SU854198A1

SU854198A1 - Ion gun

Info

Publication number: SU854198A1
Application number: SU802898929A
Authority: SU
Inventors: А.М. Толопа
Priority date: 1980-03-25
Filing date: 1980-03-25
Publication date: 1982-04-15

Description

Изобретение относитс к ускорительной технике н может найти применение дл получени сильноточных сфокусированных ионных пучков (ИП).This invention relates to an accelerator technique and can be used to produce high-current focused ion beams (PIs).

Известны ионные пушки, основанные 5 на ионном диоде с магнитной изол цией, в частности, содержащие коаксиальные, цилиндрические да-нод, катод и внешний соленоид дл создани изолирующего магнитного пол 1.JQIon guns based on an ionic diode with magnetic insulation are known, in particular, containing coaxial, cylindrical data, a cathode and an external solenoid to create an isolating magnetic field 1.JQ

В таких пушках анод выполнен в виде топкого металлического цилиндра, внутренн поверхность которого, обращенна к катоду, содержит водородосодержащие участки, а катод вынолиеп в виде системы иб массивных металлических колец с высокой электрической проводимостью (в частности , алюми|Ниевых), расположенных аксиально с анодом.In such guns, the anode is made in the form of a bogged metal cylinder, the inner surface of which, facing the cathode, contains hydrogen-containing areas, and the cathode has been shaped like an ib system of massive metal rings with high electrical conductivity (in particular, aluminum | Nievyh) located axially with the anode .

К недостатку известных ионных пушек 20 отпоситс низка энергетическа эффективность , св занна с ограниченной степенью фокусировки, вследствии того, что часть создаваемого магнитного потока протекает в зааподную область. В результате 25 из-за сохранени канонического импульса ионы, движущиес к оси внутри катода, будут иметь также и азнмутальную компоненту скорости.To the disadvantage of the known ion guns 20, the low energy efficiency is associated with a limited degree of focusing, due to the fact that a part of the generated magnetic flux flows into the underflow region. As a result, 25 due to the conservation of the canonical impulse, the ions moving toward the axis inside the cathode will also have an azmuthal velocity component.

Ближайшим техническим решением к 30Nearest technical solution to 30

изобретению вл етс ионна пушка, содержаща цилиндрический катод и коаксиально расположенпый охватывающий его анод, формирующие кольцевой апод-катодпый промежуток, а также магиитиую систему, образованную двум солвподами 2.The invention is an ion gun containing a cylindrical cathode and a coaxially located anode encompassing it, forming an annular apod-cathode gap, as well as a magic system formed by two solids 2.

Магнитна система выполнена в виде двух раздельных соленоидов, помещенных внутри катода в виде тонкой металлической сетки с низкой электрической проводимостью . Анод выполнен массивным из металла с высокой электрической проводпмостыо .The magnetic system is made in the form of two separate solenoids placed inside the cathode in the form of a thin metal grid with low electrical conductivity. The anode is made of massive metal with a high electrical conductor bridges.

При поступлении токового импульса в обмотку соленоида создаетс аксиальное магнитное поле.When a current pulse enters the coil of the solenoid, an axial magnetic field is created.

Вследствие импульсного характера магнитного пол и высокой проводимости катода магнитные силовые линии не проникают внутрь катодных колец, а располагаютс параллельно огибающей поверхности катода, образу изолирующую магнитную «подушку. При достижении максимума ианр женности магнитного пол па анод поступает высоковольтный импульс напр жени иоложнтельпой пол рности. При этом по поверхности водородосодержащи.ч участков анода, за счет переходных процессов , происходит электрический пробой.Due to the pulsed nature of the magnetic field and the high conductivity of the cathode, the magnetic field lines do not penetrate into the cathode rings, but are arranged parallel to the envelope surface of the cathode, forming an insulating magnetic "pillow." When the magnetic field reaches its maximum magnetic field, the high-voltage voltage pulse of the positive polarity arrives. At the same time on the surface of the hydrogen-containing parts of the anode, due to transients, electrical breakdown occurs.

п генерируетс поверхностна плазма, служаща источником ионов. Аксиальное магнитное ноле преп тствует протека.нню в анод-катодном (А-К) зазоре электронного тока. Ноны, выт гиваемые электрическим полем в сторону катода, к оси системы через зазоры между кольцами , образу линейно сход щийс ионный иучок. Вследствие высокой проводимости анода н ннзкой нроводнмости катода импульсное магнитное изолирующее иоле занимает пространство, ограпиченное снаружи анодом, и иоиы нри движении к ocii проход т нулевой магнитный поток п не имеют на осн азимутальную компоненту скорости.A surface plasma is generated, serving as an ion source. An axial magnetic field interferes with the flow in the anode-cathode (AK) gap of the electron current. Nons, drawn by an electric field in the direction of the cathode, to the axis of the system through the gaps between the rings, form a linearly converging ionic layer. Due to the high conductivity of the cathode anode, the pulsed magnetic insulating uole occupies the space bounded by the outside of the anode, and the zero magnetic flux n does not have a fundamental velocity component moving towards the ocii.

