие 3 источник содери1т экстрагируюи;ий электрод 5 с отверстием 9 дл  формировани  пучка отридательных ионов. Отверсти  3 и 9 раслоложены соосно. В камере 4 предусмотрен патрубок 10 дл  введетиш исход}юго вещества, откачки газа и измерени .давлени  газа в камере.

обычно ислользуемых источников электропитани  11 и 12 введен до1 полпительный источник 13, положитель Hbtft полюс которого соединен с эмиссионным 1, а отрицательный - с допол нительным 2 электродами. Устройство в качестве источника отрицательных ионов работает следующим образом. Через патрубок 10 в камеру 4 напускают исходное вещество в газообразной фазе, прикладывают электрический потенциал между электродами 1 и 2, причем на электрод 1. подают (+), а на электрод 2 (-), включают источник электронов зажиганием газового разр да межцу предвари тельно накаленным катодом 6 и анодом 7.За счет ускорени  электронов в двойном электрическом слое, возникаю щем у отверсти  электрода-диафрагмы 8,а так же у отверсти  анода 7, электроны пролетают в пол ризатор частиц исходного веще,ства, т.е. в пространство между электродами 1 и 2 где они присоедин ютс  к электрическим пол ризационньм атомам и молекулам исходного вещества. Образованные отрицательные ионы в пол ризаторе пе ремещаютс  по направлению к отверстию 3, через которое они выт гиваютс  электрическим полем, заключенным между электродом 1 и экстрагйрую1чим электродом 5, и через отверстие 9 от рицательные ионы выход т в виде пучка дл  их использовани . Дл  проверки способа получени  от рицательных ионов с кратностью электрического зар да больше единицы,были опробованы и другие варианты источииков отрицательных ионов, отличающихс  друг от друга способом подведени  свободных электронов к пол ризованным частицам исходного вещества . Например, на фиг. 2 изображен вариант источника отрицательных : ионов, где свободные электроны получают с помощью газового разр да, за сигаемого ме  у катодом 6 и анодом 7 (остальные элементы выполнены также, как и на фиг. 1). На фиг. 3 представ лен вариант источника отрицательных ионов, отличающийс  от предыдущих ва;риантов направлением вводимых в пол  ризатор электронов. Если в первых .двух вариантах направление движени  электронов пересекает ось отверстий Э и 9, то в варианте фиг. 3 это направление совпадает или параллельно указанной оси. При этом пучок электронов инжектируетс  в пол ризатор частиц через отверстие в электроде 2, 7 В устройстве по фиг. 1 в св зи с отклонением вводимых электронов между электродами пол ризатора в сторону электрода 1 целесообразно вводить их с направлением под углом к оси отверсти  3. Причем, если выбрать направление оси от электрода 1 к электроду 2, величина угла между этими направлени ми должна находитьс  в пределах от 0° до 90. В качестве источника электронов можно использовать электронные пушки с регулировкой величины энергии инжектируемых электронов . Источник электропитани  11 представл ет собой источник посто нного тока с регулируемьп-i напр жением от О до 1000 В и предназначен дл  за  гани  и поддержани  разр да в источниках электронов (фиг. 1 и фиг. 3), а в варианте (фиг. 2) - в области пол ризатора мехсду катодом 6 и анодом 7. Мбщнрсть источника 11 составл ет 1 кВт. Источник электропитани  13 представл ет собой источник посто нного тока с регулируе№1м напр жением от О до 500 В и предназна:чен дд  поддержани  электрического поЛ  в пол ризаторе частиц между электродами 1 и 2. Мощность источника 13 составл ет 0,5 кВт. Источник 12 представл ет собой источник йосто нного тока с регулируемым напр жением от О до 30 кВ и предназначен дл  выт гивани  отрицательных ионов через отверстие 3 и их ускорени  в промежутке -между элек.тродами 1 и 5 во всех 3-х вариантах. Общим существенным признаком всех указанных вариантов источников отрицательных ионов. вл етс  наличие электрического пол ризатора частиц, которьш состоит из двух электроизолированных друг от друга электродов, в одном из которых (эмиссионньй) имеетс  отверстие дл  выхода отрицательных ионов и который подсоединен к выводу источника электропитани , имеющему положительную пол рность. Электрический пол ризатор частиц как элемент устройства содержит пространство, образованное зазором между электродами 1 и 2, причем объем и форма указанного пространства, определ емого формой электродов 1 и 2, а так же рассто нием между ними, обусловлены электрической прочностью исходного вещества и его состо нием. Во всех вариантах выполнени  устройства электрод 1 пол ризатора едуь арной фокусировкой. По оси абсцисс отложена эиергш Е (в эВ), .одно деление на оси соответствует 23 эВ, а по оси ординат отлолсена оптическа  плотность почернени , пропорциональна  плотности отрицательных иопов Н. . Указанный масс-энергетический спектр 11- бьш получен при следуюпугх параметрах работы источника отрицательных ионов: сила тока разр да между катодом б и анодом 7 0,3 А, напр жение на разр де - 87 В, сила тока в цепи пол ризатора - 25 тЛ, папр жение., приложенное медду электродами 1 и 2 пол ризатора частиц, - 88 Б, напр женность Е электрического нол  в ра6o4ei i части пол ризатора - 293 В/см, плотность разр дного тока между катодом 6 и анодом 7 - 2,-1 Л/см , давле П1е водорода в камере - 6,71-0 2 мм рт.ст, Паг1р ;кение, приложенное к уско1 )Л 1:ацему промежутку между электродами 1 и 5, составл ет 12 кВ,

