ВЫСОКОНАДЕЖНЫЙ, С БОЛЬШИМ СРОКОМ СЛУЖБЫ ИСТОЧНИК ОТРИЦАТЕЛЬНО ЗАРЯЖЕННЫХ ИОНОВ
HIGH-RELIABILTIY, LONG- SERVICE LIFE NEGATIVELY CHARGED ION SOURCE

[0001] Настоящая заявка испрашивает приоритет согласно предварительной заявке на патент США №61/844 054, поданной 9 июля 2013 г., которая полностью включена в настоящую заявку посредством ссылки.
Область техники
[0002] Настоящая заявка в целом относится к области источников отрицательно заряженных ионов. В частности, настоящая заявка относится к системам и способам выработки высокотемпературных нейтральных атомов и преобразования их в отрицательно заряженные ионы посредством взаимодействия с покрытым цезием конверсионным конусом и вывода отрицательно заряженных ионов в пучок ионов высокого напряжения (примерно 30 кВ).
Уровень техники
[0003] Этот раздел предназначен для раскрытия уровня техники или контекста относительно изобретения, изложенного в пунктах формулы изобретения. Приведенное здесь описание может включать концепции, которые могут быть реализованы, но которые не обязательно представляют собой концепции, которые были ранее задуманы или реализованы. Следовательно, если здесь не указано иначе, описанное в настоящем разделе не представляет собой известный уровень техники относительно описания и пунктов формулы изобретения настоящей заявки и не признано быть известным уровнем техники вследствие включения в этот раздел.
[0004] Источники ионов используют в широком диапазоне приложений, включая фундаментальные научные исследования, медицинские приложения и производство полупроводников. Во многих случаях работа и надежность очень больших, сложных и дорогих систем ограничены характеристиками и надежностью источника ионов, который часто составляет относительно небольшую часть полной системы с точки зрения ее размера и стоимости. Таким образом, прогресс в технологиях источников ионов может сравнительно быстро привести к существенным улучшениям работы системы. Однако источники ионов представляют собой сложные устройства, часто подверженные проблемам, связанным с надежностью при переходе к большим значениям тока, которые часто требует остальная часть системы.
[0005] Проблемы, связанные со сроком службы и надежностью, особенно неприятны для таких обычных источников отрицательно заряженных ионов, как источники отрицательно заряженных ионов водорода (Н-). Тем не менее, источники отрицательно заряженных ионов обычно используют в широком диапазоне применения вследствие того, что во многих приложениях расположенные вниз по течению компоненты системы требуют ионов, заряженных отрицательно, а не положительно. Например, обычные источники отрицательно заряженных ионов могут иметь относительно короткий срок службы, составляющий лишь несколько сотен часов. Этот срок службы еще меньше при работе на полную мощность (например, при токе 15 миллиампер). Кроме того, обычные источники отрицательно заряженных ионов могут сталкиваться с другими проблемами, включая требования к высокой мощности (15 кВт) и высокой газовой нагрузке (18-20 куб. см в секунду) для расположенных вниз по течению вакуумных компонентов.
[0006] Надежный источник отрицательно заряженных ионов с большим сроком службы может быть использован при раскалывании кремния для фотогальванических полупроводниковых приложений, для выработки и разделения изотопов, в циклотронных инжекционных системах и при масс-спектрометрии в ускорителях. Циклотроны широко используют в медицине и промышленности. Хотя эта технология продолжает развитие, инжекторы на основе источника ионов, по видимому, могут стать ограничивающими факторами относительно тока пучка и характеристик ускорителя. Существует несколько технических причин, по которым предпочтительно инжектировать в циклотроны отрицательно, а не положительно заряженные ионы, а низкий ток и короткий срок службы обычных источников ионов потенциально ограничивает характеристики циклотронов следующего поколения. Точно так же пучки ионов используют в широком диапазоне установок в полупроводниковой промышленности. Улучшенные источники ионов обеспечивают более дешевые, более экономичные и более производительные способы производства компонентов схем, представляющих собой строительные блоки всех современных основанных на интегральных схемах технологий.
[0007] В другом примере источник отрицательно заряженных ионов может быть использован в области выработки энергии посредством ядерного синтеза с магнитным удержанием плазмы. В течение многих десятилетий ученые стремились разработать источник энергии, основанный на реакциях ядерного синтеза, поскольку это могло бы потенциально обеспечить по существу неограниченное количество экологически чистой энергии при фактическом отсутствии вредных побочных продуктов. Хотя технологии ядерного синтеза значительно продвинулись за прошедшие несколько десятилетий, все же имеет место ряд технических проблем, препятствующих разработке чистого реактора ядерного синтеза. Одно из затруднений, препятствующих выработке энергии ядерного синтеза, связано с ненадежными источниками отрицательно заряженных ионов с высоким значением тока. Обычные применяемые при ядерном синтезе инжекторы отрицательно заряженных ионов используют нити и/или магнитно связанные области плазмы, которые страдают от многих описанных выше недостатков. Надежный, с большим сроком службы источник отрицательно заряженных ионов мог бы существенно увеличить конверсионную эффективность источника ионов, срок службы, надежность и выход по току. Разработка такого источника отрицательно заряженных ионов могла бы быть большим шагом вперед в развитии чистого, надежного источника энергии ядерного синтеза.
[0008] Существует необходимость в улучшенной технологии, включая технологию, связанную с новым типом источника ионов, который способен вырабатывать высокое значение постоянного тока на выходе (до 10 миллиампер) и иметь большой срок службы (более 1 месяца).
