ИНЖЕКТОР МНОГОЗАРЯДНЫХ ИОНОВ НА ОСНОВЕ ИМПУЛЬСНОГО ИСТОЧНИКА ВОДОРОДНЫХ ИОНОВ
MULTIPLY CHARGED ION INJECTOR BASED ON A PULSED HYDROGEN ION SOURCE

19
Изобретение относится к области ускорительной техники, а именно к импульсным инжекторам многозарядных ионов, и может быть применено в микроэлектронике, медицине и металловедении. Конструкция предложенного инжектора позволяет использовать его на начальном этапе работ по созданию новой элементной базы микроэлектроники «кремний на изоляторе» (КНИ), когда необходимо получить пучок протонов с энергией 100 кэВ при равномерной плотности протонов на площади диаметром 200 мм. Также он может быть применен на инжекторе линейного укорителя или инжекторе протонного синхротрона при создании медицинского пучка для решения задач онкологии или, когда необходим пучок разных ускоренных ионов для наработки технологической дозы порядка 10 нуклонов для решения задач металловедения.
6
Сущность изобретения: повышение надежности работы инжектора многозарядных (тяжелых) ионов путем использования в его составе ионного источника уникальной конструкции, а также упрощение процесса получения многозарядных ионов путем установки диафрагмы на входе в ускорительный канал электростатического ускорителя, которая позволяет выделить только центральную слаботочную многозарядную компоненту из сильноточного пучка сложного состава для дальнейшего ускорения ее при U=4-5×10B.
Технологии с использованием ионных пучков интенсивно развиваются в настоящее время и одновременно расширяется область их применения. Так, благодаря работе Большого адронного коллайдера в Женеве - ускорителя заряженных частиц на встречных пучках, Коллаборация LHCb (CERN, Европейская организация по ядерным исследованиям), в которую входят Институт ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН (ИЯФ СО РАН), Новосибирский государственный университет (НГУ), Институт теоретической и экспериментальной физики им. А.И. Алиханова НИЦ «Курчатовский институт» (ИТЭФ) и др., объявила об открытии новой частицы - экзотического тетракварка Тсс+, которая обладает уникальными свойствами и фактически представляет собой новую форму материи (см., например, публикацию на портале «Атомная Энергия» Коллаборация LHCb объявила об открытии нового экзотического тетракварка Тсс+, 29.07.2021, https://www.atomic-energy.ru/news/2021/07/29/116002). В РФ также ведутся активные работы с ионными пучками, например, в эксперименте NICA в Объединенном институте ядерных исследований (ОИЯИ). Комплекс NICA обеспечивает широкий спектр пучков: от протонных и дейтронных, до пучков, состоящих из таких тяжелых ионов, как ядра золота. В коллайдере NICA предусмотрены две точки взаимодействия: одна для изучения столкновения тяжелых ионов на MPD детекторе, другая для поляризованных пучков для эксперимента на установке SPD (https://nica.jinr.ru/ru/). Обширная область применения ионных пучков также представлена обработкой и модификацией поверхностей полупроводников (Hirvones J.K. et al., Ion-solid Interactions: Fundamentals and Applications. Cambridge Univ. Pr., 1996) и ионно-лучевая имплантацией (Sui Y. W. et. al., Microstructure and friction performance of copper film fabricated by ion implantation assisted electroless plating on PTFE, Materials Science and Technology, 2011). Огромное значение технологии, основанные на ионных пучках, имеют и в медицине, где они успешно применяются в терапии различных патологий организма, в том числе онкологических заболеваний и фармацевтике (Ishikawa J. et al., Ion implantation of negative ions for cell growth manipulation and nervous system repair, Surface and Coatings Technology, 2007; Muramatsu M. et al., Development of the compact electron cyclotron resonance ion source for heavy-ion therapy, Rev. Sci. Instr., 2000; Leonard D. J. et al., The modification of PLA and PLGA using electron-beam radiation, Journal of Biomedical Materials Research, 2009).