Па фoтo eтpичecкoй крЛвой массэнергстического спектра отрицательных ионов I (фиг. 4) н,ифрами 14, ; 15, 16 и 17 обозначеьъ пики в энерге- тическо разбросе отрицательных ионов, соответствуюглие группам отрииате :ьных ионов II , образованных в ,

Пик 14 на крино11 соответствует группе отрицательных иоьов с мзип мально энергией, котора  образуетс  у поверхности электрод.а 1 вблизи -отверсти  3 (фиг. 1, фиг. 2, фиг. 3), 15 соответствует группе отрицательных ионов И, котора  образуетс  у поверхности электрода 2 (фиг, 1, фиг. 2, фиг. 3), энергетический разброс отрицательных ионов Н включающий пики 14 и 15, -соответствует напр жению , приложенному между электродами пол ризатора 1 и 2 (фиг, 1, фиг, 2, фиг, 3) и составл ет 88 В, Таким образом, однократно зар лшнные

отрицательные ионы Н

соответствую1

50 щие пикам 14 и 15 приобретают энергию в пол ризаторе, не превышающую по величине пршюжепное напр жение к электродам пол ризатора.

Группы отрицательных ионов, соотJ5 ветствующие пикам 16 и 17, имеют

энергшо, превышающую напр жение, приложенное к электродам пол ризатора. Например, энерги  группы отрйцатачь . ных ионов I , соответствующа  пику

17, превьппает приложенное напр жение к электродам пол ризатора в 2 раза, а энерги  группы отрицательных ионов н7, соответствующа  пику 16, занимает промежуточное значение между энерги ми, соответствующими полному напр жению, прикладьшаемому к электродам пол ризатора и увеличенному в 2 раза. При изменении напр жени , прршоженного к электродам пол ризатора , указанные соотношени  ме вду энерги ми перечисленных групп отрицательных ионов Н7 соответственно сохран ютс  .

На основании вьшёизложенного очевидно , что группа отрицательных ионов 117, соответствующа  пику 17, образуетс  в результате распада атомарного двукратнозар жеиного отрицательного иона Н на электрон и однократно зар женный отрицательньп ион Н, Причем ион Н образуетс  у поверхности стенки электрода 2 пол ризатора путем присоединени  вторичных электронов, полученных в результате бомбардировки положительными ионами электрода 2, к нейтральным атомам водорода imn к однократно зар женным отрицательным ионам водорода. Поток положительных ионов по направлению к электроду 2 образуетс  в результате несамосто тельного разр да между электродами 1 и 2 при больших значени х напр женности электрического пол  в пол ризаторе. Группа отрицательных ионов Н, соответств оща  пику 16, образуетс  в объеме между электродами пол ризатора 1 и 2, а значение ее энергии определ етс  рассто нием до границы, к которой могут долетать свободные электроны по направлению к отрицательно зар женному электроду 2.

Крива  на фиг. 4 позвол ет сделать сравнение интенсивностей процессов образовани  отрицательных ионов в объеме пол ризатора на различных .рассто ни х от электродов вдоль силовых линий электрического пол . Например, пику 14 соответствует группа отрицательных ионов Н, процесс образовани  которой наиболее интенсивно происходит у поверхности электрода 1 (фиг.1, фиг. 2, Лиг. 3), а пику 15 соотв.етствует группа отрицательных ионов Н j, процесс образовани  которой наиболее интенсивно происходит у поверхности электрода 2 (фиг. 1, фиг. 2, фиг. 3). Процесс образовани  двухзар дных отрицательных ионов , характеризуемьй накривой пиками 16 и 17, наиболее интенсивно происходит в объеме пол ризатора (пик 16) и менее интенсивно - у поверхности электрода 2 (фиг. 1, фиг. 2, фиг. 3) - пик 17. Дп  сравнени  интенсивностей различных процессов образовани  отрицательных ионов .в энергетическом спектре

o отрицательных ионов наиболее подход 1ЦИМ  вл етс  группа отрицательных ионов Н,.соответствующа  на кривой пику 14, поскольку эта группа образуетс  у поверхности электрода с эмис5 сионным .отверстием и меньше всех подвергаетс  изменени м, вызываемым изменени ми состо ни  ппазмы газового разр да. Сравнение 14 с величиной пиков 16 и 17 показывает, что уже

0 при Е 293 В/см в плазме, помещенной в пол ризатор, количество двухзар дных отр1щательных ионов Н составл ет более половины количества одноза , р дных отрицательных ионов Hj, характеризуемых пиком 14. При Е 500 Б/см количество Ионов Н

, превышает к оличество ионов Н . соответствующих пи- ку 14.

