Дуоплазматрон

СОЮЗ СОВЕТСКИХСО ЦИАЛ ИСТИЧ ЕСКИХРЕСПУБЛИК 7 о 9) ( 1 3 27 1 ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ ЕЛЬСТ д ВТОРСНОМ ненным в его вершине, катодженный в полости тигля, и эс отверстием, о т л и ч а юс я тем, что, с целью поввремени работы источника, меческим корпусом тигля и эксанода установлена система энаходящихся в контакте междуэлектрически соединяющая прный электрод и анод, а в отэкстрактора со стороны, протной аноду, установлен кольцемокатод, расположенный так,кус эмиттируемого им электролуча совпадает с выходом канкорпусе тигля, обращенным к щего магнитное сжатие плазмы у вы" ходного отверстия источника.Из известных конструкций ионных . источников, источник типа дуоплазматрон имеет ряд преимуществ, которые определяют как его широкое использование, так и наибольшую перс" 4 пективность. Дуоплазматрон отличает- О ся высоким К,П.Л высокой эконо Я мичностью 90-95, высокой степенью ионизации рабочего вещества 903 и более, малым разбросом , д ионов по энергиям - несколько эВ, высокой плотностью тока ионного пучка на выходе дуоплазматрона (обычно на 2-3 порядка выше, чем у источников других типов).и др.Рля получения ионов твердых при обычных условиях материалов используют совмещение тигля и разрядной ГОСУДАРСТВ Е Н НОЕ ПАТЕ НТН ОЕВЕДОМСТВО СССР(54)(57) РУОПЛАЯКИТРОН, содержащийанод с коническим экспандером.,промежуточный электрод с полостью, в которой расположено устройство вводарабочего вещества в виде тигля с коническим корпусом и каналом, выполИзобретение относится к источникам ионных пучков типа дуоплазматрон и может быть использовано при получении широкого класса пленочных материалов, в качестве источника частиц при легировании полупроводников и других материаловСреди наиболее распространенных и близких по техническому решению источников ионов известен дуоплазматрон, главной особенностью которого является наличие между катодом и анодом промежуточного электрода с узким каналом, предназначенным для механического сжатия плазмы вблизи анода, Кроме того, промежуточный электрод й анод используются также в качестве магнитных полюсных наконечников для создания магнитного поля напряженностью 1000 Э и выше, обеспечиваюрасполокстракторщий"ышенияжду конипандеромкранов,собой,омежуточверстииивоположвой терчто фонногоала ваноду.(обыцно молибденовую), являющейсяанодом, помещены две вольфрамовыенити и тигель, который обычно изготавливают из тантала или граФита(для различных исходных веществ),Предельная температура камеры1600 С,Недостатком известных источниковявляются низкие рабочие токи ионовм 100 мкя и малый коэффициент ионизации вещества - 1 Ф,Ближайшим техническим решениемявляетс источник ионов - дуоплазматрон, сорержащий анод с коническимэкспандером, промежутоцный электродс полстью, в которой расположеноустройство ввода рабоцего веществав вире тигля с коницеским корпусоми каналом, выполненным в его вершине, катор расположенный в полоститигля, и экстрактор с отверстием.Известный источник обеспециваетбольшой ток ионов ро 10-20 иА, цтодостигается за счет расположения катода во внутренней полости промежутоцного электрора, Полость промежуточного электрода снабжена дополнительной системой откацки, Рабоцеевещество помещают в испаритель, который с набором теплоизолирующихэкранов введен в полость промежуточного электрода, Нагрев рабочего вещества осуществляется последовательно током термоэлектронной эмиссии скатодом и током дуги, зажигаемоймежду катодом и промежуточным электродом, После поджига руги катод -анор, извлецение ионов производитсяс поверхности плазмы, заполняющейцашку экспанрера анода путем прикларывания между анодом и экстрактором высокой разности потенциалов(15-20 кО),Недостатком известного источникаявляется ограниченное время работыс максимальной эффективностью вследствие зарастания отверстия в экспандере.Целью изобретения является повы,шение времени работы источника,Эта цель достигается тем, что висточнике ионов-дуоплазмотроне, содержащем анод с коническим экспандером, промежуточный электрод с полостью, в которой расположено устройство ввода рабочего вещества в виде тигля с коническим корпусом и каналом, выполненным в ег вершине, катор, расположенный в полости тигля, и экстрактор с отверстием, между коницеским корпусом тигля и экспандером а-ра установлена система экранов, нахорящихся в контакте межру собой, электрически соединяющая промежутцныб электрод и анод, а в отверстии экстрактора со стороны, противоположной анору, установлен кольцевой термокатод, расположенный так, цто Фокус эмиттируемого им электронно-о луча совпадает с выходом канала в орпуса тигля, обращенным к аноду,На Фиг,1 изобрахен истоцник, разрез; на Фиг 2 - основные элементы исгоцника, Формирующие тракт, Формирующий ионный пуцок; на Фиг 3 - конструкция тигля.Истоцник содержит анод 1, прер, - ставляющий собой цилиндр, изготовленный из стали Ст, 3 с протоценной полостьюдля водяного охлаждения В отверстие анода 1 ф 16 мм вставлен экспандер 3, выполненный в виде конуса из стали Ст 3 с углом при верошине 10 , Рнутри конуса выточена цилиндрическая полость ф 10 мм, Диаметр отверстия при вершине 1,5-2 мм.