Для получения ионных пучков используются инжекторы заряженных частиц, например, инжекторы многозарядных ионов (см., например, авторское свидетельство SU 1145902 А2, опубл. 15.03.1993; Лапицкий Ю.Я., Усовершенствование электростатического инжектора протонного синхротрона на 7 ГэВ и разработка импульсных протонных источников с большим током, диссертация, Москва, 1971; Венгров Р.М. и др., ЛИНЕЙНЫЙ УСКОРИТЕЛЬ МНОГОЗАРЯДНЫХ ИОНОВ НА 8 МэВ/нуклон - ИНЖЕКТОР УСКОРИТЕЛЬНОГО КОМПЛЕКСА ТВН, АТОМНАЯ ЭНЕРГИЯ, 2003).
В качестве ближайшего аналога предлагаемого изобретения может быть принята конструкция устройства для имплантации ионов, включающая ионный источник, предускоритель на 30 кВ, магнитный анализатор под потенциалом 200 кВ, выполняющий функцию устройства для разделения ионов по заряду, и ускоритель на 200 кВ (IWAKI М. et al., RIKEN 200 kV HIGH CURRENT IMPLANTER FOR METAL SURFACE MODIFICATION, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B6, 1985, p.51-55). Схема устройства по прототипу приведена на рис. 2.
Недостатками прототипа являются узкая область применения инжектора - исключительно для имплантации ионов, что не обеспечивает получения ионов высоких энергий, достаточных для целей металловедения и медицины, а также сложность выполнения с использованием дорогостоящих и массивных конструктивных элементов.
Техническая проблема заключается в необходимости создания импульсного инжектора многозарядных ионов, который позволит устранить указанные недостатки.
Для устранения указанных недостатков предложено инновационное решение, состоящее из нескольких технических подходов к изменению конструкции инжектора ионов, которые в совокупности обеспечивают достижение неожиданного технического результата.
Во-первых, предложена уникальная конструкция источника ионов, входящая в состав раскрытого в настоящей заявке инжектора ионов.
За основу взят конструктив ионного источника, ранее разработанного автором настоящего изобретения (Патент №2671960, опубл. 08.11.2018). Согласно патенту №2671960 импульсный источник ионов водорода с холодными катодом и антикатодом состоял из соленоидальной катушки, надетой на немагнитную вакуумную камеру, внутри которой помещены катодный магнитный полюс с центральным углублением, катод из нержавеющей стали в виде плоского диска с центральным углублением в виде стакана, примыкающий к катодному магнитному полюсу, в центре катода установлен конус из немагнитного металла, кольцевой анодный изолятор, анод в виде пустотелого цилиндра с кольцевой перемычкой в середине, выполненный из нержавеющей стали, антикатод в виде диска, выполненный из нержавеющей стали, по оси которого выполнено углубление с отверстием эмиссии в центре, своей выступающей частью вставленный в отверстие антикатодного магнитного полюса. При этом на антикатоде выполнен кольцевой магнитный концентратор, соосный с анодом и расположенный по направлению к аноду, где диаметр концентратора в два раза больше, чем внутренний диаметр катодного магнитного полюса, а торцевые части цилиндра анода выполнены со скосами наружу под острым углом.
Однако известный ионный источник имеет ряд недостатков, которые заключаются в конструктивном исполнении анода и анодного изолятора (анод выполнен в виде монолитной втулки с наружными скосами, а изолятор в виде кольца, надетого на втулку). При длительной и интенсивной работе из-за температурной деформации неизбежен разрыв кольца изолятора анодом.
В предложенной конструкции ионного источника, входящего в состав раскрытого в настоящей заявке инжектора ионов, удалось устранить недостатки ранее известного ионного источника. Так, анодный изолятор выполнен в виде втулки, а анод выполнен в виде многослойного тонкостенного цилиндра из немагнитной фольги с кольцевой диафрагмой посередине, при этом между анодом и изолятором введено механически мягкое многослойное кольцо из немагнитной фольги, которое является тепловым сопротивлением и защищает анодный изолятор от локального перегрева, высоковольтного пробоя и механического разрушения. Схема уникальной конструкции устройства ионного источника приведена на рис. 1.