Раскрытие изобретения
[0009] Взятый в качестве примера вариант реализации настоящего изобретения относится к импульсному источнику отрицательно заряженных ионов или источнику отрицательно заряженных ионов в виде непрерывной волны, содержащему плазменную камеру, микроволновой источник, устройство преобразования в источник отрицательно заряженных ионов, магнитный фильтр и приспособление для формирования пучка. Плазменная камера содержит газ, предназначенный для ионизации. Микроволновой источник посылает микроволны в плазменную камеру для ионизации газа с получением изотопов, включая высокотемпературные нейтральные атомы. Устройство преобразования в источник отрицательно заряженных ионов преобразует высокотемпературные нейтральные атомы в отрицательно заряженные ионы. Магнитный фильтр уменьшает температуру электронов между плазменной камерой и устройством преобразования в источник отрицательно заряженных ионов. Приспособление для формирования пучка извлекает отрицательно заряженные ионы.
[0010] Другой вариант реализации настоящего изобретения относится к источнику отрицательно заряженных ионов в виде непрерывной волны, содержащему плазменную камеру, микроволновой источник, устройство преобразования в отрицательно заряженные ионы, магнитный фильтр и приспособление формирования пучка. Плазменная камера содержит газ, предназначенный для ионизации. Микроволновой источник посылает микроволны в плазменную камеру для ионизации газа с получением изотопов, включая высокотемпературные нейтральные атомы. Устройство преобразования в источник отрицательно заряженных ионов преобразует высокотемпературные нейтральные атомы в отрицательно заряженные ионы. Магнитный фильтр уменьшает температуру электронов между плазменной камерой и устройством преобразования в источник отрицательно заряженных ионов. Приспособление для формирования пучка извлекает отрицательно заряженные ионы.
[0011] Еще один вариант реализации настоящего изобретения относится к способу выработки отрицательно заряженных ионов. Способ включает подачу подлежащего ионизации газа в плазменную камеру, передачу микроволн из микроволнового источника в плазменную камеру для ионизации газа таким образом, что происходит выработка высокотемпературных нейтральных атомов газа, преобразование высокотемпературных нейтральных атомов в отрицательно заряженные ионы посредством взаимодействия с устройством преобразования в источник отрицательно заряженных ионов, и извлечение отрицательно заряженных ионов посредством приспособления для формирования пучка.
[0012] Дополнительные функции, отличительные признаки и варианты реализации раскрытия настоящего изобретения могут быть сформулированы на основе рассмотрения последующего подробного описания изобретения, чертежей и пунктов формулы изобретения. Кроме того, следует иметь ввиду, что и предшествующее раскрытие настоящего изобретения и последующее подробное описание изобретения приведены лишь в качестве примера и предназначены для обеспечения дальнейшего объяснения без какого-либо ограничения заявленного в формуле объема существа изобретения.
Краткое описание чертежей
[0013] Прилагаемые чертежи, предназначенные для обеспечения дополнительного понимания изобретения, содержатся в настоящем описании и составляют его часть, иллюстрируют варианты реализации настоящего раскрытия и вместе с подробным описанием изобретения предназначены для объяснения сущности настоящего раскрытия. Не предпринято никаких попыток показывать структурные подробности настоящего раскрытия более подробно, чем это может быть необходимо для фундаментального понимания существа изобретения и различных способов, посредством которых оно может быть осуществлено.
[0014] На фиг. 1 показан вид сверху взятого в качестве примера варианта реализации источника отрицательно заряженных ионов.
[0015] На фиг. 2 схематически показан вид сверху источника отрицательно заряженных ионов по фиг. 1.
[0016] На фиг. 3 показано поперечное сечение (вдоль линии G-G) источника отрицательно заряженных ионов по фиг. 1.
[0017] На фиг. 4 схематически показано поперечное сечение (вдоль линии G-G) источника отрицательно заряженных ионов по фиг. 1.
[0018] На фиг. 5 показано изометрическое поперечное сечение разрыва волновода для волновода источника отрицательно заряженных ионов по фиг. 1.
[0019] На фиг. 6 показан изометрический вид волновода по фиг. 5.
[0020] На фиг. 7 показан вид сверху волновода по фиг. 5.
[0021] На фиг. 8 показан вид сбоку волновода по фиг. 5.
[0022] На фиг. 9 схематически показан вид сбоку микроволнового источника для источника отрицательно заряженных ионов по фиг. 1.
[0023] На фиг. 10 схематически показан вид спереди микроволнового источника для источника отрицательно заряженных ионов по фиг. 1.
[0024] На фиг. 11 схематически показан вид сверху микроволнового источника для источника отрицательно заряженных ионов по фиг. 1.
[0025] На фиг. 12 схематически показан изометрический вид микроволнового источника для источника отрицательно заряженных ионов по фиг. 1.
[0026] На фиг. 13 показан вид спереди устройства преобразования в отрицательно заряженные ионы для источника отрицательно заряженных ионов по фиг. 1.
[0027] На фиг. 14 показан другой вид спереди устройства преобразования в отрицательно заряженные ионы для источника отрицательно заряженных ионов по фиг. 1.
[0028] Фиг. 15 представляет собой схематическую иллюстрацию источника отрицательно заряженных ионов по фиг. 1.
[0029] Фиг. 16 представляет собой другую схематическую иллюстрацию источника отрицательно заряженных ионов по фиг. 1.
[0030] Фиг. 17 представляет собой другую схематическую иллюстрацию источника отрицательно заряженных ионов по фиг. 1.
[0031] Фиг. 18 представляет собой фотографию положительного источника ионов по фиг. 1.
[0032] На фиг. 19 показан график, иллюстрирующий выход отрицательных ионов из покрытой цезием поверхности молибдена при ее бомбардировке нейтральными атомами.
2
[0033] На фиг. 20 показана диаграмма потенциальной энергии для молекулы Н.
2
[0034] На фиг. 21 показаны поперечные сечения диссоциации для молекулы Н при электронной бомбардировке.
