19. Каким образом формируются пучки ионов типы ионных пушек (Ответы на экзаменационные вопросы)

1. Каким образом формируются ионные пучки, типы источников ионов?

Формирование пучков ионов осуществляется с помощью источников ионов, которые состоят из разрядной (ионизационной) камеры, источника электронов (нагреваемого термокатода, холодного или полого катода), анода, магнитной системы (для повышения эффективности ионизации), экстрагирующего электрода и электрода первичной фокусировки, системы подачи рабочего газа или пара. Ионные источники должны генерировать однородные высокоинтенсивные пучки со стабильными во времени параметрами и многозарядные ионные пучки, обеспечивать предельную плотность ионного тока при максимально низких экстагирующих напряжениях, ионизировать газообразные (Ar, N₂, O₂, BF₃, PCl₃, AsF₃, AlCl₃ и т.п.) и твердые (B, As, Sb, Al, Ti и т.п.) вещества, формировать ионный пучок заданного сечения, быть простыми в управлении и обладать большим временем наработки на отказ катода и всего источника.

Т.к. обеспечить в одном источнике все перечисленные требования невозможно, применяют различные е го типы, основными из которых являются автономные источники ионов с горячим, холодным или полым катодом, дуоплазмотроны, источники с ВЧ- и СВЧ-возбуждением, источники с поверхностной ионизацией и др.

В источниках ионов с горячим катодом в качестве источника электронов используются катоды прямого накала или с косвенным подогревом. Эти источники бывают с экстракцией ионов вдоль оси разрядной камеры и коническим пучком или перпендикулярно оси разрядной камеры через отверстие прямоугольной формы и пучком ионов в виде узкой ленты. Основным достоинством таких источников является возможность получения высокоинтенсивных пучков ионов, а главным недостатком – быстрое разрушение термокатода при использовании химически активных рабочих газов.

Автономные источники ионов с холодным катодом и разрядом Пеннинга содержат цилиндрический кольцевой анод, размещенный между параллельно расположенными катодом и антикатодом. Ионы вытягиваются из плазмы самостоятельного газового разряда через отверстие в антикатоде и ускоряются системой экстракции. Благодаря наличию соленоида источник обладает высокой эффективностью ионизации (до 10¹⁴ ион/см³), срок службы катода превышает 1000 часов. Недостатком такой конструкции является низкая сила тока пучка ионов (до 100 мкА), большая пульсация тока и возможность использования только газообразных рабочих веществ.

Типовой жидкометаллический источник ионов состоит из двух электродов: острия-анода и заземленного экстрактора, между которыми приложено напряжение порядка 4 – 10 кВ. Острие выполнено в виде тонкой вольфрамовой трубки с капиллярным отверстием диаметром 50 мкм, через которое поступает жидкий металл. При давлении внутри иглы порядка 1 МПа и наличии электрического поля высокой напряженности (порядка 10¹⁰ В/м) на конце капилляра образуется выступ жидкого металла в виде конуса, с вершины которого эмиттируется расходящийся пучок положительных ионов.