Во-вторых, в конструкции устройства по прототипу внесена существенная модификация, позволяющая значительно упростить конструктивное выполнение ионного инжектора с использованием менее затратных и компактных элементов и обеспечивающая в совокупности с применением раскрытой в настоящей заявке уникальной конструкции ионного источника получение ионов высоких энергий, достаточных для целей металловедения и медицины.
6
6
Так, предложено заменить дорогостоящий, энергоемкий и массивный магнитный анализатор, выполняющий функцию устройства для выделения высокозарядной компоненты из центральной области пучка ионов сложного состава в прототипе, на относительно недорогую отсекающую диафрагму, например, выполненную из металла весом в несколько десятков грамм (~ 20-100 г), расположив ее между предускорителем и ускорителем для выделения слаботочной многозарядной компоненты из сильноточного пучка сложного состава и ускорить выделенные ионы при U=4-5×10 В с использованием ускорителя прямого действия на напряжение 4-5×10 В.
6
6
Техническим результатом предложенного изобретения является повышение надежности работы инжектора многозарядных (тяжелых) ионов путем использования в его составе ионного источника уникальной конструкции, обеспечивающего возможность увеличить разрядный ток в источнике в 1,5 раза без опасения разрушения анода и изолятора, а также упрощение процесса получения многозарядных ионов путем установки диафрагмы на входе в ускорительный канал ускорителя прямого действия на напряжение 4-5×10 В, которая позволяет выделить только центральную слаботочную многозарядную компоненту из сильноточного пучка сложного состава для дальнейшего ускорения выделенных ионов при U=4-5×10B.
Для достижения указанного технического результата предложена оригинальная конструкция импульсного инжектора многозарядных ионов, который состоит из последовательно соединенных ионного источника, предускорителя, устройства для выделения высокозарядной компоненты из центральной области пучка ионов сложного состава и ускорителя.
Импульсный источник водородных ионов с холодными катодом и антикатодом в составе предложенной конструкции инжектора, состоит из соленоидальной катушки, надетой на немагнитную вакуумную камеру, внутри которой помещены катодный магнитный полюс с центральным углублением, катод из нержавеющей стали в виде плоского диска с центральным углублением в виде стакана, примыкающий к катодному магнитному полюсу, в центре катода установлен конус из немагнитного металла, антикатод в виде диска, выполненный из нержавеющей стали по оси которого выполнено углубление с отверстием эмиссии в центре, своей выступающей частью вставленный в отверстие антикатодного магнитного полюса, на антикатоде выполнен кольцевой магнитный концентратор соосный с анодом и расположенный по направлению к аноду, где диаметр концентратора в два раза больше, чем внутренний диаметр катодного магнитного полюса. При этом анодный изолятор выполнен в виде втулки, а анод выполнен в виде многослойного тонкостенного цилиндра из немагнитной фольги с кольцевой диафрагмой посередине, при этом между анодом и изолятором введено механически мягкое немагнитное кольцо, которое является тепловым сопротивлением.
6
6
6
В качестве устройства для выделения высокозарядной компоненты из центральной области пучка ионов сложного состава использована диафрагма, установленная на входе в ускорительный канал ускорителя прямого действия на напряжение 4-5×10 В, а именно между предускорителем, который используется для обеспечения оптимальных начальных условий, необходимых для эффективной инжекции ионного пучка в ускоритель, и ускорителем прямого действия на напряжение 4-5×10 В. Установленная диафрагма позволяет выделить только центральную слаботочную многозарядную компоненту из сильноточного пучка сложного состава для дальнейшего ускорения при U=4-5×10 В.
Краткое описание чертежей
Рис. 1 Схема импульсного источника водородных ионов с осцилляцией электронов в неоднородном продольном магнитном поле, где:
1. Катод;
2. Антикатод;
3. Немагнитная вакуумная камера;
4. Катодный магнитный полюс;
5. Конус из немагнитного металла;
6. Отверстие эмиссии;
7. Антикатодный магнитный полюс;
8. Кольцевой магнитный концентратор;
9. Анодный изолятор;
10. Анод;
11. Кольцевая диафрагма;
12. Кольцо мягкое немагнитное.