2
[0035] На фиг. 22 показаны вычисленные показатели диссоциации молекул Н при столкновениях с электронами, обладающих энергиями из распределений Максвелла, характеризуемых температурой электронов.
[0036] На фиг. 23 показано поперечное сечение для отрыва электрона в столкновениях типа (е + отрицательный ион).
[0037] Фиг. 24 иллюстрирует измерения посредством зонда Ленгмюра для многоострийного источника отрицательно заряженных ионов с двумя камерами.
[0038] На фиг. 25 показаны результаты из работы Lee (1993). Показаны плотности отрицательного тока в виде функции от величины расхода газа при использовании источника ионов в виде катушки Лизитано и устройства преобразования на основе Cs.
0
-
[0039] На фиг. 26 показано поперечное сечение резонансного обмена зарядами для системы (Н+Н).
Осуществление изобретения
[0040] До обращения к фигурам, подробно иллюстрирующим варианты реализации настоящего изобретения, следует уяснить, что настоящее раскрытие не ограничено подробностями или методологией, сформулированными в описании или показанными на фигурах. Необходимо также понимать, что терминология предназначена лишь для описания и не должна быть расценена как ограничение. Усилия были приложены для использования одних и тех же или похожих позиционных обозначений на фигурах при обращении к одним и тем же или похожим частям.
[0041] Недавние достижения в области источников положительно заряженных ионов при использовании резонансного взаимодействия микроволн с частотой 2,45 ГГц в газе в присутствии магнитного поля величиной 875 гаусс привели к разработке интенсивных пучков (постоянный ток) положительно заряженных ионов. Обычно наблюдают эффективность, составляющую двадцать пять процентов, при преобразовании газа в положительные ионы, при использовании микроволн мощностью 1 кВт. Микроволновые источники ионов все более и более распространены при коммерческом использовании вследствие присущей им операционной способности при постоянном токе.
[0042] При обращении к фигурам можно видеть, что взятый в качестве примера вариант реализации настоящего изобретения относится к источнику 100 отрицательно заряженных ионов, способному надежно работать при величине тока выше 10 миллиампер в течение нескольких месяцев за один раз, используя приспособление для выработки высокотемпературных атомов (2-5 эВ) посредством взаимодействия на поверхности, покрытой цезием, и способы объемной выработки отрицательно заряженных ионов с пучком нейтральных атомов, выработанных микроволновым источником ионов, который использует электронный циклотронный резонанс при частоте 2,45 ГГц. Источник 100 отрицательно заряженных ионов в виде непрерывной волны представляет собой дающий высокое значение тока высоконадежный источник отрицательно заряженных ионов с большим сроком службы.
0
[0043] Для образования такого источника отрицательно заряженных ионов поверхностная выработка отрицательно заряженных ионов основана на рассеянии высокотемпературных атомов от покрытой цезием поверхности с низким значением работы выхода. Энергия высокотемпературных атомов относится к энергии атомов, превышающей 2 эВ. Выход ионов с отрицательным зарядом вследствие падения атомарного водорода (Н) на покрытую цезием поверхность молибдена показан на фиг. 23. Четыре точки показывают результаты измерений, а сплошная линия представляет собой теоретическое предсказание. Высокотемпературный вклад должен иметь место в диапазоне (1/kТ)<1.
+
[0044] Существенное улучшение, произошедшее со времени разработки Института Стивенса, описанной в статье Brian S. Lee, М. Seidl, Appl. Phys. Lett. 61 (24), 2857 (1992) (далее Lee), все содержание которой включено в настоящую заявку посредством ссылки, состоит в разработке практичных и апробированных микроволновых источников Н на частоте 2,45 ГГц (микроволновой источник). Эта разработка описана, например, в статье Terence Taylor, Jonh S.C. Wills, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A309, 37 (1991) (далее Taylor), все содержание которой включено в настоящую заявку посредством ссылки. Высокая газовая эффективность и большая мощность микроволнового источника дают возможность предполагать, что плазменный генератор также обеспечивает эффективную выработку пучков нейтральных атомов. Микроволновой источник на частоте 2,45 ГГц в виде плазменного генератора продемонстрировал работу в непрерывном режиме во многих лабораториях для различных промышленных приложений. Другие генераторы нейтральных атомов, которые ранее были исследованы с этой целью, представляют собой многоострийный источник, источник с дуговым разрядом дуги и источник с катушкой Лизитано, работающий на частоте 2,45 ГГц.
[0045] Ток пучка отрицательно заряженных ионов и соображения на основе эмиттанса
rms
[0046] Для круговой апертуры соотношение между нормированным среднеквадратическим эмиттансом (ε, n) и температурой извлеченного отрицательно заряженного иона имеет следующий вид:
где r - радиус эмиссионной апертуры,
kТ - плазменная ионная температура, и
2
mс - масса покоя отрицательно заряженного иона.
[0047] С эмиттансом связано понятие яркости пучка, В. Оно может быть определено как
y
х
у
В=I/(ε×ε), где ε и ε - поперечные эмиттансы пучка.
Для целей этого раскрытия изобретения, где предполагают осесимметричный источник, определение величины В принимает вид
r
где ε - эмиттанс пучка в пространстве (r, r').
В одном варианте реализации настоящего изобретения желательная величина тока составляет I=10-15 миллиампер.
-
[0048] Плотность тока отрицательно заряженных ионов, j, определена следующим уравнением:
[0049] При решении уравнения (3) относительно r, подстановке этого соотношения в уравнение (1) с последующим использованием этого выражения для эмиттанса в уравнении (2), получаем следующее выражение для яркости пучка:
[0050] Согласно уравнению (4) яркость источника ионов прямо пропорциональна извлеченной плотности j тока и обратно пропорциональна ионной температуре kТ.
