Способ генерирования ионного пучка

ИЕ ИЗОБРЕ ОПИ И К ПАТЕНТУ ятие НОбя вакуумно-плазменно еталей машин и прочи изКомитет Российской Федерации по патентам и товарным знакам(54) СПОСОБ ГЕНЕРИРОВАНИЯ ИОННОГОПУЧКА(51)Н 01 Л 27 08 делий Сущность изобретения: в разрядной полости вакуумной камеры возбуждают двухступенчатый вакуумно-дуговой разряд с интегрально-холодным катодом, включающий пространственно разделенные металлогазовую и газовую ступени. Эмиссионную сетку располагают в зоне газовой ступени разряда. Подачу отрацательного потенциала на сетку и в зону рабочей полости вакуумной камеры осуществляют после поджига дуги разряда. При этом металлогазовую ступень разряда пространственно отделяют от рабочей полости камеры. 1 ил, 2002334Изобретение относится к технике получения сильноточных ионных пучков большого сечения,Широко распространен способ генерирования ионного пучка посредством ионныхисточников Кауфмана, согласно которомунакаляемый катод, имитирующий электроны, располагают на оси цилиндрическойразрядной камеры, которую помещают в 10слабое магнитное поле, Анодом в данномслучае служит часть цилиндра. При этомспособе генерирования ионного пучка электроны движутся в скрещенных магнитных иэлектрических полях по спиральных траек-. 15ториям вокруг оси, В результате увеличиваются длина их пробега и вероятностьиониэации рабочего газа, Ионы вытягиваются, ускоряются и фокусируются двух- илитрехэлектродной ионна-оптической системой.Недостатком генерирования ионногопучка по способу, реализованному в источниках Кауфмана, является относительно небольшой срок службы накаливаемыхкатодов несколько десятков часов).Наиболее близким к изобретению является способ генерирования ионного пучка,включающий возбуждение в замкнутой 30разрядной полости вакуумной камеры между катодом и анодом электрического газового разряда, формирование эмиссионнойграницы плазмы между разрядной полостью и сообщающейся с ней электрическиизолированной рабочей полостью вакуумной камеры путем подачи на электрическиизолированную от вакуумной камеры эмиссионную сетку отрицательного потенциала,а также извлечение и ускорение ионов путем подачи ускоряющего отрицательногопотенциала на электрод, помещенный в зоне рабочей полости вакуумной камеры.При генерировании ионного пучка поэтому способу, например, в установке с.площадью эмиссионной сетки 1000 см величи 2на ионного тока составляет 1 А. Такимобразом, плотность ионного токасоставляет 1 мА/см . Увеличение плотностиионного тока может быть достигнуто за счет 50разветвления поверхности катода, а это усложняет конструкцию и соответственноснижает надежность установки.. Цель изобретения - повышение плотности ионного тока, Поставленная цель достигается за счет того. что в способегенерирования ионного пучка, включающемвозбуждение между катодом и анодом, установленными в замкнутой разрядной полости вакуумной камеры, электрического газового разряда, формирование эмиссионной границы плазмы между разрядной полостью и сообщающейся с ней изолированной рабочей полостью вакуумной камеры путем подачи отрицательного потенциала на электрически изолированную от вакуумной камеры эмиссионную сетку, извлечение и ускорение ионов путем подачи ускоряющего отрицательного потенциала на электрод, помещенный в зоне рабочей полости вакуумной камеры, согласно изобретению в разрядной полости возбуждают двухступенчатый вакуумно-дуговой разряд с интегрально-холодным катодом с пространственно разделенными металлогазоной и газовой ступенями, при этом подачи отрицательных потенциалов на эмиссионную сетку и в зону рабочей полости вакуумной камеры осуществляют после поджига двухступенчатого разряда, причем используют сетку, расположенную в зоне газовой ступени двухступенчатого разряда, а металлогазовую ступень разряда пространственно отделяют от рабочей полости камеры.