В известных устройствах таких, как

в источнике дугоплазмотронного типа и пеннинговского типа, спектр отрицательных ионов содержит однократно и двукратно зар женные отрицательные ионыу однако двукратно зар женных от5 рицательных ионов в них образуетс  значительно меньше, чем однократно зар женных отрицательных ионов, что указьшает на очень малую эффективность их образовани , обусловленную

0 отсутствием достаточной электрической пол ризации частиц исходного вещества .

Поскольку врем  жизни двукратно

зар женных отрицательных ионов водо5 рода не превьшзаетЗ-Ю с, а врем  пролёта ионов водорода в масс-спектрографе составл ет от 0, до нескольких микросекунд, то зафиксировать двухзар дные отрицательные ионы водорода на фотопластине масс-спект0 рографа не представл етс  возможным в св зи с его ограниченными возможност ми . Однако дл  р да технических задач требуетс  получение двукратно зар женных отрицательных ионов в не5 больиом объеме газа с последующим ус-. корением их па небольшом участке ус- кор ющего промежутка, что практически легко реализуетс .

В св зи с тем, что образующиес  отрицательные ионы в пол ризаторе ускор ютс  в электрическом поле пол ризатора в направлении к отверстию отбора , то дл  р да технических задач энерги отрицательньк ионов, приобретенна  в пол ризаторе, достаточна дл  их практического применени  и пoэтo fy выт гивающего электрода в этом случае не требуетс , )

В результате экспериментального опробовани  способа и устройства было обнаружено, что количество двукратно зар женных отрицательных ионов водорода Н , а также кислорода О и увеличиваетс  с ростом напр женности электрического пол  в пол ризаторе , начина  с 200 Б/см, при которой они по вл ютс  в заметных количествах . Не исключено, что некоторые электрически пол ризованные частицы могут присоедин ть более двух электронов , т.е. образовывать отрицательные ионы с кратностью зар да более двух.

Явление зависимости образовани  отрицательных ионов различных веществ с кратностью зар да больше единицы от электрической пол ризации атомов, молекул и ионов исходного вещества, от лгх дипольньк моментов может найти применение так же в химии дл  управлени  различными реакци ми, в которых участвуют отрицательные ионы с кратHocTbfo зар да больше единицы.

Использование данных способа и устройства дл  получени  отрицательных ионов обеспечивает по сравнению с существующими способами и устройствами следующие преимущества:

возможность получени  отрицательных ионов различного рода веществ с кратностью зар да больше единицы с минимальным количеством примесей продуктов сопутствующих элементарных процессов;

возможность управлени  процессом образовани  отрицательных ионов путем изменени  дипольного момента частиц исходного вещества, например изменением напр женности электрического пол  пол ризации;

возможность использовани  диссоциации молекул рных отрицательных ионов с кратностью зар да больше единицы на два ипи более однократно зар жениых отрицательных ионов дл  увеличени  эффективности получени  однократно зар женных отрицательных ионов;

возможность управлени  химической реакцией, протекающей с образованием или участием отрицательных ионов, путем изменени  дипольного момента частиц при электрической пол ризации

возможность получени  отрицательных ионов с кратностью зар да более единицы без использовани  магнитного пол ;

возможность получени  отрицательных ионов в отсутствии процесса ионизации частиц исходного вещества.

ФигЛ

t6

,В

Claims (2)

1. Способ получения отрицательных ионов, преимущественно изотопов водорода и их соединений, включающий воздействие на ионизуемый газ

2

электронами, отличающийся тем, что, с целью повышения выхода двукратно заряженных ионов, осуществляют поляризацию ионизуемого газа электрическим полем в области воздействия на него электронами.

2. Устройство для получения отри- дательных ионов, содержащее ионизационную камеру, систему получения электронов , систему извлечения пучка ионов и эмиссионным электродом и систему электропитания, отличающееся тем, что, с целью повышения выхода двукратно заряженных ионов, в ионизационной камере установлен дополнительный электрод соосно эмисси-г онному электроду, а в систему электропитания введен дополнительный источник электропитания, положительный полюс которого соединен с эмиссионным электродом, а отрицательный полюс е дополнительным электродом.

I ’