-
rms
2
2
[0051] При использовании описанных выше уравнений в теоретическом Примере 1 радиус ионной эмиссионной апертуры составляет r=0,4 см, а ток равен I=10 миллиампер. Уравнение (3) дает j=20 мА/см. Учитывая, что в статье Lee измеренное значение плотности высокотемпературных атомов водорода составило 500 мА/см, весьма вероятно, что по меньшей мере 4% от этого потока атомов водорода может быть преобразовано в отрицательно заряженные ионы. Кроме того, подстановка значения температуры иона в несколько эВ в уравнение (1) дает значение нормированного среднеквадратического эмиттанса значительно меньшее нормированного среднеквадратичного значения эмиттанса (ε, n) при радиочастотной квадрупольной конструкции входного пучка, составляющего 0,25 (пмм-мрад). Таким образом, на основании параллельно проведенных измерений энергии отрицательно заряженных ионов, о которых сообщено в [1], можно ожидать значение температуры отрицательно заряженных ионов в несколько эВ.
[0052] В последующих разделах подробно описана связь обычного микроволнового плазменного источника с частотой 2,45 ГГц с покрытой цезием поверхностью устройства преобразования. Затем предложена система извлечения ионов, которая одновременно ускоряет пучок отрицательно заряженных ионов до энергии 35 кэВ и отделяет паразитный электронный компонент. Цель состоит в достижении описанного выше качества пучка, с источником отрицательно заряженных ионов с большим сроком службы (превышающим 6 месяцев).
[0053] Выработка высокотемпературных нейтральных атомов водорода
[0054] Обратившись к фигурам можно видеть, что взятый в качестве примера вариант реализации системы для образования источника 100 отрицательно заряженных ионов в виде непрерывной волны содержит микроволновой источник 110, плазменную камеру 120 источника ионов, волновод 130, магнитный фильтр 140, устройство 150 преобразования в отрицательно заряженные ионы и приспособление 160 для формирования пучка отрицательно заряженных ионов.
[0055] В одном варианте реализации настоящего изобретения микроволновой источник 110 представляет собой микроволновой источник с частотой 2,45 ГГц. Микроволновой источник 110 выполнен с возможностью передачи микроволн, ионизирующих газ, размещенный в плазменной камере 120 источника ионов, для преобразования молекулярного газа в изотопы, в частности, в высокотемпературные нейтральные атомы. Микроволновой источник 110 работает по принципу электронного циклотронного резонанса, что требует аксиального магнитного поля примерно в 875 гаусс. На фиг. 18 показан источник ионов дейтерия с положительным зарядом.
[0056] Этот микроволновой источник последовательно продемонстрировал высокую газовую эффективность и высокую долю протонов (примерно 90%). Газовая эффективность h определена как доля протонов или дейтронных газовых ядер (в виде молекулярного газа), преобразованная в пучок заряженных частиц. В практических единицах h определено как
Hn+
Dn+
[0057] Протонный ускоритель LEDA (низкоэнергетический демонстрационный ускоритель) в Лос-Аламосе описан в статье Joseph D. Sherman et al., Review of Scientific Instruments 73 (2), 917 (2002), все содержание которой включено в настоящую заявку посредством ссылки. Протонный ускоритель LEDA обеспечивал ток 154 миллиампера ионов водорода при потоке газа в 4,1 стандартных кубических сантиметров в минуту и 90%-ой доле протонов. Это дает значение h=0,26. По сравнению, источник ионов дейтрона по настоящей заявке обеспечил ток до 53 миллиампер при энергии пучка в 45 кэВ и потоком газа в 1,9 стандартных кубических сантиметров в минуту. Это дает эффективность выработки ионов дейтрона h=0,19.
18
18
18
2
0
2
2
2
2
[0058] С теоретической точки зрения диссоциация молекул на нейтральные атомы, сопровождаемая ионизацией нейтральных атомов с образованием положительных ионов, более вероятна, чем ионизация молекул на молекулярные ионы с отрицательным зарядом, сопровождаемая диссоциацией молекулярных ионов с отрицательным зарядом на ионы с положительным зарядом. Таким образом, хороший источник атомарных ионов должен также быть хорошим источником пучка нейтральных атомов. Пучок с током 150 миллиамперов, наблюдаемый в микроволновом источнике LEDA, соответствует потоку 0,9×10 заряженных частиц в секунду. При потоке газа Н в 4,1 стандартных кубических сантиметров в минуту количество нейтральных атомов водорода, входящих в источник, составляет 3,7×10 частиц в секунду. Корректировка этого последнего значения на заряженные частицы, покидающие источник, приводит к значению 2,8×10 нейтральных атомов водорода /сек, покидающих источник. Эмиссионный апертурный радиус для источника ионов LEDA составляет 0,43 см, что дает площадь 0,58 см. Если все нейтральные частицы, покидающие микроволновой источник LEDA, представляют собой диссоциированные молекулы Н, эквивалентная плотность электрического тока для атомов Н составляет 747 мА/см. Следовательно, для работы в качестве источника отрицательно заряженных ионов с плотностью тока 10 мА/см, необходима равная 1,3% эффективность преобразования из нейтральных атомов в отрицательно заряженные ионы.
0
+
0
+
2
2
2
2
2
е
[0059] Высокотемпературные атомы Н (энергия >2 эВ) могут быть выработаны из высокотемпературной электронной плазмы посредством механизма диссоциации Франка-Кондона для молекул Н, описанного в диссертации Brian S. Lee, "Поверхностная выработка отрицательно заряженных ионов посредством обратного рассеяния высокотемпературных атомов водорода", Ph.D Thesis, Department of Physics and Engineering, Stevens Institute of Technology, Castle Point Station, Хобокен, Нью-Джерси (1993) (далее Brian S. Lee), все содержание которой включено в настоящую заявку посредством ссылки. Область Франка-Кондона на кривых потенциальной энергии для электронных состояний молекул Н и Н вплоть до 30 эВ показана на фиг. 20. Показаны начальная и минимальная энергии разделения для диссоциированных атомов Н и Н. Сечения диссоциации для молекулы Н показаны на фиг. 21. Обе фиг. 20 и 21 указывают на электронный энергетический порог, приблизительно составляющий 8,8 эВ для непосредственной диссоциации молекулы Н. Скорости протекания реакции <sv>, вычисленные из значений сечений диссоциации и электронных скоростей (основанных на распределениях Максвелла с температурой кТ), показаны на фиг. 22. Скорости реакции диссоциации имеют тенденцию к насыщению приблизительно около значения электронной температуры в 8 эВ.
