ИСТОЧНИК ИОНОВ С МУЛЬТИПОЛЬНЫМ МАГНИТНЫМ ПОЛЕМ В ПОЛОМ КАТОДЕ
SOURCE OF IONS WITH MULTIPOLE MAGNETIC FIELD IN HOLLOW CATHODE

Изобретение относится к источникам ионов, применяемым на ускорителях заряженных частиц.
Аналогами изобретения являются источники ионов (ИИ) с безнакальными катодами, в которых реализуется эффект полого катода [1], и ИИ, у которых плазма в пространстве между катодом и внешними электродами удерживается при помощи мультипольного магнитного поля [2], [3]. В аналогах магнитное поле в области катода либо отсутствует, либо существует вне полости катода, не оказывая влияния на эффект полого катода и увеличение тока эмиссии электронов с катода.
Наиболее близким аналогом, выбранным за прототип изобретения, является источник ионов с эффектом полого катода, состоящий из анода с отверстием эмиссии, промежуточного электрода, магнитной катушки и полого безнакального цилиндра, размещенного на катодном стержне, выполненном из магнитопроводящего материала, причем внутри полого безнакального цилиндра установлен дополнительный стержень так же из магнитопроводящего материала, длина которого меньше длины полого безнакального цилиндра, и он соединен с катодным стержнем таким образом, что силовые линии магнитного поля, создаваемого магнитной катушкой, аксиально-симметричны и проходят внутри полости безнакального цилиндра [4].
Недостатками прототипа являются высокое рабочее давление газа в ИИ и малая фазовая плотность тока ионного пучка на выходе источника.
Известно, что рост давления газа в катодной камере ИИ оказывает негативное влияние не только на срок службы и надежность работы ускорителя заряженных частиц, но и на величину фазового объема и фазовой плотности тока (являющуюся отношением величины тока ионов в пучке к величине фазового объема пучка) пучков заряженных частиц, генерируемых источниками ионов. Для того чтобы при уменьшении давления газа не сорвать режим горения электрического разряда и сохранить неизменной величину фазовой плотности тока пучка на выходе ИИ, требуется увеличивать эмиссионную способность катода. Эмиссионная способность полых катодов, в которых возникает эффект полого катода, зависит от плотности плазменного сгустка, образующегося в их полости. На плотность этого сгустка влияет не только эффект поглощения первичных (быстрых) инжектируемых стенкой катода электронов на противоположной стенке, но и величина пути этих электронов в полости [5]. Известно, что эмиттированные катодной стенкой электроны ионизируют газ в полости катода в процессе их осцилляции в основном в радиальном направлении между ее боковыми стенками. Вероятность адсорбции этих электронов на стенках зависит от поперечных размеров полости. Аксиальное магнитное поле, параллельное продольной оси катода, удерживает плазменные (медленные) электроны от ухода на стенки катода, но не может увеличить длину дрейфа в катодной полости, эмиттированной стенками электронов, по сравнению с диаметром этой полости, поскольку с увеличением напряженности магнитного поля уменьшается ларморовский радиус траектории быстрых электронов и возрастает вероятность их попадания на катод и погасания электрического разряда.
Целью работы является уменьшение рабочего давления газа в источнике ионов и увеличение фазовой плотности тока ионного пучка на выходе источника.
Сущность изобретения заключается в том, что в источнике ионов с мультипольным магнитным полем в полом катоде, состоящем из анода с отверстием эмиссии, полого безнакального катода, выполненного в виде пустотелого цилиндра из немагнитного материала, полость которого имеет длину большую, чем диаметр, на внешней стороне боковой поверхности этого цилиндра, по всей его длине, установлены магниты, формирующие в его полости мультипольное магнитное поле, величина которого достигает максимума вблизи боковой стенки цилиндра и приближается к нулю на его центральной продольной оси.
Таким образом, в результате внесенных конструктивных изменений в катодной полости безнакального катода, по сравнению с прототипом и аналогами, у которых мультипольное магнитное поле только препятствует уходу плазменных (медленных) электронов на боковые стенки, в предложенном изобретении появляются новые физические свойства, а именно:
- первичные электроны, эмиттируемые боковыми стенками катода в полость, попадают в сосредоточенное в основном в пристеночной области магнитное поле. Силовые линии магнитного поля в такой конструкции почти всегда оказываются перпендикулярными вектору начальной скорости этих электронов. В результате первичные электроны изменяют траекторию своего движения так, что начинают в основном осциллировать не в радиальном направлении, как в прототипе и аналогах, а между торцами катодной полости, что способствует увеличению их средней длины пробега и благоприятствует росту эффективности ионизации газа в полости катода.
