Параметры ионных источников. Конструктивные элементы ионных источников

ионный источник Пеннинга.

ионного пучка – пространственно сформированного потока ионов, скорость направленного движения

которых много больше их тепловых скоростей.
Ионный источник состоит из собственно источника ионов и устройства их экстракции. Атомы ускоряемых элементов могут вводиться в ионный источник либо напуском (в виде газа), либо испарением (жидкой или твердой примеси). В ионном источнике они ионизируются и вытягиваются соответствующим потенциалом, приобретая нужную энергию.
К источнику ионов предъявляют следующие требования:
стабильность пучка во времени;
получение нужных ионов с определенным зарядом;
получение нужной плотности ионного тока.

ионного пучка;
энергия ионов;
характерный поперечный размер пучка;
качество пучка, его пространственная и

скоростная сформированность – эффективный угол расходимости и энергетический разброс ионов;
компонентный состав пучка – положительные и отрицательные ионы, атомарные, молекулярные, многозарядные ионы;
газовая эффективность – отношение потока сформированных ионов к потоку газа, подаваемого в ионный источник;
энергетическая эффективность ионного источника – отношение мощности пучка к мощности потребляемой ионным источником от сети.

холодным и полым катодами; дуоплазмотроны; источники с ВЧ- и СВЧ

- возбуждением; с поверхностной ионизацией.
В ионном источнике обеспечивается возбуждение атомов рабочего газа до энергии, превышающей потенциал ионизации атома, для образования положительно заряженных ионов.

ионизационную камеру, которая является несущей конструкцией источника;
анод, предназначенный для создания

электрического поля внутри разрядной камеры;
источник электронов (термокатод), инжектирующий электроны для ионизации газа;
магнитную систему, повышающую эффективность ионизации и плотность плазмы;
электроды, экстрагирующие ионы, и электроды первичной фокусировки пучка.

подачи газа;
устройство испарения вещества;
источники питания.

Любой ионный источник состоит из двух

основных узлов:
эмиттера ионов,
электростатической системы, с помощью которой ионы извлекаются, ускоряются и формируются в направленный поток – ионно-оптическая система (ИОС).

и ускоряющего электрода – экстрактора с отверстием для выхода ионного

пучка.
Для дополнительной фокусировки ускоренного пучка используются электростатические и магнитные линзы.
ИОС различных ионных источников строятся по единому принципу, и главным фактором, определяющим тип ионный источник, является метод создания эмиттера ионов.

несколько типов ионных источников:
с поверхностной ионизацией, где эмиттером ионов служит

поверхность накалённого материала, работа выхода которого превышает потенциал ионизации падающих на него атомов;
плазменные, в которых ионы отбираются с поверхности плазмы, образуемой в большинстве случаев с помощью газового разряда;
"полевые", в которых ионы образуются благодаря действию сильного электрического поля (~108 В/см) на и вблизи поверхности твёрдого тела, ионы которого необходимо получить.

В установках для элементного и структурного анализа, использующих ионные пучки, применяются исключительно плазменные ионные источники.

– катод из вольфрама или гексаборида лантана;
2 – промежуточный анод;
4

– анод;
3 – соленоид, создающий магнитное поле ~ кГс;
5 – вытягивающий электрод
ионно-оптической системы.
Анод и промежуточный анод
изготовлены из ферромагнитного материала
и образуют магнитную цепь.

увеличения степени ионизации столб разряда подвергается механическому и магнитному, сжатию

с помощью диафрагм и магнитного поля, нарастающего к анодному отверстию малого диаметра. Сжатие разрядной дуги в узком канале промежуточного электрода сопровождается возникновением плазменного "пузыря" со скачком потенциала в слое, отделяющем катодную плазму А от более плотной анодной плазмы С.
В тонком слое В ускоряются и фокусируются электроны, выходящие из плазменной области А в плазменную область В. Вблизи анода 4 плотная плазма дополнительно сжимается сильным неоднородным магнитным полем, сечение плазмы вблизи выходного отверстия уменьшается, а концентрация ионов в плазме возрастает до 1014–1015 см -3. Такая плазма эмитирует ионы с плотностью в десятки А/см2, т. е. образуется "точечный" эмиттер.

в промежуточном аноде составляет ~ 10-2 Тор.
Дуоплазматрон позволяет получать ионы

газообразных элементов с высокой плотностью ионного тока. Рабочий газ, ионы элементов которого необходимо получить, поступает в область промежуточного электрода через регулируемый натекатель. Среди других ионных источников дуоплазматрон отличается высокой газовой эффективностью.

сложного электропитания, которое включает:
питание накала катода (в случае W катода

U = 5-10 В, I = 10-40 А);
питание промежуточного анода U = 0-100 В, I = 0-0,5 А;
питание анода U = 0-250 В, I = 0,5-2 А;
питание соленоида U = 0-10 В, I = 0-50 А.

все эти источники питания находятся под высоким положительным ускоряющим потенциалом, определяющим энергию ионов, вытягиваемых из ионного источника.

источника, также широко используемый в различных методиках анализа – ионный

источник с холодным катодом или ионный источник Пеннинга.
В данном ионном источнике зажигание газового разряда осуществляется за счет пробоя газового промежутка катод-анод, между которыми прикладывается напряжение несколько сотен вольт. Напряжение на разрядном промежутке должно быть минимальным для зажигания и поддержания стабильного газового разряда. Напряжение зажигания зависит от материла катода. Для большинства материалов оно составляет несколько кВ. Однако, для некоторых "низковольтных" материалов", таких как алюминий, магний, оно составляет сотни вольт. У этих материалов тонкая окисная пленка на поверхности понижает напряжение зажигания за счет того, что окисная пленка является диэлектриком, а у диэлектриков большой коэффициент ионно-электронной эмиссии.

в продольном магнитном поле, создаваемом, как правило, постоянным магнитом с

индукцией несколько кГс, между двумя катодами и кольцевым анодом. Катоды источника изготавливаются из алюминия, корпус – из мягкого железа для замыкания магнитных линий. Эмиссия электронов из катодов происходит за счет их бомбардировки ионами разряда. За счет приложенного магнитного поля электроны движутся по спирали, что увеличивает их путь и число ионизирующих соударений на пути катод-анод.
Давление рабочего газа в ионном источнике 10-3-10-4 Тор.
Извлекаемый ионный ток в стационарном режиме до нескольких миллиампер.

источника Пеннинга:
простота электропитания, под высоким потенциалом, который прикладывается к корпусу

источника, находится только один регулируемый выпрямитель питания анода,
отсутствие накаливаемого катода, что позволяет длительно эксплуатировать источник без вскрытия на атмосферу.
низкое рабочее давление в ионном источнике.

Недостатком является малый вытягиваемы ионный ток. Однако, в случаях, когда не требуются его большие значения, простота источника Пеннинга является решающим обстоятельством.