2
[0060] Taylor сообщил, что измерения с двойным цилиндрическим зондом Ленгмюра обычно дают значение электронной температуры в 20 эВ. Эта высокая температура помещает скорость реакции диссоциации Н в область насыщения на фиг. 22. Эти экспериментальные данные, объединенные с представленной выше теорией, дают возможность предполагать, что скорости молекулярной диссоциации будут высоки в источнике отрицательно заряженных ионов согласно настоящей заявки.
0
[0061] Уравнения (4)-(5) дают уравнение неразрывности для скоростей выработки и потери молекул Н:
где
е
n = электронная плотность в микроволновом источнике LEDA,
2
2
n (H) = плотность атомов Н в микроволновом источнике LEDA,
V = объем плазмы в источнике ионов LEDA,
А = площадь поверхности плазмы в источнике ионов LEDA,
0
а = вероятность разрушения атома Н при ударе о стенку,
I=V/A = длина источника ионов LEDA.
+
е
+
+
+
+
+
2
Полагая плазму электрически нейтральной (n=n), решая относительно n при плотности тока положительно заряженных ионов, полученной из выражения j=nv=0,26 А/см, и выбирая значение v на основании разумной плазменной ионной температуры в 1 эВ, получаем следующее уравнение (7):
2
2
2
2
[0062] Плотность молекул Н в микроволновом источнике LEDA (n(Н)) найдена при предположении потока молекул Н через эмиссионную апертуру диаметром 0,86 см, вычислении давления источника (T) при потоке газа Н, составляющем 4 стандартных кубических сантиметров в минуту, и преобразовании давления источника в численную плотность с помощью числа Лошмидта. В результате получаем
0
-9
o
e
[0063] Решая уравнение (6) относительно потока Н () и подставляя параметры источника ионов LEDA и максимальное значение <sv>=7,8×10 куб. см/сек из фиг. 21, находим
где принято а=1.
Ho
100
2
0
2
0
0
Преобразуя F в зарядовый эквивалент, специалист в данной области техники может получить значение 1,056 А/см. В описании выше было определено, что максимальное значение потока атомов Н составляет 0,75 А/см. Этот анализ дает возможность предположить, что микроволновой источник с частотой 2,45 ГГц и модой ТЕ вероятно представляет собой превосходный источник высокотемпературных атомов Н. На фиг. 15 показано концептуальное отображение основных компонентов в предложенном источнике атомов Нна частоте 2,45 ГГц.
[0064] Желательно иметь плазменную камеру 120 при высоком напряжении и микроволновой источник 110 при потенциале земли. Таким образом, плазменная камера 120 и микроволновой источник 110 должны быть электрически изолированы. Это может быть достигнуто посредством передачи микроволн, выработанных микроволновым источником 110, в плазменную камеру 120 через волновод 130.
[0065] В одном варианте реализации настоящего изобретения волновод 130 выполнен в целом дискообразным, включая фланец 131 и волноводный разрыв 132 в центре волновода 130 (см. фиг. 6 и 7). Волноводный разрыв 132 выполнен с возможностью изоляции воздухом. Множество волноводов 130 может быть выполнено в виде стопы (см. фиг. 5) или один волновод 130 может быть использован для поставки микроволновой мощности из микроволнового источника 110 в плазменную камеру 120. Волновод 130 может быть выполнен жестким на одном конце 130А волноводного разрыва 132 и гибким на другом конце 130 В волноводного разрыва 132 (то есть на конце, ближайшем к плазменной камере 120) для облегчения установки и обслуживания волновода.
[0066] Волновод 130 может содержать выпускаемые промышленностью компоненты, такие как направленный ответвитель 133, автоблок 134 настройки и циркулятор 135. Направленный ответвитель 133 выполнен с возможностью обнаружения фазы и амплитуды микроволны для определения ее мощности в прямом и отраженном направлениях. Автоблок 134 настройки выполнен с возможностью согласования импеданса нагрузки (то есть импеданса плазменной камеры 120) с импедансом источника (то есть микроволнового источника 110), что уменьшает мощность отраженной волны и максимизирует мощность связи с плазменной камерой 120. Для согласования импедансов между микроволновым источником 110 и плазменной камерой 120, столбики 136 могут быть вставлены на различную длину и различную глубину вдоль волновода 130 на основании команд, выработанных автоблоком 134 настройки. Циркулятор 135 представляет собой устройство с тремя портами, выполненное с возможностью селективного направления микроволн к определенному порту, на основании направления распространения волны. Для защиты микроволнового источника 110 от отраженной микроволновой энергии и увеличения эффективности выработки микроволн циркулятор 135 может содержать "фиктивную" нагрузку, выполненную с возможностью поглощения мощности отраженной волны.