- В магнитном поле с предложенной конфигурацией силовых линий возникает радиальное магнитное давление, препятствующее уходу заряженных частиц из плазмы центральной области полости на боковые стенки катодного цилиндра [6]. Этим давлением первичные и плазменные электроны отражаются в сторону центральной продольной оси катода, что способствует росту плотности электронов вблизи этой оси. Это приводит к росту плотности электронного пучка, инжектируемого из центральной части катодной плазмы в виде узконаправленного луча в сторону анода [1], способствуя увеличению амплитуды и фазовой плотности тока ионного пучка на выходе источника заряженных частиц.
Перечисленные выше факторы, связанные с повышением эффективности ионизации газа и плотности плазмы в полости катодного цилиндра, усиливают эффект полого катода. Это способствует увеличению эмиссионной способности катода, уменьшению давления рабочего газа в источнике, минимизации величины фазового объема и потерь ионов в генерируемых им пучках заряженных частиц, что позволяет увеличивать фазовую плотность тока пучка на выходе ИИ.
Известны источники ионов, плазма в разрядной камере которых удерживается при помощи мультипольного магнитного поля аналогичной конфигурации. Но источников заряженных частиц, в которых мультипольное магнитное поле усиливает эффект полого катода и эмиссионную способность катода за счет изменения направления осцилляций эмиттированных боковыми стенками катода первичных электронов на направление с большей пролетной базой, а именно между торцами его полости, и за счет создания в пристеночной области катодной полости магнитного давления, повышающего не только плотность плазмы в ней, но и плотность электронов в направленном к аноду электронном пучке, инжектируемом этой плазмой, не обнаружено.
Анализ отличительных существенных признаков и проявленных благодаря им свойств, связанных с достижением положительного эффекта, а именно наличие конструктивных изменений, вызвавшее возникновение нового физического свойства, приведшего к положительному эффекту, позволяет считать, что заявленное техническое решение соответствует критерию существенные отличия.
На фиг.1 показан источник ионов с мультипольным магнитным полем в полом катоде. Из этого чертежа видно, что в камере источника ионов 1 размещен полый безнакальный катод 2, на боковой поверхности цилиндра которого установлены магниты 3, при горении электрического разряда образуется катодная плазма 4. Электроны вырываются из металла катодной стенки и ускоряются во время пролета пространства катодного слоя 5 электрическим полем, создаваемым разностью электрических потенциалов между катодом и анодом 8 источника ионов. Ускоренные электроны образуют в полости безнакального катода 2 катодную плазму 4 после того как, пройдя пространство катодного слоя 5, они приобретут энергию, достаточную для ионизации рабочего газа, которым заполняется источник ионов через канал в стержне катода.
Поясним сущность эффекта полого катода. Она заключается в том, что геометрические размеры полости катода подбираются такими, при которых плазма, образуемая первичными электронами, эмиттированными противоположными стенками его полости, концентрировалась в одном и том же пространстве, чем достигается увеличение плотности зарядов в этом плазменном образовании [1]. Если такого слияния плазмы не происходит, то в полом катоде не возникает эффекта полого катода [7] в случае, когда магнитное поле, создаваемое в полости катода магнитами 3, близко к нулю. Первичные электроны, эмитгированные стенкой пустотелого катодного цилиндра 11, фиг.2, полого безнакального катода 2 и ускоренные в ее катодном слое 5, если они не растратят энергию на ионизацию газа в области между стенками катода, доходят до противоположной стенки пустотелого катодного цилиндра. Здесь они замедляются в электрическом поле катодного слоя уже этой стенки. Часть этих электронов проходит катодный слой и адсорбируется на стенке катода. Другие отражаются электрическим полем этого катодного слоя 5 и начинают осциллировать на диаметре полости между стенками катодного цилиндра, увеличивая плотность катодной плазмы 4. Их движение носит характер в основном поперечных осцилляций [5] и, как следствие, время жизни таких электронов в катоде зависит от диаметра его полости.
