19200

Параметры ионных источников. Конструктивные элементы ионных источников. Дуоплазматрон и ионный источник Пеннинга

Лекция

Производство и промышленные технологии

Лекция 12 Параметры ионных источников. Конструктивные элементы ионных источников. Дуоплазматрон и ионный источник Пеннинга. Ионный источник устройство для получения в вакууме ионного пучка пространственно сформированного потока ионов скорость направленного дви...

Русский

2013-07-11

113.5 KB

99 чел.

Лекция 12

Параметры ионных источников. Конструктивные элементы ионных источников. Дуоплазматрон и ионный источник Пеннинга.

Ионный источник – устройство для получения в вакууме ионного пучка – пространственно сформированного потока ионов, скорость направленного движения которых много больше их тепловых скоростей.

Ионный источник состоит из собственно источника ионов и устройства их экстракции. Атомы ускоряемых элементов могут вводиться в ионный источник либо напуском (в виде газа), либо испарением (жидкой или твердой примеси). В ионном источнике они ионизируются и вытягиваются соответствующим потенциалом, приобретая нужную энергию.

К источнику ионов предъявляют следующие требования:

  •  стабильность пучка во времени;
  •  получение нужных ионов с определенным зарядом;
  •  получение нужной плотности ионного тока.

Важнейшие параметры ионного источника:

  •  полный ток и плотность тока ионного пучка;
  •  энергия ионов;
  •  характерный поперечный размер пучка;
  •  качество пучка, его пространственная и скоростная сформированность – эффективный угол расходимости и энергетический разброс ионов;
  •  компонентный состав пучка – положительные и отрицательные ионы, атомарные, молекулярные, многозарядные ионы;
  •  газовая эффективность – отношение потока сформированных ионов к потоку газа, подаваемого в ионный источник;
  •  энергетическая эффективность ионного источника – отношение мощности пучка к мощности потребляемой ионным источником от сети.

Существуют различные типы источников ионов: с горячим, холодным и полым катодами; дуоплазмотроны; источники с ВЧ- и СВЧ - возбуждением; с поверхностной ионизацией.

В ионном источнике обеспечивается возбуждение атомов рабочего газа до энергии, превышающей потенциал ионизации атома, для образования положительно заряженных ионов.

Обычно ионные источники включают следующие конструктивные элементы: разрядную или ионизационную камеру, которая является несущей конструкцией источника; анод, предназначенный для создания электрического поля внутри разрядной камеры; источник электронов (термокатод), инжектирующий электроны для ионизации газа; магнитную систему, повышающую эффективность ионизации и плотность плазмы; электроды, экстрагирующие ионы, и электроды первичной фокусировки пучка.

Работу источника ионов обеспечивают вспомогательные устройства: система подачи газа; устройство испарения вещества; источники питания.

Любой ионный источник состоит из двух основных узлов:

  •  эмиттера ионов,
  •  электростатической системы, с помощью которой ионы извлекаются, ускоряются и формируются в направленный поток – ионно-оптическая система (ИОС).

В простейшем виде ионный источник состоит из эмиттера и ускоряющего электрода – экстрактора с отверстием для выхода ионного пучка. Для дополнительной фокусировки ускоренного пучка используются электростатические и магнитные линзы. ИОС различных ионных источников строятся по единому принципу, и главным фактором, определяющим тип ионный источник, является метод создания эмиттера ионов.

В зависимости от физической природы эмиттера ионов различают несколько типов ионных источников:

  •  с поверхностной ионизацией, где эмиттером ионов служит поверхность накалённого материала, работа выхода которого превышает потенциал ионизации падающих на него атомов;
  •  плазменные, в которых ионы отбираются с поверхности плазмы, образуемой в большинстве случаев с помощью газового разряда;
  •  "полевые", в которых ионы образуются благодаря действию сильного электрического поля (~108 В/см) на и вблизи поверхности твёрдого тела, ионы которого необходимо получить.

В установках для элементного и структурного анализа, использующих ионные пучки, применяются исключительно плазменные ионные источники.

Наиболее широко используемым плазменным ионным источником является дуоплазмотрон, принципиальная схема которого приведена на рис. 12.1, на котором 1 – катод из вольфрама или гексаборида лантана; 2 – промежуточный анод; 4 – анод; 3 – соленоид, создающий магнитное поле ~ кГс; 5 – вытягивающий электрод ионно-оптической системы. Анод и промежуточный анод изготовлены из ферромагнитного материала и образуют магнитную цепь.

