Источник ионов

(51)5 НОСУДАРСТЦЕННЫЙ НОМИТЕТпо изоеретйниям и открытиямпри гкнт ссаПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ О ства. Источник ионов содержит цилинд"рический катод, коаксиально расположенный с ним керамический изолятор,поджигающий электрод, анод, коллектор ионов, импульсный трансформатор,высоковольтный вывод которого элек-,трически подсоединен к катоду. В от"личие от известных устройств к высоковольтному выводу импульсного трансформатора подключена дополнительная,выполненная на том же сердечнике обмотка, и общий вывод основной и дополнительной обмоток подключен черезрезистор В.1 к катоду, а второй вывод,"дополнительной обмотки подключен каноду, катод и поджигающий электрод асоединены емкостью С поджигающийэлектрод через диод и параллельносоединенные емкость Си резистор Ксоединены с анодом; Величина емкостей СС, и С определяется соотношениямимежду основными параметрами устройства. При этом процесс инициирования рю 4плазмы осуществляется не только в Дфначале импульса напряжения, но и по фмере обрыва основного дугового раз- . вдряда, Самосогласованный режим генера" 1 врции плазмы,и ускорения ионов от одно"го импульсного трансформатора не требует систем синхронизации. 1 ил.(56) А Изобретени кам ионов и м; в ускорительониой физике химических с диэлектриковочниениеиаци- икоников, имплан" е .относится к ис ожет найтй приме ной технике, в рад для улучшения фи ойств полупровод и металлов путем ации в юнас е ускоренны Целью изоб тения является упро"ии и повышение надежщеиие конструности работы чника ионон.(71) Научно-исследовательский инсти-тут ядерной физики при Томском политехническом институте им. С.М, Кирова,М,Арэубов, Г.П. Исаев, Е.И.Лу. -и А.И. Рябчиков33,9(088.8)рэубов Н.М. и др. Частотноимпульсный вакуумно-дуговой источник .ионов, Тезисы докладов.ЧТ Всесоюзногосимпозиума по сильноточной электронике. Томск, 1986, т. 3, с. 184.Аксенов А.И. и др. Источник ионовметаллов на основе вакуумного дугового разряда. Тезисы докладов 7 Е Все"союзного симпозиума по сильноточнойэлектронике. т, Э, с. 181, Томск,1986, т. 3, с. 81.(57) Изобретение относится к источни,кам ионов и может найти применение.в ускорительной технике, в радиаци"онной физике для улучшения физикохимических свойств полупроводников,диэлектриков и металлов путем имплан", тации в них различных примесей в ви-,де ускоренных ионов. Целью иэобрете"иия является упрощение конструкции.и повышение надежности работы устрой",аэличных примесей в ви- . аюйь ионов.455926 3На чертеже схематично изображенисъфочникионов еИсточник ионов содержит цилиндри.ческий катод 1, анод 2, мелкострук-,.емкости 11 и 12,диод 3.На цилиндрическом катоде 1 коаксиально расположен поджигающий электрод4Электрическая изоляция между катодом 1 и поджигающим электродом 4 с,анод 2, торцовая поверхность которо"го со стороны, противоположной катоду1, закрыта мелкоструктурной сеткой3. Коллектор б ионов расположен па- .раллельно мелкоструктурной сетке 3на некотором расстоянии от нее. Сис"тема 8 питания подключена к. выводампервичной обмотки трансформатора 7.Высоковольтный вывод трансформатора7 подключен через резистор 9 к катоду 1, а вывод дополнительной обмоткивысоковольтного трансформатора 7 под".ключен к аноду 2. Между анодом 2 иподжигающим электродом 4 последовательно включены емкость 12 и диод13. Параллельно емкости 12 подкпючена емкость 11,Устрбйство работает следующим образом.