Рис.2. Схема устройства для имплантации ионов по прототипу, где:
13. Ионный источник;
14. Предускоритель, напряжение на предускорителе 30 кВ;
15. Магнитный анализатор под потенциалом 200 кВ;
16. Ускорительный канал.
Рис. 3 Схема импульсного инжектора многозарядных ионов согласно настоящему изобретению, где:
13. Ионный источник (конструкции, приведенной на рис. 1);
14. Предускоритель, как изображен на рис. 2;
16. Ускорительный канал ускорителя прямого действия на напряжение 4-
6
5x10 В;
17. Диафрагма;
18. Сильноточный многокомпонентный пучок;
19. Слаботочный многозарядный пучок;
6
20. Высоковольтный электрод под потенциалом 4-5×10 В;
21. Вытягивающий электрод находится под отрицательным потенциалом относительно ионного источника, при этом из плазменной границы в отверстии эмиссии ионного источника электрическим полем вытягиваются положительные ионы, из которых формируется сильноточный многокомпонентный по зарядности пучок.
Рис. 4 Схема выделения многозарядной компоненты из многокомпонентного пучка ионов с помощью диафрагмы, где
6. Отверстие эмиссии, как изображено на рис. 1;
17. Диафрагма, как изображено на рис. 3;
18. Сильноточный многокомпонентный пучок, как изображено на рис. 3;
19. Слаботочный многозарядный пучок, как изображено на рис. 3.
Пример осуществления изобретения
В качестве ионного источника в конструкции предложенного в настоящей заявке импульсного инжектора многозарядных ионов был использован импульсный источник водородных ионов с осцилляцией электронов в неоднородном продольном магнитном поле.
На рис. 1 представлена схема импульсного источника водородных ионов с осцилляцией электронов в неоднородном продольном магнитном поле с холодными катодом (1) и антикатодом (2), состоящий из соленоидальной катушки, надетой на немагнитную вакуумную камеру (3), внутри которой помещены катодный магнитный полюс (4) с центральным углублением, катод (1) из нержавеющей стали в виде плоского диска с центральным углублением в виде стакана, примыкающий к катодному магнитному полюсу (4), в центре катода установлен конус (5) из немагнитного металла, антикатод (2) в виде диска, выполненный из нержавеющей стали по оси которого выполнено углубление с отверстием эмиссии (6) в центре, своей выступающей частью вставленный в отверстие антикатодного магнитного полюса (7), на антикатоде выполнен кольцевой магнитный концентратор (8) соосный с анодом и расположенный по направлению к аноду, где диаметр концентратора в два раза больше, чем внутренний диаметр катодного магнитного полюса, отличающийся тем, что анодный изолятор (9) выполнен в виде втулки, анод (10) выполнен в виде многослойного тонкостенного цилиндра из немагнитной фольги с кольцевой диафрагмой (11) посередине, при этом между анодом и изолятором введено механически мягкое немагнитное кольцо (12), которое является тепловым сопротивлением, защищающим изолятор от локального перегрева, электрического пробоя и разрушения.
На экспериментальном стенде была выполнена проверка длительной работы инжектора с источником предложенной в настоящем изобретении конструкции, обнаружено, что при повышении разрядного тока с 10 до 15 А на протяжении рабочей смены рабочие параметры источника не изменились. При сравнения с работой инжектора, в котором использована конструкция источника согласно патенту №2671960, до истечения рабочей смены при разрядном токе 10 А был выявлен разрыв кольца изолятора из-за температурной деформации массивного анода и дальнейшая работа инжектора стала невозможна.
Проблемы онкологии и проблемы металловедения схожи на начальном этапе получения технологических доз при использовании пучков ускоренных многозарядных ионов.
Из ионного источника (13), используемого в конструкции устройства для имплантации согласно прототипу, схема которого приведена на рис. 2, выходят ионы сложного состава и ускоряются в предускорителе (14) до напряжения 30 кВ, в результате предускоренный пучок направляется на входную щель магнитного анализатора (15). После анализа с целью выделения высокозарядной компоненты из центральной области пучка ионов сложного состава рабочая компонента пучка направляется в ускорительный канал (16), в котором ускоряется при напряжении 200 кВ.
