RU2206937C1

RU2206937C1 - Field-emission ion source for reduced operating voltage

Info

Publication number: RU2206937C1
Application number: RU2001129654/28A
Authority: RU
Inventors: С.В. Зайцев
Priority date: 2001-11-01
Filing date: 2001-11-01
Publication date: 2003-06-20

Abstract

FIELD: ion microscopes, ion jet engines, ion accelerators, nuclear filters. SUBSTANCE: working gas atoms are ionized through layer of mediator-molecules, electric field strength at their loose ends being higher than mean value on electrode surface. EFFECT: reduced voltage required for ion source operation. 1 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к области разработки автоэмиссионных ионных источников с полевой ионизацией вещества и решает задачу снижения величины необходимого рабочего электрического напряжения. The invention relates to the field of development of field-emission ion sources with field ionization of a substance and solves the problem of reducing the magnitude of the required working electrical voltage.

Актуальность этой задачи определяется тем, что ионные источники данного типа обладают рядом уникальных параметров, в частности наименьшими разбросом энергии и ценой иона [1]. Однако высокое электрическое напряжение, которое необходимо прикладывать, представляет опасность для персонала (поражение электрическим током, рентгеновское излучение), вызывает необходимость в наличии высоковольтной изоляции, высоковольтных преобразователей и способствует ускоренному выходу из строя элементов оборудования за счет катодного распыления ионами остаточных газов. The relevance of this task is determined by the fact that ion sources of this type have a number of unique parameters, in particular, the smallest dispersion of energy and ion cost [1]. However, the high electrical voltage that must be applied poses a danger to personnel (electric shock, x-ray radiation), necessitates the presence of high-voltage insulation, high-voltage converters and contributes to the accelerated failure of equipment elements due to cathodic sputtering of residual gas ions.

Разработано большое количество вариантов автоэмиссионных источников ионов такого типа. Общими элементами в них являются ионизирующий электрод типа острия, вытягивающий электрод и рабочее вещество. Ряд усовершенствований позволяют увеличить ток ионов, не увеличивая электрическое напряжение. Так, в [2] предложено охлаждать острие до температуры сжижения рабочего вещества. Это способствует миграции вещества в область ионизации и увеличению потока ионов. Недостатком является сложность поддержания низкой температуры. В [3] предлагается сделать острие пористым и прокачивать через него рабочее вещество. Очевидно, что плотность потока должна возрасти при том же напряжении, но технология приготовления пористых острий достаточно высокого качества по-видимому пока слабо разработана. A large number of variants of field emission sources of ions of this type have been developed. Common elements in them are the tip type ionizing electrode, the drawing electrode and the working substance. A number of improvements allow increasing the ion current without increasing the electric voltage. So, in [2] it was proposed to cool the tip to the liquefaction temperature of the working substance. This contributes to the migration of the substance into the ionization region and an increase in the ion flux. The disadvantage is the difficulty of maintaining a low temperature. In [3], it is proposed to make the tip porous and pump the working substance through it. Obviously, the flux density should increase at the same voltage, but the technology for preparing porous tips of a sufficiently high quality is apparently poorly developed.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достигаемому результату (прототипом) является решение [4] в котором предлагается оптимизировать конструкцию за счет напыления на поверхность острия пленки из тугоплавкого металла, который инертен по отношению к рабочему веществу. The closest to the proposed technical essence and the achieved result (prototype) is the solution [4] in which it is proposed to optimize the design by spraying on the surface of the tip of the film of refractory metal, which is inert with respect to the working substance.

Недостатками этого решения являются сложность нанесения покрытия и необходимость периодического восстановления его в процессе эксплуатации. The disadvantages of this solution are the complexity of the coating and the need for periodic recovery during operation.

Задача настоящего изобретения - снижение величины электрического напряжения, необходимого для ионизации (или, что одно и тоже, повышение плотности тока при заданном напряжении). The objective of the present invention is to reduce the magnitude of the electrical voltage required for ionization (or, which is the same thing, increase the current density at a given voltage).

Поставленная задача решается за счет добавки в вакуумный промежуток между электродами следов летучих молекул с высоким дипольным моментом (например, нафталина), которые выполняют роль посредника при поверхностной ионизации атомов рабочего газа. The problem is solved by adding traces of volatile molecules with a high dipole moment (for example, naphthalene) into the vacuum gap between the electrodes, which act as an intermediary in the surface ionization of working gas atoms.

Схема устройства показана на фиг.1, где
1 - острие,
2 - молекулы - посредники,
3 - ионный поток,
4 - экран, светящийся под действием ионной бомбардировки.The device diagram is shown in figure 1, where
1 - point,
2 - molecules - intermediaries,
3 - ion flow
4 - screen, glowing under the influence of ion bombardment.