При включении системы питания на,первичной обмотке импульсного трансформатора выделяется импульс напряжения О,. На вторичных обмотках импульсного трансформатора 7 с ,учетомсоотношения витков в первичной обмотке Ии вторичных (основной И,и дополнительной Н) и коэффициентаиспользования трансформатора К форми. руются напряжения Пт и Бз. От допол"иительной обмотки импульсного транс. форматора 7 заряжаются емкости 11 и12 через резистор 9 (с сопротивлениемК ) с постоянной времени зарядки1 "К (С, +С ). Выбранное соотноше;нйе емкостей С,р 10 С , обеспечиваетусловие преимущественного выделениязарядного напряжения на емкости 1.Отношение напряжений 0 и Освйдедяющнхся на емкостях 11 и 12 призарядке, обратно пропорционально соотношению емкостей, т.е. 0 с/П-С/С. 4При достижении напряжением 0на емкости 1 величины, соответствующей пробивному напряжению 0 п по поверхности изолятора 5 происходит про бой зазора между катодоми поджигающим электродом 4. В результатепробоя между электродамии 4 формируется ниэковольный дуговой разрядс катодным пятном на катоде 1. Плазмадугового разряда начинает расширятьсяв стороЬу анода 2. Напряжение Б,иа емкости С падает до величины,соответствующей падению напряжения 15на дуговом разряде. Емкость С, продолжает заряжаться по плазменномуканалу через резистор К с постояннойемени ф 1 СПлазма дуговогоразряда при расширении достигаетанода 2, Между катодоми анодом 2зажигается дуговой разряд, Учитывая,что напряжение горения 0 дуговоговакуумного разряда в зависимости от,материала катода и анода, а такжегеометрических размеров изменяется1в пределах 0=5-150 В, горение дугового разряда между катодом 1 и поджигающим электродом 4 прекратится, ког-да величина падения напряжения на емкости С превысит величину падЕриянапряжения на дуговом разряде междукатодом 1 и анодом 2. Таким образом,необходимо, чтобы к моменту достиже-ния плазмой анода 2 емкость С 1 заря.-дилась до напряжения, превышающегопадение напряжения на. дуге Б междуанодом 2 и катодом 1. Соотношение, определяющее данноеусловие, можно подучить исходя из 4 О следующих соображений. После пробояпромежутка между катодом 1 и"поджигающим электродом 4 плазма, формируемая катодным пятном вакуумной дуги,достигнет анода 2 за время 45Ь(1)7 олгде 1, - расстояние от катода 1 доанода 2;Ч. - скорость распространенияплазмы от катода к аноду.Исходя из условия, что за,время,распространения плазмы Ы емкость С,"должна зарядиться дб напряжения Ос ,превышающего напряжение горения дуги бб 0 междукатодом и анодом,.получаем,1С 1 Т 1,11, (2)1 й (В линейном приближении зарядаемкости С в начальный период полу1455926 5или чаем с учетом, что 1 в -11 ККзЮ 1 де КИз 1 ЬСт 5 откуда следуетс Киз 1 ЬС , (4)плгде К - коэффициент использования. трансформатора; Ю Я, Ю - число витков в первичной идополнительной обмоткахтрансформатора, соответственно;О, - напряжение в первичной обмотке трансформатора.В этом случае, при достижении плазмой анода 2 формируется основной дуговой разряд между катодом 1 и анодом 2. Ток дуги определяется соотношениемэтУчитывая, что 1 в это время прес,чвышает падение напряжения на основном 25 дуговом разряде, разряд между катодом 1 и поджигающим электродом 4 прекращается.В то Ме время диод 3 препятствует уменьшению разности потенциалов на емкости С, до величины, соответствующей падению напряжения на дуге между катодом 1 и анодом 2. Обрыв тока разрядки емкости С через поджигающий электрод исключает возможность формирования катодного пятна на его поверхности, что, в свою очередь, обеспечивает генерацию чистого ионного пучка только из материала катода,40При выходе плазмы за пределы мел" коструктурной сетки 3 в зазоре между электродом б и сеткой 3 анода 2 происходит ускорение ионов. Энергия ионов при этом определяется величиной 45 потенциала анода 2.Величина тока ускоренных ионов в такой системе источника достигает 107 от тока дуги.