Устройство для ионизации кластерных ионов

Изобретение относится к области кластерных ускорителей и их применения для обработки поверхности твердых материалов, а именно к зарядке кластерного пучка перед его ускорением в электрическом поле.

Известно техническое решение, в котором используется спиральный катод, охватывающий сеточный анод, а фокусировка электронов осуществляется за счет эллиптического внешнего электрода [IONIZER FOR GAS CLUSTER ION FORMATION. Патент США 6629508 B2, от 7 октября 2003].

Недостатком данного технического решения является относительно высокая температура катода, наличие дополнительного устройства для подвода кластерных ионов и формирование пучка электронов в относительно малом объеме, что влечет низкую эффективность ионизации кластерных ионов.

Наиболее близким техническим решением является решение, предложенное в патенте [RF ELECTRON SOURCE FOR IONIZING GAS CLUSTERS. Патент США 0166555 Al, от 2 июля 2009], в котором используется катод, анод и отражающий электрод. В качестве анода используется вольфрамовая нить, анод и отражающий электрод выполнены в виде сложных геометрических фигур. Катод и анод соединены между собой в форме треугольника с помощью керамических изоляторов и закреплены на керамическом основании. При этом геометрия анода, катода зависят от относительных расстояний между ними и от оси пучка нейтральных кластеров.

Недостатком данного технического решения является относительно высокая температура катода и большие тепловые нагрузки узла ионизации, что приводит к разрушению кластерных ионов.

Задачей заявляемого технического решения состоит в снижении температуры катода и тепловых нагрузок на кластерные ионы.

Технический результат - снижение количества разрушенных кластерных ионов.

Для исключения указанных недостатков в устройстве для ионизации кластерных ионов, состоящем из анода и катода, закрепленных на керамическом основании, предлагается:

- катод выполнить из материала с низкой температурой эмиссии (ниже 1200 К);

- анод выполнить из полого кругового цилиндра, при этом на радиально противоположных стенках полого кругового цилиндра по всей его высоте вырезать части поверхностей под углом 30°-90°, которые закрыть металлической сеткой, закрепленной на аноде;

- устройство дополнить отражателем электронов, расположенным вокруг катода и анода, закрепленным на керамическом основании соосно с анодом;

- катод расположить на прямой линии, проходящей из центра оси симметрии через сетку анода;

- при этом расстояние от центра оси симметрии до катода обеспечить большим, чем наружный радиус анода.

В частных случаях реализации устройства предлагается:

- во-первых, в отражателе электронов обеспечить потенциал не менее -600 В относительно катода;

- во-вторых, катод расположить на прямой, проходящей из центра оси симметрии устройства через середину сетки анода на расстоянии не менее 1,1 внешнего радиуса анода.

Сущность предлагаемого технического решения поясняется фигурами чертежа устройства для ионизации кластерных ионов, где на фиг. 1 представлено продольное сечение устройства для ионизации кластерных ионов; на фиг. 2 - поперечное сечение устройства для ионизации кластерных ионов.

На фиг. 1 и 2 приняты следующие позиционные обозначения: 1 - анод; 2 - катод; 3 - керамическое основание; 4 - отражатель электронов.

Устройство для ионизации кластерных ионов включает анод 1, катод 2, керамическое основание 3 и отражатель электронов 4.

Анод 1 и катод 2 закреплены на керамическом основании 3.

Катод 2 изготовлен из материала с низкой температурой эмиссии (ниже 1200 К).

Анод 1 выполнен из полого кругового цилиндра, на радиально противоположных стенках которого по всей высоте вырезаны части поверхностей под углом 30°-90°, которые закрыты металлической сеткой, закрепленной на аноде. Сетка предназначена для прохождения электронов в центр устройства.

Отражатель электронов 4 расположен вокруг катода 2 и анода 1. Отражатель электронов 4 предназначен для возврата в центр части электронов, выходящих из зоны взаимодействия с кластерными ионами.

Отражатель электронов 4 закреплен на керамическом основании соосно с анодом 1.

В частном случае отражатель электронов 4 имеет потенциал не менее -600 В относительно катода 2. Приложенный к отражателю электронов 4 отрицательный потенциал позволяет произвести дополнительное ускорение электронов.

Катод 2 расположен на прямой линии, проходящей из центра оси симметрии через сетку анода 1.

Расстояние от центра оси симметрии до катода 2 превышает наружный радиус анода 1.