Однако для металловедения ускоритель на 200 кВ не подходит, поскольку не обеспечивает получение ионов высоких энергий, достаточных для целей металловедения и медицины.
6
6
В этом случае в настоящем изобретении предложено использовать ускоритель прямого действия на напряжение 4-5×10 В. Подходящими вариантами ускорителей такого типа являются электростатические ускорители типа Ван-де-Грааф или каскадные ускорители. Такие ускорители подходят и для целей медицины, в частности онкологии, т.к. в них можно ускорять любые типы ионов, любой зарядости, но только в этом случае ускоритель прямого действия на напряжение 4-5×10 В может использоваться как инжектор синхротрона, т.к. энергию ионов нужно увеличивать еще на два порядка.
6
Однако начальную часть устройства по прототипу, состоящую из ионного источника, ускорительного канала на 30 кВ и магнитного анализатора со своей системой питания, невозможно разместить в высоковольтном электроде ускорителя типа Ван-де-Граафа или каскадного ускорителя. Избавиться от наиболее массивного и энергоемкого конструктивного элемента в начальной части устройства по прототипу - магнитного анализатора возможно только с помощью установки диафрагмы на входе в ускорительный канал подходящего ускорителя прямого действия на напряжение 4-5×10 В.
6
6
6
На рис. 3 приведена схема импульсного инжектора многозарядных ионов согласно настоящему изобретению и показано размещение диафрагмы между предускорителем и ускорителем прямого действия на напряжение 4-5×10 В. Из ионного источника (13), в качестве которого использован импульсный источник водородных ионов, схема которого приведена на рис. 1 и который используется в инжекторе согласно настоящему изобретению, выходят ионы сложного состава и ускоряются в предускорителе (14) при напряжении 30 кВ, в результате предускоренный пучок направляется к ускорительному каналу (16) ускорителя прямого действия на напряжение 4-5×10 В, проходя через диафрагму (17), которая позволяет выделить из центральной области сильноточного многокомпонентного пучка (18) высокозарядную (тяжелоионную) компоненту (19). Указанные ионный источник и предускоритель с диафрагмой размещены внутри стандартного сферического высоковольтного электрода (20) под потенциалом 4-5x10 В.
Диафрагма выполнена из тугоплавкого металла толщиной 0,5 - 1 мм (например, из молибдена, тантала и др.), диаметр диафрагмы определяется экспериментально, оптимальные размеры диафрагмы подбираются в зависимости от ионного тока, напряжения, зарядности и плазменной границы. Размеры диафрагмы определяются, исходя из анализа фазового портрета, полученного с помощью щелевого экрана, например, как показано в диссертации Лапицкого Ю.Я., Усовершенствование электростатического инжектора протонного синхротрона на 7 ГэВ и разработка импульсных протонных источников с большим током, диссертация, Москва, 1971 или работе КУЙБИДА Р.П. и др., ПРИБОРЫ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ЭМИТТАНСА ПУЧКА НА ВХОДЕ И ВЫХОДЕ ЛИНЕЙНОГО УСКОРИТЕЛЯ И-2, ПРЕПРИНТ ИТЭФ, 1984, МОСКВА, №171, 28 с. Щелевой экран обычно представляет собой фольгу (0,05 - 0,1 мм), выполненную из термостойкого материала, аналогичного материалу диафрагмы. Например, первоначальный диаметр диафрагмы составляет 5 мм при следующих параметрах щелевого экрана: толщина щелевого экрана 0,1-0,2 мм, ширина просвета щели 0,3 мм, шаг щели 3 мм, при расстоянии между щелевым экраном и листом регистрирующей термобумаги 50-60 мм.
