ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫЙ ИСТОЧНИК ПОВЕРХНОСТНОЙ ИОНИЗАЦИИ
HIGH-TEMPERATURE SURFACE IONIZATION SOURCE

Изобретение относится к вакуумной технике и может быть использовано для получения пучков ионов при разделении изотопов или масс-спектрометрии.
Для получения пучков ионов в целях, к примеру, ядерной медицины используют различные методы ионизации, но наиболее распространенным и простым для реализации является метод поверхностной ионизации. Суть его состоит в том, что при попадании атомов на поверхность металла часть из них испаряется в виде нейтральных частиц, а часть - в виде положительных ионов.
Как известно, степень поверхностной ионизации описывается уравнением Саха-Ленгмюра [Л.Н. Добрецов, М.В. Гомоюнова. Эмиссионная электроника. М.: «Наука», 1966 г., 564 с.]:
где α - степень поверхностной ионизации, равная:
a
p
p
a
i
n - доля атомов, испарившихся с поверхности в виде нейтральных атомов; n - в виде положительных ионов; g/g - отношение статистических весов ионного и атомного состояния ионизирующихся частиц; ϕ - работа выхода материала, с поверхности которого испаряются атомы; V - потенциал ионизации атома.
i
Из уравнения видно, что степень ионизации тем больше, чем больше разность работы выхода ионизатора и потенциала ионизации атомов (ϕ-V), стоящая в числителе экспоненты.
Известен ионный источник с поверхностной ионизацией, выполненный в виде трубки из поликристаллического вольфрама, в котором образование ионов происходит при попадании атомов ионизируемого вещества на разогретую внутреннюю цилиндрическую поверхность трубки [V.N. Panteleev, А.Е. Barzakh, D.V. Fedorov, F.V. Moroz, S. Yu. Orlov, M.D. Seliverstov and Yu. M. Volkov. High temperature ion sources with ion confinement. Rev. Sci. Instr., Vol 73, No. 2, February 2002, 738-740].
Недостатком такого источника поверхностной ионизации является его относительно низкая эффективность, связанная с невысокой степенью поверхностной ионизации на поликристаллическом вольфраме, работа выхода которого составляет (4,5-4,55) эВ [B.C. Фоменко. Эмиссионные свойства материалов. Наукова думка. Киев. 1970. 134 с].
Для повышения эффективности источника необходимо достигать высоких температур на внутренней поверхности вольфрамовой трубки, что, с одной стороны, приводит к снижению срока службы источника, а с другой - требует дополнительных технических средств нагрева, повышая при этом его стоимость.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является ионный источник с поверхностной ионизацией, выполненный в виде трубки из монокристалла вольфрама, который авторы выбрали в качестве прототипа [В.Н. Пантелеев. Эксперименты на установке ИРИС МЛК ИРИНА. Сессия научного совета ОФВЭ, 23-26 декабря 2014 г.].
Известный источник обладает повышенной по сравнению с источником из поликристаллического вольфрама эффективностью благодаря анизотропии свойств монокристалла. Однако, несмотря на то, что на внутреннюю поверхность трубки выходят грани с достаточно высокими значениями работы выхода (до 5,6 эВ), интегральная работа выхода источника существенно ниже, что связано с присутствием на внутренней поверхности трубки большого числа кристаллографических граней с низкой работой выхода. Для повышения эффективности ионизации указанный источник также требует дополнительных технических средств нагрева или увеличения длины самого ионизатора, что сказывается на его стоимости.
Задача и достигаемый при использовании изобретения технический результат - повышение эффективности источника поверхностной ионизации без увеличения его рабочей температуры и геометрических размеров, что позволяет снизить стоимость получения пучков ионов.
Поставленная задача решается путем выполнения высокотемпературного ионного источника поверхностной ионизации из монокристаллического материала с объемно-центрированной кубической решеткой, снабженного цилиндрическим сквозным отверстием, в котором согласно изобретению сквозное отверстие выполнено вдоль кристаллографического направления [111] монокристалла.
В качестве монокристаллического материала с объемно-центрированной кубической решеткой выбраны материалы из ряда тугоплавких материалов, таких как вольфрам, тантал, молибден и ванадий.
Для дополнительного повышения работы выхода поверхность сквозного отверстия снабжена оксидной пленкой, толщина которой не превышает 1 мкм.
При расположении сквозного отверстия вдоль кристаллографического направления [111] монокристалла на внутреннюю поверхность источника выходит максимальное число граней с индексами {110}, обладающих максимальной работой выхода - (5,2-5,6) эВ.
Как подтверждают проведенные эксперименты, эффективность источника поверхностной ионизации увеличивается по сравнению с прототипом, по меньшей мере, в два раза. В частности, использование заявленного источника позволяет получать эффективность ионизации изотопов Sr более 80% при длине ионизатора до 25 мм, что обеспечивает повышенный выход изотопов и, как следствие, снижение стоимости их производства.
Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения
Высокотемпературный источник поверхностной ионизации выполнен в виде трубы из монокристаллического вольфрама, полученного методом зонной плавки. Указанный монокристалл вольфрама ориентируют по кристаллографическому направлению [111], вдоль которого выполняют сквозное отверстие цилиндрической формы диаметром 2 мм методом электроэрозионной резки. Затем методом электроэрозионной резки формируют наружную поверхность источника в форме цилиндра диаметром 7 мм, коаксиально расположенного относительно сквозного отверстия. Внутреннюю и наружную поверхность полученной трубки подвергают электрохимической полировке в NaOH. После полировки получившееся изделие подвергают термообработке в атмосфере воздуха при температуре 700°С, формируя тем самым оксидную пленку толщиной до 1 мкм.
Следует отметить, что источник может иметь любую другую форму с точки зрения технологичности конструкции, а также условий эксплуатации, и которая не является существенной с точки зрения достижения технического результата.
В зависимости от конструкции масс-сепаратора возможно формирование наружной поверхности, отличной от цилиндра формы, например в виде прямоугольного параллелепипеда.
В масс-сепараторе заявляемое устройство располагают в непосредственной близости от испаряемой мишени. Нагрев высокотемпературного источника проводят методом прямого пропускания электрического тока. Испаренные атомы мишени, попадая на разогретую внутреннюю поверхность источника, покидают ее в виде ионов, которые впоследствии направляют из облучательного устройства электростатическим полем.
Техническим результатом, достигаемым при использовании заявленного изобретения, является повышенное значение эффективности ионизации и, как следствие, получения радиоизотопов и снижение стоимости их производства на установках с масс-сепаратором.