В частном случае катод 2 располагается на прямой, проходящей из центра оси симметрии устройства через середину сетки анода 1 на расстоянии не менее 1,1 внешнего радиуса анода 1. Такое расположение катода 2 позволяет обеспечить прохождение в центр устройства максимально возможного количества электронов.

Устройство для ионизации кластерных ионов работает следующим образом.

Кластерные ионы направляются в центр устройства для их ионизации электронным ударом. Поток электронов создается термоэлектронной эмиссией на поверхности катода 2. Поток электронов через сетку анода 1 направляется к центру устройства для ионизации кластерных ионов. При этом электроны, взаимодействуя с кластерными ионами, осуществляют их зарядку. Часть электронов, выходящая из зоны взаимодействия с кластерными ионами, возвращается в центр с помощью отражателя электронов 4. При этом приложенный к отражателю электронов 4 отрицательный потенциал позволяет произвести дополнительное ускорение электронов. При взаимодействии части электронов с внутренней сплошной непрозрачной для электронов поверхностью анода 1 создаются вторичные электроны. Вторичные электроны увеличивают плотность потока электронов, при этом повышается вероятность зарядки кластерных ионов.

Мощность теплового излучения с единицы площади на всех длинах волн, исходящая от катода 2 с температурой Т, определяется законом Стефана-Больцмана: М=εσТ⁴ [Вт/(м²)], где ε - безразмерный множитель, называемый коэффициентом излучения (коэффициентом черноты ε<1); σ=5,67⋅10^-8 - постоянная Стефана-Больцмана [Вт/(м²⋅К⁴)]; Т - температура катода, К. При понижении температуры катода 2 уменьшение теплового потока обратно пропорционально снижению температуры катода 2 в четвертой степени. Следовательно, тепловой поток, поглощенный кластерными ионами, уменьшается и снижается количество разрушенных ионных кластеров. Это повышает эффективность работы устройства для ионизации кластерных ионов. Снижение температуры катода 2 с 2000 К до 1200 К, приводит к уменьшению тепловой потока в 20004/12004=7,7 раз. Тепловое излучение, поглощенное кластерными ионами при прохождении через устройство для ионизации кластерных ионов, также уменьшается в 7,7 раз.

Экспериментально показано увеличение эффективности заряда кластерных ионов, определяемой регистрируемым током, более чем в 4 раза по сравнению с устройством, в котором катод 2 выполнен из материала с высокой температурой эмиссии (более 2000 К) и отсутствует отражатель электронов 4.

Пример конкретного выполнения устройства для ионизации кластерных ионов.

Катод 2 выполнен из молибденового цилиндра с внешним диаметром 6 мм и высотой 150 мм, с толщиной стенки 1,5 мм.

По всей высоте на внешней поверхности катода 2 в поперечном направлении закреплена фольга из платины шириной 2 мм.

Анод 1 выполнен в виде полого кругового цилиндра с внешним диаметром 25 мм и высотой 150 мм из фольги толщиной 0,5 мм.

На радиально противоположных стенках полого кругового цилиндра анода 1 по всей его высоте вырезаны части поверхностей под углом 90°.

Вырезанная поверхность анода 1 закрыта сеткой, которая закреплена на аноде 1.

Сетка изготовлена из молибденовой проволоки диаметром 0,3 мм с радиальным и поперечным шагом 3 мм.

Отражатель электронов 4 изготовлен в виде полого кругового цилиндра из нержавеющей стали с внешним диаметром 65 мм, высотой 150 мм и толщиной стенки 0,5 мм.

Анод 1 и отражатель электронов 4 закреплены на керамическом основании 3 на одной оси.

Керамическое основание 4 изготовлено в виде полого кругового цилиндра с внешним диаметром 60 мм, внутренним диаметром 22 мм и высотой 10 мм.

Катод 2 закреплен на керамическом основании на расстоянии 20 мм от оси симметрии.

Катод 2 располагается на прямой, проходящей из центра оси симметрии через середину, закрепленной на аноде сетки.

Созданная конструкция устройства для ионизации кластерных ионов позволила увеличить эффективность заряда кластерных ионов, определяемую регистрируемым током, в 2,5 раза по сравнению с использованием катода 2 с высокой температурой эмиссии (более 2000 К), и в 4,2 раза по сравнению с устройством, в котором катод 2 выполнен из материала высокой температурой эмиссии (более 2000 К) и отсутствует отражатель электронов 4.