Случайный обрыв дугового разряда между катодом 1 и анодом 2 приводит к резкому повышению напряжения между катодом 1 и анодом 2, При этом, снова начинается зарядка емкостей С и С 1 с последующим пробоем по поверхностй изолятора и повторным инициированием 55 дугового разряда между катодом 1 и анодом 2, Процесс многократного инициирования дугового разряда в случае 6его обрыва будет происходить до тех пор, пока величина напряжения на емкости Сне станет равной1 И юП11 сПз 11 пр( т,т напр).Для того, чтобы процесс иницииро вания мог происходить в течение всей длительности импульса ускоряющего напряжения Гр, необходимо, чтобы вы- полнялось условиеи еу -ц - -уКИ 0с - Э прпр т Учитывая, что,ес1 с, етпри условии дй У получаем условие,ограничивающее С. снизуЩЦ 7 яС 7 лиСрК(1- " )Щ 11,В общем случае величина емкостиС долина удовлетворять соотношениюКИР 17 С,7м,е,чср , стт и,щцПосле окончания импульса ускоряю.щего напряжения происходит разрядкаконденсатора Счерез резистор К/О/ с постоянной времени 9.=КС,Соотношение параметров КС, выбирается таким образом, чтобы к моментуприхода следующего импульса при частотном режиме работы, емкость Суспела разрядиться, Для этого необходимо выполнить :условиес -,1(где Г - частота следования импульсов,.Таким образом, в предлагаемом ус 1ройстве процесс инициирования плазмыосуществляется не только в началеимпульса напряжения, но и по мереобрыва основного дугового разряда,что существенно повышает надежностьустройства и увеличивает его КПД.Кроме того, самосогласованный режим;генерации плазмы И ускорения ионовот одного импульсного трансформаторас дополнительной обмоткой не требуетсистем синхронизации, что упрощаетустройство и повышает его надежностьеПри малых токах дуги в несколькоединиц:или десятков ампер, когдавероятность обрыва тока оказываетсяИсточник ионов, содержащий цилиндрический катод, коаксиально располоенный с ним поджигающий электродежду которьии помещен изолятор, анод, торцовая поверхность которого,Лсо стороны, противопдложной катоду ,закрыта мелкоструктурной сеткой, коллектор ионов, импульсный трансформаМрс системой питания, высоковольтный вывод которого соединен с катодом, о т л и ч а ющ и й с я тем, ;.что, с целью упрощения конструкции 20 :и повышения надежности работы нсточ- ,ника, импульсный трансформатор снаб-. ,жен дополнительной обмоткой и дополнительно введены два резистора, две емкости и диод, при атом высоковольт ньй вывод трансформатора вместе с .первым выводом дополнительной обмотки подключен через резистор К к ка, тоду, второй вывод дополнительной об"мотки подключен к аноду, между като б дом и подяргающнм электродом включенаСоставитель А. Ястребоведактор Н; Коляда Техред И.оданиич Коррект В. Гирла каз 33НИИПВ, Гас 4 О 4Подписное ета по изобретениям и открытиям й, Ж".35 р Раушская набе, дв 4/5 СОРкий комбинат "Батент", г, Ужг енноф изд очень большой по сравнению с прототипом, в предлагаемом источнике ионовВПД может быть увеличен, более, чем .на порядок. Формула и з о б р е т е н и я Гемкость С, к поджигающему электродуподключен катод. диода, анод которогочерез параллельно соединенные емкость5С, и резистор В соединен с анодомустройства, причем емкости См и С я,выбраны из условийСп ъО С КС 41 И,7 С ъИЧЙ 0 у г ОрИКИ,О, 3где Г - частота следования импульсов 3К - коэффициент использования .трансформатора;Н - число витков в дополнительнойобмотке;И, - число витков в первичной обмотке трансформатора;Ц, - напряжение на первичной обмотке;Ь - расстояние между катодом ианодом;Ч. - скорость распространенияплазмы от катода к аноду;Б - напряжение горения вакуумнойдуги;Г - длительность импульса ускоряющего напряжения,"П - напряжение пробоя по поверхности изолятора между катодом и поджигающим электродом.