Под действием электрического поля между катодом и анодом ИИ происходит экстракция из катодной плазмы 4 и ускорение в сторону анода 8 пучка электронов 6. Эти электроны ионизируют газ в камере источника ионов 1, образуя плазму 7 вблизи анода 8. Заряды этой плазмы экстрагируются из ИИ через отверстие эмиссии 9 в виде пучка ионов 10. Величина тока и фазового объема этого пучка зависит как от параметров плазмы 7, так и от плотности молекул потока неионизированного газа, вытекающего из ИИ через отверстие эмиссии 9. Ионы пучка 10 рассеиваются и перезаряжаются на молекулах этого газа, увеличивая фазовый объем пучка и уменьшая его фазовую плотность тока.
Для поддержания электрического разряда в газе необходимо соблюдать в разрядном промежутке между катодом и анодом определенный баланс электронного и ионного токов [7]. При уменьшении давления рабочего газа для сохранения этого баланса требуется увеличивать эмиссионную способность катода. Эмиссия электронов из полого катода, работающего с эффектом полого катода, происходит в основном из катодной плазмы 4, фиг.1, и зависит от плотности этой плазмы. При уменьшении давления газа в полости катода плотность катодной плазмы падает, и, как следствие, количество быстрых электронов, эмиттируемых катодными стенками, не увеличивается при уменьшении давления газа. Росту эмиссионной способности катода способствует увеличение времени жизни электронов в катоде. Один из возможных способов, реализующих этот эффект, заключается в уменьшении потерь электронов на стенках катода как путем экранировки этих стенок магнитным полем, так и за счет увеличения длины пути, проходимого электронами в пространстве между объектами, на которых они могут адсорбироваться. Увеличение диаметра катодной полости может приводить к исчезновению эффекта полого катода [1].
Обеспечить достижение поставленных целей возможно путем формирования в катоде сложного магнитного поля с особой конфигурацией силовых линий.
На фиг.2 - источник ионов с мультипольным магнитным полем в полом катоде, показаны полый безнакальный катод с мультипольным магнитным полем (его конструкция) и график изменения напряженности магнитного поля по радиусу его катодной полости в направлении от стенки катода к его центральной продольной оси. Как видно из этого чертежа, камера источника ионов 1 заполняется рабочим газом через канал в полом безнакальном катоде 2. По периметру внешней боковой стороны этого катода размещены магниты 3 длиной L. Эти магниты по азимутальной составляющей катодной поверхности отделены друг от друга пространством. Катодная плазма 4 возникает внутри пустотелого катодного цилиндра 11, между мембраной катодного цилиндра 12 и задней торцевой стороной полого безнакального катода. Предложенная конфигурация расположения магнитов формирует во внутренней полости пустотелого катодного цилиндра 11, имеющего радиус Rk и длину L, мультипольное магнитное поле со сложной конфигурацией силовых линий магнитного поля 13. Эмиссия электронов из катодной плазмы 4 производится через апертуру 14 в мембране 12. Диаметр этой апертуры определяется условиями формирования электронного пучка, инжектируемого катодом, и может совпадать с диаметром полости пустотелого катодного цилиндра 11. Т.е., в принципе, наличие мембраны катодного цилиндра 12 не является необходимостью. На графике фиг.2 показан характер изменения напряженности магнитного поля, создаваемого магнитами 3 в полости пустотелого катодного цилиндра 11, в зависимости от расстояния между боковой стенкой этого цилиндра и его центральной продольной осью. Из этого графика видно, что магнитное поле в основном сосредоточено вблизи стенок катодного цилиндра и приближается к нулю на его центральной продольной оси. Конфигурация силовых линий магнитного поля в пустотелом катодном цилиндре 11, фиг.2, такова, что электроны из области катодной плазмы 4 могут уходить на его стенки только через магнитные щели, образующиеся на полюсах магнитов 3, фиг.2. Ширина этих щелей δ рассчитывается согласно [6] по формуле
е
I
где ρ - ларморовский радиус электронов, ρ - ларморовский радиус ионов. Эта формула показывает, что при величине напряженности магнитного поля Н=1 кЭ и радиусе катода Rk=2 см площадь ухода электронов на боковые стенки уменьшается более чем в 1000 раз, что позволяет удерживать катодную плазму в полом безнакальном катоде 2.
