Источник ионов

пц 4364 О 6 Союз Советских Социалистических Республик(22) Заявлено 21,03,73 (21) 1895082/26-25 51) М. Кл. Н ОЦ 3/04 исоединением заявки32) Приоритетпубликовано 15.07.74. Бюллетень26 ата опубликования описания 17,12.74 судврственныи комитетавета Министров СССРпо делам изобретенийи открытий 53) УДК 621,387,42(088.8) 2) Авторы изобретен 71) Заявители И. Кошелев рского отделения АН т ядерной физики, эле техническом институт рова С. П. Бугаев и В Институт оптики атмосферы Сиби научно-исследовательский институ и автоматики при Томском поли.М 54) И СТО Ч Н И К И О Изобретение относится к технике получения импульсных ионных потоков и может быть использовано для различных технологических процессов: легирования полупроводников, образования металлических пленок на поверхности твердого тела, а также для создания реактивной тяги.Известны источники ионов для решения указанных задач, характерными признаками которых является наличие раздельных цепей питания разряда и экстракции частиц, локализации плазмы, служащей источником ионов, внутри разрядного пространства, ограниченного стенками разрядной камеры и извлечение ионов в область ускорения сквозь отверстие в одном из электродов разрядной камеры.Существенным недостатком известных источников является ограниченность амплитуды отбираемого ионного тока.С целью существенного увеличения амплитуды ионного тока, упрощения конструкции и схемы питания источника для технологических целей, а также удешевления в качестве источника ионов используется вакуумный разрядный промежуток в незавершенной фазе разряда. При этом генерация ионов и ускорение их в сторону катода производится под действием спадающего напряжения, существующего между электродами промежутка в период развития разряда. На фиг. 1 приведена схема предлагаемогоисточника ионов; на фиг. 2 - осциллограммы электронного (а) и ионного (б) токов в вакуумном промежутке; на фиг, 3 - распределе ние заряда.Вакуумный разрядный промежуток образован анодом 1, выполненным из материала, ионы которого необходимо получить, и катодом 2, имеющим отверстие 3 с острыми края ми, выступающими в сторону анода. Катодможет быть выполнен и из системы острий, закрепленных на сетке с высокой прозрачностью. Ускоренные ионы, выходящие сквозь отверстие в катоде, попадают на мишень 4.15 Анод укреплен на проходном изоляторе 5.Вся система помещена в вакуумную камеру б, Параллельно разрядному промежутку включена емкость 7, заряжаемая от источника питания 8, через сопротивление 9, до величины 20 напряжения, соответствующей пробивномузначению. Величина емкости подбирается из условия, что большая часть энергии, запасенной в пей, передается в контур за время вы.- соковольтной фазы разряда. Напряжение к 25 промежутку может прикладываться такжеимпульсно при подключении с помощью разрядника формирующего элемента в виде линии с распределенными параметрами либоемкости.30 Устройство работает следующим образом.3В момент достижения напряжением пробивного значения между электродами возникает разряд, При воздействии статическим напряжением рост разрядного тока в вакууме всегда связан с появлением на катоде сгустков плазмы, образующихся в результате взрыва микроскопических выступов металла под действием джоулевого разогрева автоэмиссионным током. Появляющиеся в результате взрыва пары металла ионизуются проходящим пучком электронов и распространяются в вакууме со скоростью -10 см/сек. Величина электронного тока, протекающего между фронтом плазмы и анодом, определяется законом 3/2 для диода со сближающимися электродами. Интенсивная электронная бомбардировка анода приводит к его разогреву, испарению и образованию факела плазмы, движущегося по направлению к катоду. С фронта этого факела эмиттируются ионы и ускоряются в сторону катода. Если в катоде имеется отверстие, ускоренные ионы выходят за пределы промежутка и могут быть использованы. Импульс ионного тока начинается с момента появления плазмы на аноде и оканчивается в момент перехода разряда в низковольтную фазу, когда движущиеся навстречу друг другу потоки плазмы с катода и анода встречаются и проводимость промежутка становится близкой к металлической. Это время близко к длительности роста тока в промежутке (времени коммутации 1) и определяется длиной зазора:плгде д - величина зазора, а , - скорость раенространения плазмы.Для промежутков с И=0,5+3 мм 1, - 10-8+10-7 сПредельная величина ионного тока определяется следующим выражением:1 = 1,861где М и и массы иона и электрона соответственно, а 1, - величина тока пробоя. Оценку мощности, передаваемой аноду электронным пучком в период 1 можно сделать по формуле:Р Я =И) У - Ж 1 г),4где ф) - ток пробоя, Я - сопротивление контура, Уо - напряжение, принладываемое кпромежутку. Для исследованных промежутков плотность потока мощности на аноде достигает величин 10+10 вт/см 2, что сравнимос воздействием гигантского импульса лазерана твердую мишень. Поскольку амплитудаэлектронных токов поставляют 102+10 а,представляется возможным получение кратко 10 временных импульсов ионного тока с амплитудой в единицы ампер. Если учесть, что частота импульсов может быть до 10 Гц, тоэффективность такого источника становитсяочевидной.15 На фиг, 2 представлены осциллограммыэлектронного и ионного токов в вакуумномпромежутке длиной 2 мм при приложении напряжения 18 кв. Электронный ток измерялсяс помощью малоиндуктивного шунта, установ 20 ленного в разрядной цепи, а ток ионов - с помощью коллектора, расположенного за отверстием в катоде диаметром 3 мм. Амплитудаэлектронного тока - 350 а, ионного - 1 а, Нафиг, 3 показано распределение заряда, пере 25 несенного ионами по энергиям. Измерения выполнены методом задерживающего потенциала, При необходимости энергетический спектрионов может быть сужен с помощью магнитного сепаратора,30Предмет изобретения1. Источник ионов, содержащий холодныеанод и катод, систему электрического питанияразряда между анодом и катодом, отлича 35 ю щ и е с я тем, что, с целью упрощения конструкции источника, в качестве упомянутойсистемы электрического питания выбрана импульсная система с выходным напряжением,достаточным для пробоя вакуумного проме 40 жутка между катодом и анодом.2. Источник ионов по п. 1, отличающийс я тем, что, с целью получения цилиндрических пучков заданных размеров, в катоде имеется отверстие с острыми кромками для лока 45 лизации разряда в области отверстия и выхода ионов из прианодной плазмы.3. Источник ионов по п. 1, отл ич а ющи йся тем, что, с целью увеличения выхода ионов, катод выполнен в виде системы острий,50 закрепленных на сетке с высокой прозрачностью,436406 05 Е, кзо Редактор Л. Цветкова Заказ 3317/14 Изд.1834 Тираж 760 Подписное ЦНИИПИ Государственного комитета Совета Министров СССР по делам изобретений и открытий Москва, Ж, Раушская наб., д, 4/5