Анализ фазового портрета пучка водородных ионов с многокомпонентной составляющей, получаемого с помощью модернизированного ионного источника в составе предложенного в настоящем изобретении инжектора, позволил визуально подтвердить, что траектория движения заряженных частиц в постоянном электростатическом поле определяется только величиной заряда заряженной частицы. И чем выше заряд частицы, тем ближе к оси ускоряющего канала траектория этой частицы. При этом за счет постоянного дрейфа осциллирующих электронов к оси разрядной камеры ионного источника, на указанной оси формируется максимальная плотность электронов в приосевой области диаметром около 0,1 мм. Таким образом образуются ионы с максимальной зарядностью именно в указанной приосевой области. Поэтому, диафрагмируя сильноточный сложный по составу ускоренный ионный пучок, можно выделить из сечения этого пучка центральную высокозарядную слаботочную компоненту для ее дальнейшего ускорения в слаботочном высоковольтном ускорителе предложенного инжектора. Поскольку при ионном токе в несколько миллиампер сложного по составу пучка его высокозарядная компонента по току оказывается на два-три порядка меньше, то это обстоятельство оказывается особенно важным при использовании ускорителей типа Ван-де-Грааф, в которых средний рабочий ток пучка составляет несколько десятков микроампер. Поэтому необходимым элементом конструкции инжектора согласно настоящему изобретению является установка диафрагмы между предускорителем и ускорительным каналом для очистки пучка от низкозарядной компоненты ускоренного ионного пучка. Как показано на рис. 4, установленная диафрагма (17) позволяет выделить слаботочный многозарядный пучок (19) из сильноточного многокомпонентного пучка (18), выходящего из отверстия эмиссии (6) ионного источника.
6
3
3
6
Для пояснения работы диафрагмы на рис. 2 и рис. 3 показаны функциональные элементы ускорителя имплантера на 200 кВ и ускорителя прямого действия на напряжение 4-5×10 В согласно настоящему изобретению, у которых одинаковая логика работы: в разных двух ионных источниках создается плазма, в двух начальных ускорительных зазорах при ускоряющих напряжениях U=30×10B формируются сильноточные многокомпонентные ионные пучки, в магнитном анализаторе имплантера выделяется только одна рабочая компонента пучка, которая ускоряется в ускорительном канале при напряжении на канале U=200×10B, а на входе в ускорительный канал электростатического ускорителя устанавливается диафрагма, которая выделяет только центральную слаботочную многозарядную компоненту из сильноточного пучка сложного состава и ускоряется при U=4-5×10B. То есть вместо дорогого, сложного, тяжелого, габаритного, потребляющего электроэнергию магнитного анализатора, устанавливается дешевая металлическая диафрагма весом в несколько десятков грамм.
-3
-3×-3
-6
+4
-6
19
13
19
19
13
4
55
В предлагаемой конструкции ионного инжектора импульсный разрядный ток составляет I=10 А при напряжении на разрядной камере ионного источника 500 В. При этих условиях в канале разряда возникают ионы железа из материала распыляемых катода и антикатода, изготовленных из нержавеющей стали. Если в ионном пучке ионный ток четырехзарядных ионов железа составляет только 10 от общего тока пучка, то есть I=0,5×10=0,5×10 А, то количество нуклонов в секунду для компонента четырехзарядного железа (Fe) составляет N=0,5×10×55/4×1,6х10=11×10 нуклонов. Исходя из этого, технологическую дозу 10 можно получить за время Т=10/11×10=9×10 сек=25 часов.
19
6
+4
55
Приведенные данные демонстрируют высокую доступность получения технологической дозы 10 нуклонов за время работы ускорителя в течении нескольких смен. При использовании ускорителей типа Ван-де-Грааф на рабочее напряжение U=4-5×10 В при ионах Fe на один нуклон будет приходиться энергия 291 кэВ.
6
6
Приведенные экспериментальные данные подтверждают достижение технического результата - интенсификация и повышение надежности работы инжектора многозарядных (тяжелых) ионов путем использования в его составе ионного источника уникальной конструкции, обеспечивающего возможность увеличить разрядный ток в источнике в 1,5 раза без опасения разрушения анода и изолятора, а также упрощение процесса получения многозарядных ионов путем установки диафрагмы на входе в ускорительный канал ускорителя прямого действия на напряжение 4-5×10 В, которая позволяет выделить только центральную слаботочную многозарядную компоненту из сильноточного пучка сложного состава для дальнейшего ускорения ее при U=4-5×10 В.
Таким образом, конструкция предложенного ионного инжектора обеспечивает технические условия работы, которые необходимы для решения широкого спектра задач в различных областях техники, связанных с использованием ионных пучков.