Как видно из рисунка, в дуоплазмотроне для увеличения степени ионизации столб разряда подвергается механическому и магнитному, сжатию с помощью диафрагм и магнитного поля, нарастающего к анодному отверстию малого диаметра. Сжатие разрядной дуги в узком канале промежуточного электрода 2 сопровождается возникновением плазменного "пузыря" со скачком потенциала в слое, отделяющем катодную плазму А от более плотной анодной плазмы С. В тонком слое В ускоряются и фокусируются электроны, выходящие из плазменной области А в плазменную область В. Вблизи анода 4 плотная плазма дополнительно сжимается сильным неоднородным магнитным полем, сечение плазмы вблизи выходного отверстия уменьшается, а концентрация ионов в плазме возрастает до 1014–1015 см -3. Такая плазма эмитирует ионы с плотностью в десятки А/см2, т. е. образуется "точечный" эмиттер.

Давление рабочего газа в промежуточном аноде составляет ~ 10-2 Тор.

Дуоплазматрон позволяет получать ионы газообразных элементов с высокой плотностью ионного тока. Рабочий газ, ионы элементов которого необходимо получить, поступает в область промежуточного электрода через регулируемый натекатель. Среди других ионных источников дуоплазматрон отличается высокой газовой эффективностью.

Дуоплазматрон требует достаточно сложного электропитания, которое включает:

  •  питание накала катода (в случае W катода U = 5-10 В, I = 10-40 А);
  •  питание промежуточного анода U = 0-100 В, I = 0-0,5 А;
  •  питание анода U = 0-250 В, I = 0,5-2 А;
  •  питание соленоида U = 0-10 В, I = 0-50 А.

Причем, все эти источники питания находятся под высоким положительным ускоряющим потенциалом, определяющим энергию ионов, вытягиваемых из ионного источника.

При включении дуоплазматрона газовый разряд вначале загорается между катодом и промежуточным анодом. Затем, по мере повышения напряжения на аноде разряд втягивается в область между промежуточным анодом и анодом с образованием плазменного "пузыря" с высокой плотностью ионов.

Первый электрод ионно-оптической системы в простейшем случае является единственным и находится под потенциалом земли. В многоэлектродных ИОС на первый электрод подается отрицательный потенциал ~ кВ.

Необходимо отметить, что из дуоплазматрона, как и из любого плазменного источника вытягиваются ионы не только рабочего газа, но и ионы остаточных газов, находящихся в ионном источнике.

Второй тип ионного источника, также широко используемый в различных методиках анализа – ионный источник с холодным катодом или ионный источник Пеннинга.

В данном ионном источнике зажигание газового разряда осуществляется за счет пробоя газового промежутка катод-анод, между которыми прикладывается напряжение несколько сотен вольт. Напряжение на разрядном промежутке должно быть минимальным для зажигания и поддержания стабильного газового разряда. Напряжение зажигания зависит от материла катода. Для большинства материалов оно составляет несколько кВ. Однако, для некоторых "низковольтных" материалов", таких как алюминий, магний, оно составляет сотни вольт. У этих материалов тонкая окисная пленка на поверхности понижает напряжение зажигания за счет того, что окисная пленка является диэлектриком, а у диэлектриков большой коэффициент ионно-электронной эмиссии.

Газовый разряд горит в продольном магнитном поле, создаваемом, как правило, постоянным магнитом с индукцией несколько кГс, между двумя катодами и кольцевым анодом. Катоды источника изготавливаются из алюминия, корпус – из мягкого железа для замыкания магнитных линий. Эмиссия электронов из катодов происходит за счет их бомбардировки ионами разряда. За счет приложенного магнитного поля электроны движутся по спирали, что увеличивает их путь и число ионизирующих соударений на пути катод-анод.

Давление рабочего газа в ионном источнике 10-3-10-4 Тор.

Извлекаемый ионный ток в стационарном режиме до нескольких миллиампер.