На чертеже приведена установка для генерирования ионного пучка для реализации предлагаемого способа.Установка содержит вакуумную камеру 1, в разрядной полости 2 которой размещены интегрально-холодный катод 3 вакуумнодугового разряда и оппозитно ему - анод 4. Вблизи катода 3 установлена непроницаемая для ионов металла, генерируемых с поверхности катода, но проницаемая для электронов перегородка 5. которая делит разрядную полость 2 на катодную и анодную части б и 7, Разрядная полость 2 изолирована от рабочей полости 8 вакуумной камеры 1 изоляторами 9,Между анодной частью 7 разрядной полости 2 и рабочей полостью 8 вакуумной камеры 1 установлена эмиссионная сетка 10 на изоляторах 11,Электропитание источника ионов проводится от источника 12 электропитания вакуумно-дугового разряда, источника 13 электропитания камеры 1, источника 14 электропитания эмиссионной сетки 10, В цепи электропитания вакуумно-дугового разряда установлено токовое реле 15, исполнительный орган 16 которого (нормально открытые контакты) включен в цепь электропитания эмиссионной сетки 10 и в цепь ускоряющего напряжения,Работает установка следующим образом,Вакуумная камера 1 системой откачки откачивается до давления 10 Па и затем внее напускается рабочий газ (например, аргон) до давления 10 Па. С помощью системы поджига между катодом 3 ианодом 4 в полости 2 возбуждается двухступенчатый вакуумно-дуговой разряд (ДВДР). Разряд формируется с помощью не проницаемой для ионов металла, генерируемых с поверхности катода, но проницаемой для электронов перегородки 5. Катодная часть 6 разрядной полости 2 заполнена металлогазовой плазмой. Ионы металла генерируются в катодном пятне дуги и распространяются с поверхности катода по прямолинейным траекториям.Поскольку перегородка 5 не проницаема для ионов металла, ионы металла задерживаются ей и в анодную часть 7 разрядной полости 2 не попадают.Анодная часть 7 разрядной полости 2 заполнена положительным столбом чисто газовой плазмы, образуемой электронами, проходящими через перегородку 5 под действием электрического поля анода 4. При возникновении разрядного тока в цепи катода 3 и анода 4 срабатывает токовое реле 15, которое своим исполнительным органом 16 (нормально открытые контакты) включает источники 13 и 14 электропитания.Такая последовательность включения источников электропитания (сначала включается источник 12 электропитания, а только после возбуждения разряда - источники 13 и 14) обусловлена необходимостью возбуждения разряда,Напряжение на сетке выбирается иэ условия необходимой энергии ионов и формирования границы газовой плазмы, ссповерхности которой происходит ускорение ионов, не выходящей за пределы сетки. Первое условие задается технологическими требованиями, второе определяется из ус- ловил 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 и 1 2 е 1 Оо2 "- 72 Т 4- -Ч где г 1 - ширина слоя ионного объемного заряда, отделяющего коллектор ионов (сетку) от границы плазмы,и - характерный размер сетки (расстояние между соседними элементами сетки);М - масса иона;Оо - напряжение между плазмой и сеткой) - плотность тока положительных ионов на сетку. Под действием отрицательного потенциала относительно положительного столба плазмы газового разряда положительные ионы плазмы ускоряются в слое объемного заряда. Часть ионного потока осаждается на сетке, а часть(примерно пропорциональная коэффициенту прозрачности сетки) пролетает сквозь сетку и производит обработку изделий, размещенных в рабочей полости 8 вакуумной камеры,Нейтрализация обьемного заряда ионов производится вторичными электронами, образуемыми при бомбардировке изделий и стенок камеры ускоренными ионами. Источник 14 создает двойной слой в рабочей полости 8 вакуумной камеры между сеткой и вторичной плазмой в обьеме полости 8, препятствующий уходу