[0067] Преобразование в отрицательно заряженные ионы
[0068] Устройство 150 преобразования в отрицательно заряженные ионы выполнено с возможностью направления пучка атомов на покрытую цезием поверхность 151, например, на покрытую цезием пластину молибдена, на которой посредством катализа цезия происходит преобразование пучка атомов в отрицательно заряженные ионы. Поверхность устройства 150 преобразования в отрицательно заряженные ионы находится при отрицательном потенциале, так что происходит ускорение отрицательно заряженных ионов и их отклонение окружающим магнитным полем напряженностью 875 гауссов. Устройство 150 преобразования в отрицательно заряженные ионы расположено рядом с эмиссионным отверстием, предназначенным для извлечения отрицательно заряженных ионов с образованием пучка отрицательно заряженных ионов с низкой энергией. Диагностика посредством пучка ионов может быть использована для контроля энергии нейтральных частиц (калориметрирование), потока и температуры нейтральных частиц и плотности электронов около устройства извлечения.
0
[0069] Пучок отрицательно заряженных ионов сформирован в среде с уменьшенной плотностью плазмы. Нейтральные атомы покидают плазменную камеру с частотой 2,45 ГГц, сопровождаемые другими заряженными частицами, включая горячие и холодные электроны, а также положительные ионы. Важно уменьшить плотность электронов с высокой температурой в области устройства 150 преобразования в отрицательно заряженные ионы. Например, при отсутствии уменьшения температуры эффективность источника отрицательно заряженных ионов падает. Известное сечение разрушения отрицательно заряженных ионов (см. фиг. 23) представляет собой результат соударения электронов с энергией >2 эВ с отрицательно заряженными ионами. Быстрое уменьшение этого поперечного сечения при энергии электронов меньше 1 эВ возникает потому, что сродство Н к электрону составляет 0,75 эВ. Для предотвращения такой ситуации плазменная камера 120 и устройство 150 преобразования в отрицательно заряженные ионы разделены магнитным фильтром 140. В одном варианте реализации настоящего изобретения магнитный фильтр 140 может быть регулируемым полем магнитного диполя. Магнитный фильтр 140 размещен круговым образом вокруг соединения между плазменной камерой 120 и устройством 150 преобразования в отрицательно заряженные ионы.
0
[0070] Как описано в статье К.N. Leung, К.W. Ehlers, М. Bacal "Извлечение выработанных в объеме отрицательно заряженных ионов из многоострийных источников", Rev. Sci. Instrum. 54 (1), 56 (январь 1983) (далее Leung), все содержание которой включено в настоящую заявку посредством ссылки, было показано, что способ магнитной фильтрации, использующий магнитный фильтр 140 между камерой выработки Н и областью извлечения отрицательных ионов, уменьшает температуры электронов в области извлечения. На фиг. 24 показаны результаты измерения зондом Ленгмюра (из статьи Leung), проведенные в источнике отрицательных ионов с магнитно отфильтрованной областью острого выступа. В верхней части фигуры показаны следы зонда в камере источника, где была измерена электронная температура в 1,4 эВ. В нижней части фиг. 24 показаны следы зонда в камере извлечения, причем электронная температура была здесь уменьшена до 0,35 эВ. При учете того, что очень высокие электронные температуры имеют место в микроволновом источнике, магнитный фильтр необходим для уменьшения электронной температуры.
[0071] Решая проблемы, включая высокую температуру отрицательно заряженных ионов, и устраняя недостаток, уменьшающий плотность электронов высокой температуры в областях устройства преобразования и устройства извлечения, система создает источник постоянного тока отрицательно заряженных ионов с высокой плотностью тока и большим сроком службы. Кроме того, этот источник отрицательно заряженных ионов может уменьшить требования к мощности на 85% и к расположенной вниз по течению газовой нагрузке на 80% по сравнению с обычными источниками отрицательно заряженных ионов с высоким значением тока.
[0072] На фиг. 17 схематически показано расположение области выработки и извлечения отрицательно заряженных ионов. Нейтральные атомы идут справа налево, перемещаясь из плазменной камеры 120 (то есть из генератора нейтральных атомов) через дипольный магнитный фильтр 140. Происходит удаление фильтром 140 быстрых электронов из потока источника частиц. Медленные электроны и положительные ионы проходят через фильтр 140 посредством механизмов, описанных в статье Leung. Нейтральные атомы проходят через область фильтра и происходит соударение определенного потока нейтральных частиц с преобразователем 150 в отрицательно заряженные ионы (то есть с преобразователем, содержащим покрытую цезием поверхность молибдена). Это приводит к выработке отрицательно заряженных ионов с выходом, определенным конверсионной эффективностью нейтрального атома (как показано на фиг. 19). Устройство 150 преобразования в отрицательно заряженные ионы, может быть, например, выполнено в виде длинного конуса (см. фиг. 17) для максимизации площади поверхности, предназначенной для выработки отрицательно заряженных ионов, и для обеспечения по возможности большего телесного угла для захвата выработанных на поверхности отрицательно заряженных ионов.
[0073] Покрытая цезием поверхность молибдена должна быть нагрета перед первым нанесением металлического цезия от диспергатора цезия. Может быть необходимо непрерывно подавать Cs для поддержания оптимального выхода отрицательно заряженных ионов из поверхности с низкой работой выхода. Поверхность устройства преобразования должна также быть изолирована от земли, поскольку приложение определенного малого отрицательного напряжения к устройству преобразования может увеличить выход отрицательно заряженных ионов.
[0074] Полный выход <Y (kТ)> отрицательно заряженных ионов, показанный на фиг. 19, приведен в зависимости от (1/kТ). Эта величина получена из интеграла по распределению Максвелла для энергии нейтральных атомов по выходу отрицательно заряженных ионов, как функция перпендикулярной энергии рассеянного назад атома. Точки на фиг. 19, расположенные в диапазоне значений (1/kТ) в 4-6 эВ, получены из измерений выхода тепловых атомов. Сплошная линия представляет собой результат теоретического расчета для предсказанной передачи электрона к отраженным нейтральным атомам от металлической поверхности.