Однако низкое качество фокусировки ионов, свойственное нзвестной пушке, обусловлено тем, что внутри катодной полости ионный пучок распростран етс перпендикул рно к магнитным силовым лиии м н поэтому не сопровождаетс медленными электронами. Это вызывает нарушение пейтрализацин ионного пучка внутри катода , иривод щее к увеличению «температуры пучка, т. е. его угловой расходимости . Это ие позвол ет получать плотный линейный фокус на оси ИП.However, the poor quality of ion focusing, which is characteristic of the well-known gun, is due to the fact that inside the cathode cavity the ion beam propagates perpendicularly to the magnetic force lines, and therefore it is not accompanied by slow electrons. This causes a disturbance of the payutralisin ion beam inside the cathode, which leads to an increase in the beam temperature, i.e. its angular divergence. This does not allow for a dense linear focus on the PI axis.

Вследствие большой проводимости электроиов вдоль силовых линий магпигного пол , электроны дрейфуют к кра м А-К зазора, и в краевых электрических нол х анода наблюдаютс большие утечки электронов }ia анод.Due to the high conductivity of electrons along the power lines of the magnetized field, the electrons drift to the edges A – K of the gap, and large electron leakage} ia anode is observed in the edge electric fields of the anode.

Целью нзобретени вл етс улучшение фокусировки ионного пучка.The purpose of the invention is to improve the focusing of the ion beam.

Достигаетс это тем, что в известной ионной нушке, содержащей цилиндрический катод п коаксиально расположеиныЛ охватывающий его анод, формирующие кольцевой анод-катодный промежуток, а также магнитную систему, образовапиую двум солеиопдамн, оба соленоида установлены между катодом п анодом так, что каждый из соленоидов частично расположен в анод-катодном промел утке.This is achieved by the fact that in a well-known ionic socket containing a cylindrical cathode and coaxially located an anode enclosing it, forming an annular anode-cathode gap, as well as a magnetic system, forming two salt-like optics, both solenoids are installed between the cathode and anode so that each solenoid is partially located in the anode-cathode streaked duck.

На чертеже приведена принципиальна схема устройства, содержаща цилиндрические коаксиальпо расположенные анод 1, катод 2 и размещенные между катодом и анодом катуипчи соленоида 3.The drawing is a schematic diagram of the device, comprising cylindrical coaxialpoes located anode 1, cathode 2 and placed between the cathode and the anode of the catuipchi solenoid 3.

Устройство работает следующим образом .The device works as follows.

При подаче токового импульса в катушке соленоида создаетс аксиальиое изолирующее магнитное поле, которое ограничено катодом и анодом, вследствие скип-эффекта . При достижении необходимого зиачени напр жеппости магнитного Г1ол в А-К зазоре на анод поступает импульс напр жеии положительной пол рности. В это врем на поверхности анода, котора обращена к катоду, формируетс илазма , служаща источником ионов. Механизм образовани плазмы может быть различным, например пробой по поверхности водородосодержащих участков за счет переходных процессов или создаиие иа новерхности анода металлической нлазмы с помощью лазеров и т. д. Ионы, сорт которых будет определ тьс сортом созданной плазмы, ускор сь в А-К зазоре, проход т через кольцевые прорези в катоде иWhen a current pulse is applied to the solenoid coil, an axially insulating magnetic field is created, which is limited by the cathode and the anode, due to the skip effect. When the required magnetic tension G1ol is reached in А-К gap, an impulse of positive polarity arrives at the anode. At this time, an islasma is formed on the surface of the anode that faces the cathode, which serves as an ion source. The mechanism of plasma formation can be different, for example, breakdown on the surface of hydrogen-containing sites due to transient processes or the creation of an anodic surface of a metal nlazm using lasers, etc. , pass through annular slots in the cathode and

двнжутс к оси ИП, образу линейно схо-. д щийс ионный пучок.move to the axis of the PI, to form a linear way. dna ion beam.

В качестве примера необходимых значений магнитного пол рассмотри.м ИП с нанр жением в 1 Мэв. При А-К зазореAs an example of the required magnetic field values, consider PIs with a 1 MeV emission. When AK gap

в 1 см индукци магнитного пол дл предотвращени протекани электронного тока (Вкр ) должна быть дл этого зазора ,5 кГс. Катушки можно намотать на заземленном катоде с двухслойной обмоткойa 1 cm magnetic field induction to prevent the flow of electron current (Wcr) should be 5 kG for this gap. Coils can be wound on a grounded double-layered cathode