Основные достоинства ионного источника Пеннинга:

  •  простота электропитания, под высоким потенциалом, который прикладывается к корпусу источника, находится только один регулируемый выпрямитель питания анода,
  •  отсутствие накаливаемого катода, что позволяет длительно эксплуатировать источник без вскрытия на атмосферу.
  •  низкое рабочее давление в ионном источнике.

Недостатком является малый вытягиваемы ионный ток. Однако, в случаях, когда не требуются его большие значения, простота источника Пеннинга является решающим обстоятельством.

Необходимо отметить следующее обстоятельство. Несмотря на то, что вышеописанные ионные источника являются газовыми источниками, т.е. рабочим телом в них являются газообразные вещества, с их помощью можно получать ионы элементов, не являющихся газообразными. Это общее свойство плазменных источников ионов.

Например, если в качестве рабочего газа использовать метан (СН4), то наряду с ионами водорода как атомарными (Н+), так и молекулярными (Н2+) из источника будут вытягиваться также ионы углерода (С+). Происходить это будет благодаря диссоциации метана на водород и углерод в плазме разряда.

Рис.12.1

C

B

A

1

2

4

5

3


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

18212. Методи фізичного виховання 154.5 KB
  Змістовий модуль 1 Тема 4. Методи фізичного виховання. Вихідні поняття метод методичний прийом методика методичний підхід методичний напрямок. Методи навчання рухових дій. Методи вдосконалення та закріплення рухових дій. Методи вдоск...
18213. Основи методики фізкультурно-оздоровчих занять із школярами 158 KB
  Змістовий модуль 6 Тема 12. Основи методики фізкультурнооздоровчих занять із школярами. Здоровя та фактори що на нього впливають. 1.1. Визначення поняття здоровя. Здоровя в ієрархії потреб людини. 1.2. Здоровий спосіб життя та фактори що впливають на здор
18214. Організаційно-методичні особливості проведення уроку фізичної культури в школі 183.5 KB
  Змістовий модуль 5 Тема 11. Організаційнометодичні особливості проведення уроку фізичної культури в школі. План. Зміст навчальної дисципліни Фізична культура. 1.1. Аналіз шкільної базової програми Основи здоровя та фізична культура Київ 2001 року. ...
18215. Організація і методика фізичного виховання дітей та підлітків з ослабленим здоров’ям 87 KB
  Змістовий модуль 6 Тема 13. Організація і методика фізичного виховання дітей та підлітків з ослабленим здоровям. Особливості організації фізкультурнооздоровчих занять учнів підготовчої і спеціальної медичної груп. 1.1. Організація занять фізичними вправами ...
18216. Планування, контроль та облік навчальної діяльності учнів 141.5 KB
  Змістовий модуль 4 Тема 9. Планування контроль та облік навчальної діяльності учнів. Технологія планування та його функції. 1.1. Функції планування вимоги до планування перспективне поточне оперативне планування. 1.2. Технологія планування встановлення мет...
18217. Принципи побудови процесу фізичного виховання 84.5 KB
  Змістовий модуль 1 Тема 2. Принципи побудови процесу фізичного виховання. Усі явища та процеси у природі і житті підпорядковані певним закономірностям і розвиваються відповідно до них. Ці закономірності існують у природі незалежно від волі людини. П
18218. Загальні основи навчання рухових дій 126 KB
  Змістовий модуль 2 Тема 5. Загальні основи навчання рухових дій. Особливості навчання у фізичному вихованні. 1.1. Зміст спеціальних фізкультурноспортивних знань. 1.2. Класифікація рівнів засвоєння знань. Рухові уміння та навички. 2.1. Характеристика
18219. Загальна характеристика та основи методики розвитку рухових здібностей 262 KB
  Змістовий модуль 3 Тема 6. Загальна характеристика та основи методики розвитку рухових здібностей. Поняття про рухові здібності та основні форми їх прояву. 1.1. Визначення поняття рухові здібності потенціальні та актуальні рухові здібності конди
18220. Теорія і методика фізичного виховання, як наукова та навчальна дисципліна. Система фізичного виховання 122 KB
  Змістовий модуль 1 Тема 1. Теорія і методика фізичного виховання як наукова та навчальна дисципліна. Система фізичного виховання. Під терміном теорія в науці і зокрема в ТМФВ розуміють систему основних ідей форму наукового знання що дає цілісне уявлення про законо...