[0075] Измерения посредством зонда Ленгмюра будут сделаны после использования магнитного фильтра в области устройства преобразования источника ионов. Весьма вероятно, что вследствие высокой электронной температуры микроволнового источника будет необходим фильтр, модифицированный по сравнению с фильтром, использованным в статье Leung. Электромагнит с плавной регулировкой может также быть предпочтительным.
[0076] Извлечение отрицательно заряженных ионов
[0077] Отрицательно заряженные ионы извлечены посредством приспособления 160 для формирования пучка отрицательно заряженных ионов (см. фиг. 3 и 4). Извлечение отрицательно заряженных ионов из устройства 150 преобразования в отрицательно заряженные ионы происходит в области, свободной от магнитного поля, так что электроны следуют за траекторией отрицательно заряженных ионов. Специалист в данной области техники будет ожидать, что отношение (е: отрицательно заряженные ионы) >1, так что определенные усилия должны быть проявлены для подавления мощности ускоренных электронов. Ток отрицательно заряженных ионов и электронный ток разделены после достижения пучком полной энергии посредством приложения слабого магнитного поля. Основная часть ионного пучка затем сдвинута от линии пучка ускорителя посредством угла изгиба пучка отрицательно заряженных ионов. Подходящая ловушка пучка с водяным охлаждением установлена в месте расположения электронной ловушки. Код моделирования PBGUNS, описанный в статьях Jack Boers, Proc. of the 1995 Particle Accelerator Conference, IEEE Catalog Number 95CH35843, p.2312; R.F. Welton et al., Rev. Sci. Instrum. 73 (2), 1013 (2002), все содержание которых включено в настоящую заявку посредством ссылки, использован для конструирования, моделирования и проверки оптимизированной системы извлечения отрицательно заряженных ионов.
2
2
2
[0078] Эмиссионная апертура в устройстве 160 для формирования пучка отрицательно заряженных ионов должна быть оптимизирована для удовлетворения требованиям относительно выработки пучка отрицательно заряженных ионов, эмиттанса и яркости пучка, суммированных в уравнениях (1) и (4). Результаты, полученные в Институте Стивенса (см. диссертацию Brian S. Lee), показаны на фиг. 25. Было сообщено о максимальной измеренной плотности тока отрицательно заряженных ионов, равной 0,25 мА/см при мощности микроволнового излучения примерно 420 Вт, при использовании источника ионов в виде катушки Лизитано (см. статью Lee и диссертацию Brian S. Lee). При использовании устройство преобразования с покрытой цезием поверхностью в виде конуса длиной 6,0 см с диаметром отверстия для нейтральных атомов 4,0 см, сужающимся до диаметра эмиссионной апертуры в 0,8 см, площадь поверхности устройства преобразования составляет 47 см. Наблюдаемое значение 0,25 мА/см плотности тока вместе с площадью поверхности дает ток в 12 миллиампер отрицательно заряженных ионов. Кроме того, источник ионов будет работать с по меньшей мере в три раза большей мощностью микроволнового излучения, по меньшей мере, равной 1200 Вт. Кроме того, поверхность устройства 150 преобразования в форме конуса способна рециркулировать отрицательно заряженные ионы, не проходящие через эмиссионную апертуру. Эта рециркуляция может быть особенно эффективной при взаимодействии медленных отрицательно заряженных ионов, получаемых от устройства преобразования, с медленными нейтральными атомами, получаемыми от генератора, которые направлены к плазменной апертуре электрода. Эта ситуация приводит в действие большой резонансный обмен зарядов отрицательно заряженных ионов, взаимодействующих с нейтральными атомами, что показано на фиг. 26. Другая благоприятная особенность микроволнового источника состоит в преобразовании всего молекулярного газа в изотопы. Даже если значительное большинство нейтральных атомов покинет плазменную камеру с энергиями ниже высокотемпературной энергии, очень большой поток нейтральных атомов плюс рециркуляция отрицательно заряженных ионов около плазменной апертуры приведет к увеличенной выработке отрицательно заряженных ионов.
[0079] Диагностические процедуры по проверке характеристик генератора нейтральных атомов
a
[0080] Скорость и поток нейтральных атомов важны для последующей выработки отрицательно заряженных ионов. Узел поворотного диска со щелями, сдвинутыми на угол f, может быть предложен в качестве диагностического инструмента для наблюдения за скоростью нейтральных атомов. Выполняющие поворот дисковые узлы отделены на известное расстояние L. При условии, что время пролета нейтрального атома между дисками равно времени поворота второй щели при повороте к местоположению импульса пучка, специалист в данной области техники получает уравнение:
где w - скорость вращения в рад/сек,
b - относительная скорость нейтральных атомов, и
с - скорость света.
a
Преобразуя это уравнение в единицы (оборот в минуту), принимая в качестве величины b скорость нейтральных атомов с энергией 2 эВ, L=25 см и f=2°, получаем поворотную скорость в 25000 оборотов в минуту. Детектор для пропущенных нейтральных атомов может быть выполнен в виде металлического провода с отрицательным сдвигом, так что могут быть обнаружены вторичные электроны, выработанные при взаимодействии нейтральных атомов с металлической лентой.
[0081] Были использованы другие способы для определения скоростей нейтральных частиц. Один способ, описанный в отчете Bernardo Jaduszliwer, Yat С. Chan "Распределения скоростей атомов, полученные из устройств диссоциации водородного мазера", Chemistry and Physics Laboratory, The Aerospace Corp., P.O. Box 92957, Лос-Анджелес, Калифорния 90009, все содержание которого включено в настоящую заявку посредством ссылки, использует магнитный момент нейтральных атомов, взаимодействующих с неоднородным магнитным полем. Этот подход использует радиочастотное устройство диссоциации молекул и будет чувствителен к высокотемпературным нейтральным атомам. Этот подход приводит к пиковым энергиям атома приблизительно составляющим 0,06 эВ. Уменьшение значения энергии по сравнению с ожидаемым значением примерно 2 эВ вследствие молекулярной диссоциации было приписано неупругим процессам. Электрическая поляризуемость кластеров щелочных ионов [12], отклоненных электрическими полями двухпроводных элементов и прерывателями, была использована для получения информации о скорости.