из фольги толщиной ,05 см, что вместе с межслойной изол цией займет ,4 см. Таким образо.м зазор а-нод-катушка будет равен 0,5 см и дл этого зазора В р 7 кГс. При рассто нии между катушками см отношение иидукции магнитного пол в зазоре анод-катушка к индукции в середиие А-К зазора будет равно 8. Таким образом, если в области А-К зазора, где происходит ускореиие иопов, обеспечиваем ВКР дл этого зазора, то в зазоре анод-катушки будет поле, в четыре раза превышающее Вкр дл этого зазора. Наличие на кра х А-К зазора магнитных «пробок не позвол ет электронам дрейфовать к кра м А-К зазора.from a foil with a thickness of 05 cm, which together with interlayer insulation will take 4 cm. Thus, the gap a-node-coil will be equal to 0.5 cm and for this gap B p 7 kgf. With a distance between the coils, see the ratio of the inductance of the magnetic field in the anode-coil gap to the induction in the middle A-K of the gap will be 8. Thus, if in the AK-K region where acceleration occurs Iop for this gap, then in the anode-coil gap, there will be a field four times as high as Vcr for this gap. The presence of magnetic "plugs on the edges of the A-K gap does not allow electrons to drift to the edges of the AK-K gap.

Расположение части катушек вне А-К зазора иеобходимо дл того, чтобы предотвратить попадапие электронов с катода на анод в области, где еще нмеетс сильноеThe arrangement of a part of the coils outside the AK – K gap is necessary in order to prevent electrons from falling from the cathode to the anode in an area where there is still a strong

электрическое поле апода.electric field apod.

Выполнение катода и анода массивными из металла с высокой электрической проводимостью и размещение катушек соленоида в А-К зазоре отличает предложепную ИП от известных, позвол ет в одном устройстве сочетать иеобходимые качества , производить транспортировку ионного пучка зар дов нейтрализованным, обеспечивать отсутствие азимутальнойMaking the cathode and anode massive of metal with high electrical conductivity and placing the solenoid coils in AK-K gap distinguishes the proposed PI from the known, allows combining the necessary qualities in one device, transporting the ion beam of charges neutralized, ensuring the absence of azimuth

компопепты скорости ионов на осп ИП. Кроме того, благодар указанному размещению катушек можно снизить утечки электронов па анод и затраты на созда.ние магнитного нол , что значительно повышает эпергетическую эффективность создапи плотного линейного фокуса ионов на оси ИП.kompopeta speed of ions on osp IP. In addition, due to this arrangement of the coils, electron leakages can be reduced on the anode and the cost of creating a magnetic field, which significantly increases the eergy efficiency of creating a dense linear focus of ions on the PI axis.

Формула н 3 о б р е т е ir и Formula n 3 about b e te e ir and

Ионна пушка, содержаща цнлпндрнческий катод н коакснально расположенный охватывающий его анод, формирующие кольцевой аиод-катодиый промежуток , а также магнитную систему, образоAn ion gun containing a central cathode and a coaxially located anode encompassing it, forming an annular id-cathode gap, as well as a magnetic system,

854198854198

ванную двум соленоидами, о т л н ч аю щ а с тем, что с целью улучшени фокусировки ионного пучка, оба соленонда устаиовлены между катодом и анодом так, что каждый из соленоидов частично расположен в анод-катодном промежутке.two solenoids, in order to improve the focusing of the ion beam, both solenodes are located between the cathode and the anode so that each of the solenoids is partially located in the anode-cathode gap.

Источники информации, прин тые во винмаине ир экспертизеSources of Information Accepted in Vinmain IR Expertise

1. Gelnspan М. А., Hammer D. Д., Su61. Gelnspan M. A., Hammer D. D., Su6

dan R. N. Production of intense focused ion beam in a spherical magnetically insulated diod. Journal of Applied Ph sics., v. 50, N 5, 1979, c. 3032.dan R. N. Production of intensely magnetically insulated diod. Journal of Applied Ph sics., V. 50, No. 5, 1979, p. 3032.

2. Панадичев В. A. Получение, транспортировка и фокусировка ноиных нучков. Атомна техника за рубежом, Л9 12, 1978, с. 11 (нрототип).2. Panadichev V. A. Receipt, transportation and focusing of new noots. Atomic technology abroad, L9 12, 1978, p. 11 (nrotype).

У///////////7.In ////////// 7.

IW7/77/////A IW7 / 77 ///// A

Claims

Formula invented fifth

An ion gun containing a cylindrical cathode and a coaxially located anode covering it, forming a circular anode-cathode gap, as well as a magnetic system formed by two solenoids, characterized in that in order to improve the focusing of the ion beam, both solenoids are installed between the cathode and anode so that each of the solenoids is partially located in the apod-cathodiom gap.

And one hundred hours and 11 and to and if r m a qi and taken into account during the examination

1. Gelnspan M. A., Hammer D. A., Sudan R. N. Production of intense focused ion beam in a spherical magnetically insulated diod. Journal of Applied Physics., V. 50, X 5, 1979, c. 3032.

2. Panadichev V. A. Production, transportation and focusing of ion beams. Nuclear Technology Abroad, No. 12. 1978, p. 11 (prototype).