ИСТОЧНИК, ФОРМИРУЮЩИЙ ПРОТОННЫЙ ПУЧОК
SOURCE FORMING PROTON BEAM

Изобретение относится к области вакуумной электроники и может быть использовано в технологических процессах, использующих протонные пучки, а также для сканирующей и просвечивающей протонной микроскопии. Более конкретно изобретение относится к новому источнику протонов - устройству, являющемуся источником формирования пучка протонов.
8
Известен протонный источник с автоионной эмиссией ионов водорода в сильном электрическом поле, создаваемом на аноде, выполненном в виде острия из металла (УФН, 1962, т.77, вып.3, стр.481-552). На острие подается электрический потенциал, достаточно высокий 10 В/см, чтобы ионизировать молекулу водорода, которая является источником протонов или однозарядных ионов. Однако такой источник создает пучки протонов с низкой плотностью протонов. Недостатком такого источника, кроме того, является ухудшение вакуума в системе, наличие ионов молекулярного водорода, что представляет собой проблему в случае необходимости высокого вакуума, например в целях фокусировки пучка, когда длина свободного пробега зависит от плотности молекул и ионов водорода в объеме и должна быть больше характерных расстояний от источника протонов до места их фокусировки.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является источник протонного пучка, не имеющий вышеуказанных недостатков (заявка Японии, JP 59130056). Он представляет собой устройство, в котором отсутствует водород внутри объема источника, а протоны под действием электрического потенциала эмитируются из анода, выполненного в виде наполняемого водородом палладиевого электрода. Этот электрод представляет собой мембрану, отделяющую вакуумируемый объем от внешней среды, чем достигается возможность сохранения высокого вакуума. Мембрана из палладия расположена на торце трубки, подводящей к мембране содержащие протоны молекулы водорода, которые под действием подогрева до температура 400°С диффундируют в палладий. Таким образом, подводящая трубка играет роль протоновода, с одной стороны, а также объема, в котором аккумулируется избыточный запас протонов, с другой. Накапливаясь в палладии, протоны под действием поля сетки, находящейся под отрицательным по отношению к аноду потенциалом, эмитируются с поверхности палладиевого электрода, обращенной к вакуумированному объему, при этом они не успевают захватить электрон и превратиться в водород, ускоряясь под действием потенциала катода, внутри вакуумной камеры. Таким образом решается задача сохранения высокого вакуума при создании протонного пучка.
Однако указанный выше известный источник также имеет ряд недостатков: так, для создания интенсивного протонного пучка требуется использовать палладиевый электрод в виде тонкой мембраны с большой площадью, при этом чем меньше ее толщина и чем больше ее площадь, тем большую плотность тока протонов можно достичь, с другой стороны, водород в подающей трубе находится под давлением и разогрет, что, естественно, ограничивает площадь палладиевой мембраны и ее толщину, для предотвращения ее разрыва в силу конечной механической прочности мембраны.
Кроме того, для получения максимально возможного потока водорода через протоновод требуется поднять температуру водорода в подводящей трубе, что в силу увеличивающейся при этом диффузии атомов водорода через палладиевый электрод ухудшает вакуум внутри камеры и уменьшает прочность палладиевого электрода.
Вероятно, из-за перечисленных недостатков данное изобретение не нашло применения, о чем свидетельствует отсутствие патентной защиты (по цитируемой заявке не выдан патент).
Задачей заявляемого изобретения является разработка такой конструкции источника протонного пучка, которая позволила бы формировать пучок протонов с высокой плотностью, при высоком вакууме и при этом была бы технически реализуема. Для этого в качестве протоновода, поставляющего протоны в палладиевый электрод, в предлагаемом устройстве предложено использовать материал с высокой ионной проводимостью по ионам водорода.
Задача решается тем, что создан источник пучка протонов, включающий вакуумную камеру, катод, сетку, анод из палладия, протоновод, аккумулятор протонов и нагреватель, при этом протоновод изготовлен из материала с высокой электропроводностью по ионам водорода и соединяет аккумулятор протонов с анодом, на который подан отрицательный потенциал по отношению к аккумулятору протонов.
Аккумулятор протонов может быть изготовлен преимущественно из электролита, в котором присутствуют ионы водорода, или из композитного материала, содержащего соединение, адсорбирующее водород.
Протоновод, в частности, может содержать нагреватель.
В отличие от известного источника в предлагаемом устройстве протоновод выполнен из материала, имеющего высокую ионную проводимость по ионам водорода, позволяющую под действием электрического поля транспортировать протоны от аккумулятора протонов к аноду с высокой плотностью. В частности, аккумулятор протонов может быть изготовлен из электролита, содержащего ионы водорода, либо из композита, содержащего соединение, способное адсорбировать водород. Все это позволяет достичь новый технический результат, заключающийся в том, что создан принципиально новый источник протонов, который позволяет формировать пучки протонов с высокой плотностью, при высоком вакууме и при этом является технически реализуемым.
Общая схема предлагаемого источника пучка ионов изображена на фиг.1, где в вакуумную камеру 1, помещен катод 2, который находится под ускоряющим потенциалом по отношению к аноду, между анодом и катодом расположена сетка 3, которая находится под отрицательным потенциалом по отношению к аноду, меньшим по сравнению с потенциалом катода, играющим роль потенциала вытягивающего протоны из анода. Анод 4 выполнен из палладия в виде тонкой мембраны, имеющей электрический контакт с протоноводом 5, изготовленным из материала, представляющего собой суперионный проводник - проводник с высокой электропроводностью по ионам водорода. Ионы водорода - протоны находятся в аккумуляторе протонов 6, который имеет электрический контакт с протоноводом и находится под положительным по отношению к аноду потенциалом.
Принцип работы заявленного источника пучка ионов заключается в следующем: протоны из электролита, содержащегося в аккумулятора протонов 6, под действием электрического потенциала через электрический контакт с протоноводом 5, представляющий собой протонный гетеропереход, перемещаются в протоновод 5 в направлении анода 4. Продвигаясь через протоновод 5, протоны проходят через электрический контакт с анодом 4 и далее диффундируют через палладий к поверхности электрода, обращенной в вакуум. С поверхности анода под действием электрического потенциала сетки протоны эмитируются в вакуум в виде пучка протонов, а затем ускоряются под действием потенциала катода 2. Образовавшиеся в аккумуляторе протонов 6 избыточные электроны под действием электрического потенциала двигаются во внешнюю цепь.
В случае использования в аккумуляторе протонов материала, адсорбирующего водород, последний под действием сил поля на границе с суперионным материалом протоновода, который представляет собой протонный гетеропереход (ЖТФ, 2008, т.78, вып.2, стр.134-136), будет отдавать в него протоны, а электроны будут уходить во внешнюю цепь.
Для увеличения плотности тока протонного пучка может быть увеличена скорость диффузии протонов, для чего протоновод может быть подвергнут нагреву. Для этого на протоноводе имеется нагреватель 7 (см. фиг.2), при включении которого скорость вынужденной диффузии протонов может возрасти на несколько порядков, так как ее величина в суперионных соединениях растет экспоненциально с температурой, а температура нагрева при этом ограничена температурой разложения суперионного материала или температурой плавления палладия.
На фиг.1 представлено заявленное устройство где:
1 - вакуумная камера;
2 - катод;
3 - сетка;
4 - анод из палладия;
5 - протоновод;
6 - аккумулятор протонов.
На фиг.2 представлено заявленное устройство, дополнительно содержащее нагреватель, где обозначения 1-6 имеют вышеуказанные значения, а обозначение 7 - нагреватель.