Начальный вектор скорости первичных электронов, инжектируемых боковыми стенками пустотелого катодного цилиндра 11, направлен по радиусу его полости к центральной продольной оси катода и оказывается почти всегда перпендикулярен к силовым линиям магнитного поля 13, создаваемого магнитами 3, фиг.2, кроме случая эмиссии электронов из области магнитных полюсов. Но площадь таких зон пренебрежимо мала по сравнению с площадью стенок катодного цилиндра. Двигаясь к центральной продольной оси полого безнакального катода в таком магнитном поле, электроны изменяют направление своего движения таким образом, что возрастает аксиальная составляющая их вектора скорости. После нескольких отражений в магнитном и электрическом полях вблизи боковых стенок пустотелого катодного цилиндра 11 эти электроны начинают осциллировать между его задней торцевой поверхностью и мембраной катодного цилиндра 12, отражаясь электрическим полем их катодного слоя, фиг.2. Поскольку длина полости L пустотелого катодного цилиндра 11 больше его диаметра, равного 2Rk, это позволяет увеличить длину пути и время жизни электронов в пустотелом катодном цилиндре 11, фиг.2. Данный фактор и удерживание «медленных» плазменных электронов магнитным полем в катодной плазме 4 способствуют увеличению плотности этой плазмы и эмиссионной способности полого безнакального катода 2 при работе с малым давлением газа, фиг.2. Причина возникновения магнитного давления в пристеночной области пустотелого катодного цилиндра заключается в том, что, по мере движения электрона от центральной продольной оси полого безнакального катода к его боковой стенке напряженность магнитного поля возрастает. Величина радиуса Лармора уменьшается, и электрон начинает менять направление своего движения, пока не изменит его на обратное. По мере движения в новом изменившемся направлении, уже в сторону центральной продольной оси ИИ, величина магнитного поля уменьшается, радиус Лармора возрастает, что способствует диффузии электронов к этой оси. Наличие такого магнитного давления способствует увеличению плотности электронной компоненты плазмы вблизи центральной продольной оси катода. Под действием электрического поля между полым безнакальным катодом и анодом ИИ электроны из этой плазмы инжектируются через апертуру 14 в мембране катодного цилиндра 12, фиг.2, в сторону анода 8 в виде пучка электронов 6, фиг.1, который характеризуется узкой направленностью [1]. Эти электроны ионизируют газ в камере источника ионов 1 и образуют плазму 7 в области отверстия эмиссии 9 анода 8, фиг.1. Плотность этой плазмы зависит от плотности рабочего газа в ИИ и от плотности пучка электронов 6, фиг.1. Увеличение плотности электронов катодной плазмы в районе ее центральной продольной оси позволяет увеличить плотность электронов электронного пучка 6 и плотность плазмы в области отверстия эмиссии 9, увеличивая амплитуду и фазовую плотность тока в пучке ионов 10 на выходе ИИ, фиг.1.
Предложенное изобретение открывает новые возможности для разработки источников ионов, способных обеспечить получение пучков заряженных частиц с большой фазовой плотностью тока и работающих при малых давлениях газа. Оно позволяет уменьшить расход рабочего газа, нагрузку газом на ускоряющие структуры ускорителя, способствует увеличению тока пучка заряженных частиц, ускоренных в ускорителе, продлению срока службы ВЧ систем ускорителей. Такие ИИ отличаются высокой надежностью работы, простотой эксплуатации, возможностью интегрирования во многие действующие генераторы заряженных частиц, малой себестоимостью, в том числе и использующиеся в технологиях микроэлектроники и нанотехнологиях.
5
В источник ионов Линейного Ускорителя Протонов И-2 был установлен медный катод такой конструкции с шестью SmCo магнитами, создающими на своих полюсах магнитное поле с индукцией ~ 1000 Гс, имеющий диаметр полости катода 12 мм, длину - 35 мм. Это позволило расширить область стабильной работы дуоплазматрона по давлению газа за счет уменьшения нижней границы давления с 2,0 мм рт.ст. до 0,4 мм рт.ст., что способствовало уменьшению газовой нагрузки на ускоряющую структуру И-2, увеличению тока ускоренных ионов, срока службы и надежности работы генераторов высокой частоты ускорителя.