ТОЧЕЧНЫЙ ТВЕРДОТЕЛЬНЫЙ ИСТОЧНИК ИОНОВ СЕРЕБРА

Настоящая полезная модель относится к области получения направленных пучков (потоков) положительно заряженных ионов серебра и может быть использована в аэрокосмической технике для создания миниатюрных электростатических ракетных двигателей, в ускорительной технике и в ионно-лучевых приборах для технологической обработки материалов и микрозондовых исследований.
Из существующего уровня техники известен твердотельный источник ионов калия [1], состоящий из эмиттера ионов на основе природного алюмосиликата ортоклаза. Нагрев эмиттера, выполненного в виде таблетки диаметром 8 мм и толщиной 1-6 мм, осуществлялся лазером. В процессе работы на эмиттер подавалось импульсное положительное напряжение с амплитудой 10 кВ и длительностью импульса 1-2 мс. Ионный ток измерялся на коллекторе на расстоянии 1.5 мм от поверхности эмиттера. Недостатком такого технического решения является высокая рабочая температура, порядка 800-1250°С, необходимая для обеспечения эффективной термоионной эмиссии.
Из существующего уровня техники известны автоэмиссионные твердотельные источники ионов [2, 3], в которых происходит испарение/ионизация атомов вещества эмиттера под действием электрического поля с напряженностью более 10 В/нм. Эмиттеры в таких источниках изготавливаются из рабочего вещества, например, серебра, в виде заостренных игл длиной несколько мм с радиусом закругления на конце острия 50-100 нм. Недостатком такого технического решения является высокая напряженность электрического поля и постоянная деформация вершины эмиттера за счет испарения рабочего вещества, что приводит к увеличению радиуса закругления, и, в конечном счете снижает эффективность работы и срок службы эмиттера.
0.5
3
0.5
Наиболее близким к заявленному техническому решению является экспериментальный источник ионов серебра на основе твердого электролита с мобильными ионами серебра [4]. В этом источнике внутрь кварцевого капилляра с субмикронным диаметром отверстия загружался мелкодисперсный порошок аморфного электролита (AgI)(AgPO) - После его нагрева и расплавления на конце капилляра формировался заостренный точечный эмиттер из твердого электролита. Плоская торцевая часть эмиттера контактировала с серебряной проволокой, введенной внутрь капилляра и смоченной на конце серебряной пастой. К эмиттерному узлу прикладывалось положительное напряжение порядка 15-20 кВ и на коллекторе, выполненном на основе микроканальной пластины, регистрировался ток положительных ионов, предположительно серебра. Было показано, что серебряная проволока играет роль резервуара ионов серебра, которые за счет быстрого транспорта мигрируют через твердый электролит и эмитируются с поверхности острия, радиус закругления которого в процессе работы остается неизменным. Недостатками прототипа является конструкция и технология изготовления эмиттерного узла. Эмиттерный узел содержит аморфный твердый электролит, представляющий собой химически и механически нестойкое вещество, склонное к деформации и разрушению под воздействием вибраций. Электрический контакт серебряной проволоки с твердым электролитом с использованием серебряной пасты является ненадежным, а сама паста может служить источником загрязнений электролита посторонними примесями. Технология изготовления эмиттерного узла, включающая термический синтез твердого электролита и формирование точечного эмиттера за счет плавление электролита, не обеспечивает воспроизводимых результатов, т.к. твердые электролиты относятся к классу инконгруэтно плавящихся соединений, которые могут изменять свой стехиометрический состав в процессе плавления. Формирование острия эмиттера, происходящее в процессе плавления электролита, не гарантирует постоянный радиуса закругления. Кроме того, в конструкции эмиттерного узла отсутствует нагревательный элемент, хотя известно, что проводимость твердых электролитов, и, следовательно, эффективность работы источника, значительно возрастает при нагреве до температуры ниже температуры плавления.
Задачей, на решение которой направлено заявляемая полезная модель, является создание точечного твердотельного источника ионов серебра, конструкция и технология изготовления которого гарантировали химическую чистоту и однородность состава твердого электролита, его механическую прочность, надежный электрический контакт электролита с твердотельным резервуаром и повышение эффективности работы источника за счет его нагрева до температуры ниже температуры плавления твердого электролита.