[0082] Способы оптической спектроскопии были использованы для изучения аномального доплеровского расширения линий для нейтральных атомов, как описано в статьях Zoran Petrovic, Vladimir Stojanovic "Аномальное допплеровское расширение линий водорода вследствие возбуждения быстрыми незаряженными частицами в Таунсендовских разрядах низкого давления", Mem. S.A. It.. Vol 7, 172 (2005); К. Akhtar, John Scharer, R.I. Mills "Существенное допплеровское расширение линий атомарного водорода в радиочастотных плазмах постоянного тока и с емкостной связью", J. Phys. D: Appl. Phys. 42, 135207 (2009), все содержание которых включено в настоящую заявку посредством ссылки. Существуют дешевые спектрометры, которые могут быть использованы для измерения атомарных линий серии Бальмера. Способы оптической спектроскопии могут представлять собой быть самое легкое в реализации диагностические средство, причем они могут давать нужную информацию о высокотемпературном в сравнении с тепловым распределением нейтральных атомов. Внимательное рассмотрение должно быть проведено для этого способа диагностики, поскольку он может быть самым простым и наименее дорогим способом диагностики для установки на энергию нейтрального атома и проведения измерений плотности.
3
3
2
[0083] Получение отклонения нейтральных атомов и энергетические модели пучка описаны в статье Е.С. Samano, W.Е. Саrr, М. Seidl, Brian S. Lee, Rev. Sci. Instrum. 64 (10), 2746 (октябрь 1993), все содержание которой включено в настоящую заявку посредством ссылки. Данные об отклонении пучка атомов могут быть получены посредством наблюдения картины быстрого окисления нейтральных атомов в пленке МoО. Восстановление нейтральных атомов превращает пленку МоО (желто-зеленую) в пленку МоО (синюю). Калориметрические измерения с различными веществами калориметра могут быть использованы для вывода зависимостей увеличения температуры, связанных с пучком нейтральных атомов. Даже для высокотемпературных нейтральных атомов ожидаемая подводимая к калориметру мощность может составлять 1 Вт или меньше, так что необходима особая тщательность при проектировании калориметра.
[0084] При использовании в настоящем описании термины "примерно", "около", "по существу" и подобные термины предназначены иметь широкое значение в согласии с обычным и общепринятым использованием их специалистами в данной области техники, к которой имеет отношение объект настоящего раскрытия. Совершенно понятно специалистам в данной области техники, которые рассматривают это раскрытие изобретения, что эти термины предназначены для обеспечения возможности описания определенных особенностей, описанных и заявленных без ограничения области этих особенностей указанными точными численными диапазонами. В соответствии с этим указанные термины должны быть интерпретированы как указание, что незначительные или несущественные модификации или изменения описанного и заявленного объекта изобретения, попадают в пределы объема изобретения, раскрытого в приложенных пунктах формулы изобретения.
[0085] Следует иметь ввиду, что термин "взятый в качестве примера", используемый в настоящем описании для описания различных вариантов реализации настоящего изобретения, предназначен для указания, что такие варианты реализации настоящего изобретения представляет собой возможные примеры, представления и/или иллюстрации возможных вариантов реализации настоящего изобретения (и такой термин не предназначен для указания, что эти варианты реализации настоящего изобретения представляют собой заведомо экстраординарные или превосходные примеры).
[0086] При использовании в настоящем описании термины "соединенные", "связанные" и т.п. означают присоединение двух элементов непосредственно или косвенно друг к другу. Такое присоединение может быть стационарным (например, постоянным) или подвижным (например, с возможностью перемещения или рассоединения). Такое присоединение может быть достигнуто с этими двумя элементами или с этими двумя элементами и любыми дополнительными промежуточными элементами, сформированными как целое в виде одного унитарного тела друг с другом или с этими двумя элементами или с этими двумя элементами и любыми дополнительными промежуточными элементами, прикрепленными друг к другу.
[0087] Приведенные здесь указания на положения элементов (например, "верх" "низ", "выше", "ниже" и т.д.) использованы просто для описания ориентации различных элементов на ФИГУРАХ. Следует иметь в виду, что ориентация различных элементов может быть различной согласно другим взятым в качестве примера вариантам реализации настоящего изобретения, и что такие вариации предназначены для охвата настоящим раскрытием.
[0088] Важно отметить, что конструкция и расположение непрерывного источника отрицательно заряженных ионов с большим сроком службы и высоким значением тока, показанного и/или описанного в различных вариантах реализации настоящего изобретения, лишь иллюстративны. Хотя лишь несколько вариантов реализации настоящего изобретения было описано подробно в этом раскрытии изобретения, специалисты в данной области техники, которые рассмотрели это раскрытие, будут в полной мере понимать, что возможны многие модификации (например, изменения размеров, измерений, структур, форм и пропорций различных элементов, значений параметров, схем расположения, использования веществ, цветов, ориентаций и т.д.) без существенного отступления от описанных здесь новых идей и отличительных признаков предмета изобретения. Например, элементы, показанные сформированными как целое, могут быть выполнены из многих частей или элементов, причем положение элементов может быть изменено на обратное или изменено иным образом, а природа или количество дискретных элементов, или их положения могут быть преобразованы или изменены. Порядок или последовательность выполнения любых шагов процесса или способа могут быть изменены или повторно упорядочены согласно вариантам реализации изобретения. Другие замены, модификации, изменения и исключения могут также быть выполнены в конструкции, эксплуатационных режимах и расположении различных взятых в качестве примера вариантах реализации настоящего изобретения, без выхода за пределы области настоящего изобретения.