Работа устройства происходит следующим образом. The operation of the device is as follows.

На острие подают высокий потенциал (положительный относительно экрана). При этом молекулы-посредники за счет своего высокого дипольного момента притягиваются к поверхности острия, выталкивают оттуда любые другие молекулы и образуют устойчивую мономолекулярную пленку. (Согласно существующим теоретическим представлениям молекула, приблизившаяся к заряженной металлической поверхности ближе некоторого критического расстояния, не может ионизоваться, если ее верхний электронный уровень окажется ниже уровня Ферми металла [5]). У свободных концов молекул напряженность электрического поля оказывается многократно повышенной по сравнению со средним уровнем на поверхности острия (оценки даны в [6]). Здесь и происходит ионизация атомов рабочего газа. At the tip serves a high potential (positive relative to the screen). In this case, the intermediary molecules due to their high dipole moment are attracted to the surface of the tip, push out any other molecules from there and form a stable monomolecular film. (According to existing theoretical concepts, a molecule that approaches a charged metal surface closer than a certain critical distance cannot ionize if its upper electronic level is below the metal Fermi level [5]). At the free ends of the molecules, the electric field strength is many times higher than the average level on the surface of the tip (estimates are given in [6]). This is where the ionization of the working gas atoms takes place.

ПРИМЕР. Был изготовлен и опробован источник с подложкой-острием из нержавеющей стали и вольфрама, молекулами нафталина в качестве посредников, гелием или азотом в качестве рабочего газа. Испытания показали, что при напряженности поля у поверхности ≈5•10⁹В/м образуется устойчивая мономолекулярная пленка на поверхности, посредством которой происходит облегченная ионизация атомов рабочего газа. На фиг.2А показаны четыре молекулы нафталина, сидящие на поверхности и посылающие пучки ионов на экран, который под действием этих пучков светится, и мы видим поэтому эти молекулы. На фиг.2Б показана структура ионного пучка при полностью сформированной мономолекулярной пленке. Тот факт, что пучок имеет гранулированную структуру, может быть полезен при производстве ядерных фильтров с особыми параметрами (например, повышенной толщины). На фиг.2В представлено ионизирующее острие-подложка, полученное путем контролируемого электрического разряда в вакууме.EXAMPLE. A source with a tip-tip made of stainless steel and tungsten, naphthalene molecules as intermediaries, helium or nitrogen as the working gas was made and tested. Tests have shown that at a field strength of ≈5 • 10 ⁹ V / m, a stable monomolecular film forms on the surface, through which light ionization of the working gas atoms occurs. On figa shows four naphthalene molecules sitting on the surface and sending ion beams to a screen that glows under the influence of these beams, and therefore we see these molecules. On figb shows the structure of the ion beam with a fully formed monomolecular film. The fact that the beam has a granular structure can be useful in the manufacture of nuclear filters with special parameters (for example, increased thickness). On figv presents an ionizing tip-substrate obtained by a controlled electric discharge in vacuum.

Список использованной литературы
1. Я.Браун. Физика и технология источников ионов. М.: Мир, 1998, 496 с.List of references
1. J. Brown. Physics and technology of ion sources. M.: Mir, 1998, 496 p.

2. Патент JP 1189839 "lonization of electric field ionized gas and ion source thereof H 01 J 27/26, OCHIAI YUKINORI. 2. Patent JP 1189839 "lonization of electric field ionized gas and ion source thereof H 01 J 27/26, OCHIAI YUKINORI.

3. Патент JP 63174243 "Field emission type gas ion source" H 01 J 27/26, OCU GOJI. 3. Patent JP 63174243 "Field emission type gas ion source" H 01 J 27/26, OCU GOJI.

4. Патент US 4551650 "Field emission ion source with spiral shaped filament heater" H 01 J 27/26, NODA TAMOTSU. 4. Patent US 4551650 "Field emission ion source with spiral shaped filament heater" H 01 J 27/26, NODA TAMOTSU.

5. И.Миллер. Macс-анализ в автоионной микроскопии. М.: Мир, 1993, 230 с. 5. I. Miller. Max analysis in autoion microscopy. M .: Mir, 1993, 230 p.

6. И.Н. Сливков. Процессы при высоком напряжении в вакууме. М.: Энергия, 1986, 256 с. 6. I.N. Cream Processes under high voltage in a vacuum. M .: Energy, 1986, 256 pp.

Claims

A field emission ion source with a reduced operating voltage, comprising an ionizing electrode with a high curvature of the surface, a drawing electrode and a gaseous working substance, characterized in that a monomolecular film of molecules with a dipole moment greater than the dipole moment of the working substance is created on the working surface of the ionizing electrode.