Решение указанной задачи достигается тем, что точечный твердотельный источник ионов серебра содержит твердотельный резервуар, выполненный из серебра высокой степени чистоты в виде цилиндра с заостренным окончанием, на поверхность которого нанесена тонкая пленка кристаллического твердого электролита с мобильными ионами серебра, и бесконтактный омический нагреватель, выполненный в виде керамического полого цилиндра с нагревательными элементами, расположенными на внешней поверхности цилиндра, внутри которого размещен точечный твердотельный источник ионов серебра, нагреваемый до температуры ниже температуры плавления твердого электролита; твердый кристаллический электролит может быть изготовлен методом механохимического синтеза из мелкодисперсных порошков исходных материалов в планетарной мельнице при комнатной температуре; в качестве метода нанесения тонкой пленки кристаллического твердого электролита может быть использован метод импульсного лазерного напыления, гарантирующий сохранение стехиометрического состава нанесенной пленки.
Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, является эффективная и надежная работа точечного твердотельного источника ионов серебра, его устойчивость к механическим вибрациям, что особенно важно при использовании источника в аэрокосмической технике.
Сущность технического решения поясняется фиг. 1, на которой приведена схема полезной модели - точечного твердотельного источника ионов серебра.
4
5
Полезная модель содержит цилиндр 1, изготовленный из серебра высокой степени чистоты (99.99% и выше). Диаметр цилиндра 1-3 мм, а длина 10-15 мм. Этот цилиндр механически заострен с одной стороны, с углом при вершине 30-40° и радиусом закругления острия 5-10 мкм. На заостренную часть цилиндра методом импульсного лазерного напыления нанесена тонкая пленка (0.5-1 мкм) кристаллического твердого электролита 2 с мобильными ионами серебра. В качестве твердого электролита использовался суперионный электролит RbAgI с проводимостью 0.1-0.3 С/см при комнатной температуре. Этот электролит был приготовлен методом механохимического синтеза из мелкодисперсных порошков AgI и RbI в планетарной мельнице при комнатной температуре. Серебряный цилиндр с пленкой твердого электролита на вершине острия (эмиттерный узел) помещен внутрь керамического цилиндра 4, на внешней поверхности которого размещен омический нагреватель 5, изготовленный из канталовой проволоки. Блок питания 6 служит для нагрева эмиттерного узла до температуры ниже температуры плавления твердого электролита. Источник высоковольтного напряжения 7 создает разность потенциалов между эмиттерным узлом и входной диафрагмой 8, находящейся под потенциалом земли. Поток положительных ионов 3 попадет на коллектор 9 и его величина измеряется электрометром 10.
22
3
3
22
3
Полезная модель работает следующим образом. На эмиттерный узел подается положительный ускоряющий потенциал порядка 10-15 кВ. Под действием электрического поля атомы серебра в результате окислительно-восстановительных реакций на границе «резервуар-твердый электролит» превращаются в положительные ионы, концентрация которых в электролите может достигать 10 ион/см. Эти ионы мигрируют по туннелям быстрого ионного транспорта внутри жесткой подрешетки катионов в электролите к границе «электролит-вакуум», испаряются в вакуум и ускоряются электрическим полем в пространстве между острием источника и входной диафрагмой. Ионная эмиссия обеспечиваться в основном за счет полевого испарения ионов, поэтому источник работает при более низкой напряженности электрического поля, чем обычные автоионные эмиттеры, т.к. отпадает необходимость в ионизации эмитируемых частиц. Нагрев источника до температуры 150-200°С стимулирует миграцию ионов через электролит, что улучшает эффективность работы источника. При этом рабочая температура источника остается гораздо ниже, чем температура термоионных источников. Т.к. убыль подвижных ионов в твердом электролите из-за их эмиссии в вакуум компенсируется доставкой этих ионов из резервуара, то в идеальном случае источник может работать до тех пор, пока не израсходуется весь объем резервуара. Учитывая, что удельная плотность серебра составляет 10.5 г/см при атомной плотности 5.86×10 ат/см, можно подсчитать, что серебряный резервуар весом 1 г способен обеспечивать ионный ток порядка 100 нА в течении 1 года при эффективности миграции ионов серебра из резервуара к поверхности эмиттера порядка 0.1-1%.
Литература
1. Р.А. Голубев, А.С. Козачек, А.Д. Комаров, В.Г. Сердюк, И.А. Степаненко, Ю.В. Ткач. Твердотельный эмиттер ионов калия // А.С. SU 1663641A1 (СССР), опубликовано 15.07.1991.
2. Я. Браун. Физика и технология источников ионов. М.: Мир, 1998, 496 с.
3. А.Б. Толстогузов. Атомно-зондовая масс-спектрометрия (обзор) // Масс-спектрометрия. 2009. Т. 6, №4. С. 280.
4. С. Escher, S. Thomann, С. Andreoli, H.-W. Fink, J. Toquant, D.W. Pohl. Vacuum ion emission from solid electrolytes: An alternative source for focused ion beams // Appl. Phys. Lett. 2006. V. 89. P. 053513.