электронов из обьема полости 8 в анодную часть 7 разрядной полости 2,Было экспериментально показано, что величина ионного тока, извлекаел 1 ого из положительного столба газовой плазмыДВДР на всю площадь коллектора ионов Як (площадь коллектора ионов - вся площадь анодной части 7 разрядной полости 2, включая площадь анода 4, сетки 10 (Яс) и перегородки 5) с учетом коэффициента прозрачности сеткис,3 - 0,.) р ( - )ЯПоскольку в ДВДР ток разряда определяется только теплофиэическими свойствами охлаждаемого катода, то ионный ток в устройстве, ограничивается в основном, тепловыми возможностями сетки 10.Работоспособность источника ионов определялась на установке, изображенной на чертеже, В вакуумной камере установки устанавливалась на верхнел 1 фланце, на котором размещен катод из алюминия, перегородка в виде шеврона. Испаритель (катод 3) устанавливался на резиновой прокладке, которая выполняла функцию герметизатора и уплотнителя одновременно. На нижнем фланце камеры располагается водоохлаждаемый медный анод диаметром 90 мм, Через всю камеру от верхнего до нижнео фланцев устанавливалась сетка из четырех изолированных друг от друга секций диаметрол 1 100 мм и общей длиной 320 мм (коэффициент прозрачности сетки 0,5).Разряд запитывался от источника электропитания. Напряжение на разряде 42 В при токе разряда 40 А, Напряжение источ(56) Габович М.Д. и др. Гучки ионов и атомов для управляемого термоядерного синтеза и технологических цепей. М.: Энергоатомиз. дат, 1986, с. 135-136.Метель А.С. Источники пучков заряженных частиц большого сечения на основе тлеющего разряда с холодным полым катодом.В сб.: Плазменная эмиссионная электрони ка, Из-во Улан-Удэ, Бурятский институт естественных наук СОАН СССР, июнь 1991, с, 77-81, рис, 2. 15 Формула изобретенияСПОСОБ ГЕНЕРИРОВАНИЯ ИОННОГО ПУЧКА, включающий возбуждение между катодом и анодом, установленными в замкнутой разрядной полости вакуумной камеры, электрического газового разряда, формирование эмиссионной границы плазмы между разрядной полостью и сообщающейся с ней электрически изолированной рабочей полостью вакуумной камеры путем подачи отрицательного потенциала на 30 электрически изолированную от вакуумной камеры эмиссионную сетку, извлечение и ускорение ионов путем подачи ускоряющего отрицательного потенциала на электрод, помещенный в зоне рабочей полости 35 вакуумной камеры, отличающийся тем, что в разрядной полости возбуждают двухстуника 13 электропитания составляло 5008, Суммарная сила тока в секциях сетки 3,1 А.Сила ионного тока, замеренная в цепи источника 13, составляла 5,9 А, при площади сетки 1000 см 2 плотность ионного тока 2,9 мА/см, что в 2,9 раза выше, чем в устройст 2ве, взятом в качестве прототипа,.Препятствием к дальнейшему повышению ионного тока, извлекаемого из источника, является ограниченность мощности примененного для этих целей источника 13 электропитания.Эксперимент показал, что увеличение тока разряда ведет к пропорциональному увеличению ионного тока,пенчатый вакуумно-дуговой разряд с интегрально-холодным катодом с пространственно разделенными металло- газовой и газовой ступенями, при этом пространственное разделение ступеней разряда осуществляют с помощью перегородки. не проницаемой для ионов металла, генерируемых С поверхности катода, но проницаемой для электронов, причем подачу отрицательных потенциалов на эмиссионную сетку, расположенную в зоне газовой ступени разряда. и в зону рабочей полости вакуумной камеры производят после поджига двухступенчатого разряда, а металлогазовую ступень разряда пространственно отделяют от рабочей полости камеры.2002334 р ф Составитель С.ГригорьевТехред М,Моргентал Корректор М,Тка эктор Т.Рыба Тираж Подписное НПО " Поиск" Роспатента13035, Москва, Ж, Раушская наб 4/5 Заказ 317 роизводственно-издательский комбинат Патент", г, Уж ор д, у, р