Для питания катода , изготовленного из полости тантала, имеются водоохл;жраемые медные вводы, вмонтированные я водоохлаждаемую крышку 5 стакана 6, изготовленного из нержав. стали 12 Х 18 Н 10 т, изолированные от него с помощью металлокеоамицеских изоляторов 7, Промежуточный электрод Р, изготовленный из стали Ст. 3, оканчивается полюсами с каналом по оси разряда р 1 ч и рлиной 5 мм, Ти". гель 9 в сборе и промежуточный электрод 8 помещены в водоохлаждаемый корпус, изготовленный из стали Х 18 Н 10 Т, на который надета катушка соленоида 0-образного электромагнита 10, Магнитный поток от катушки замыкается с помощью внешнего магнитопровора 11, изготовленного в виде набора пластинок из железа армко, которые изолированы от анора с помощью Фторопластовых прокладок,Для охлаждения корпуса источника в нем имеется полость водяного охлаждения Для удобства при разработке и сборке источника применено сочленение токопор,водящих проводов от5 99376 При длительной работе источника (1 О ч и более), как было уже отме" цено, "зарастает" рабоцим веществом (в рассматриваемом случае граФит) канал промежуточного электрода, что приводит к существенному (в 1,5- 2 раза) уменьшению ионного тока, Этот недостаток, имеющий место при длительных режимах работы, устраняется путем введения кольцевого вольФрамового катода 14 (Фиг, 2) концент" рично отверстию в экстракторе, ниже верхней кромки отверстия экстрактора на 0,5-1 мм. Такой дополнительный катод, находящийся под потенциалом земли, совместно с центральной частью анода источника, находящейся под высоким положительным потенциалом, образуют кольцевую электронную пушку, пучок электронов которой сФо" кусирован на выходе канала 16 тиг" ля 9. источника питания с гибкими провода-ми с помощью прижимных контактов 12.Экстрактор 13 изготовлен из Ст.3 в виде конусообразного электрода с углом при вершине 110 и отверстием диаметром 10 мм, Экстрактор отделен от анода вакуумным промежутком 5 мм.С стороны экстрактора, обратной аноду, смонтирован кольцевой вольФрамо О вый термокатод 14 ( 0,2 мм), расположенный так, цто положение Фокуса электронного луца совпалает с выходом канала тигля 9.В полости промежуточного электрода 15 15 находится заключенный в молибденовый корпус тигель 9. На фиг, 3 показан тигель для получения ионов углерода, Тигель 9 содержит выходной канал 16, набор тепловых экранов 17, 20 электроды 18 накала катода и катод 4, заключенные в молибденовый корпус 19. Рассмотрим более подробно конструкцию тигля для случая углерода. Поскольку граФит испаряется без 25 перехода в жидкость, вводят его в испаритель в виде стаканчика 20 с толщиной стенок 3 мм, плотно прилегающего к внутренней поверхности испарителя. 30Тигель (Фиг. 3) представляет собой цилиндр в основании с конусом, угол при вершине которого равен 90 ь Конус имеет при вершине отверстие3 мм. Через два отверстия в наборе ЭБ верхних экранов на уплотнениях и высокотемпературной керамики в испаритель введены два танталовых электрода питания катода. Катод источника 4 изготовлен в виде кольца12 мм из по- ц лости тантала (толщиной 0,1 мм, шириной 2 мм), прикрепленного с помощью точецной сварки к электродам 18.Со всех сторон испаритель окружен.теплоизолирующими экранами 17, 45 изготовленными из танталовой и молибденовой Фольг толщиной 0,2 мм. Верхние экраны - набор плоских дисков с выдавленными коническими выступами, предотвращающими слипание экранов, 5 О боковые экраны - набор цилиндров с такими же выступами, нижние - набор соосных усеченных конусов, Путем расчетов и экспериментально установлено, цто оптимальное колицество экранов 55 для случая углерода равно 13-14 шт.При сборке источника блок испарителя установлен таким образом, цтообеспечивается механический и элект 2 брический контакт между нижними экранами и экспандером и выход канала промежуточного электрода соединен с вхолом канала экспандера.Рассмотрим работу источника на примере получения ионов углерода.Нагрев граФита до температуры,-й обеспечивающей давление его пара 10- 10 мм рт,ст., необходимого для горения дуги осуществляют в 2 этапа.1) до зажигания дуги нагрев осуществляют термоэмиссионным током от накаленного катода 4 к внутренним стенкам испарителя 16 0,4-0,5 А, 220- 250 В; 2) после зажигания дуги, которое наступает при достижении необходимой величины давления пара - нагрев производят этой же дугой (5-б А, 40-50 В). Одновременно с зажиганием дуги между катодом и внутренними стенками испарителя зажигается основная дуга между катодом и анодои и дуоплазматроном выходит ва обычный для себя режим работы.Извлечение ионного пучка с по- верхности плазмы, заполняющей зкспандер, осуществляется с помощью квазипирсовой системц электродов, первым электродом которой является конусо" образная часть анода 1, вторцмэкстрактор 13 Источник ионов,нахо" дящийся в процессе работы под напряжением 20 кВ, отделен от.вакуумной камеры (на цертеже не показана) высоковольтным изолятором..1 ЕОСР,)Н 4 ЕННО ПРОДЛЕВВЕт СРОК НЕПРЕВывной стабильной работы источника,) /1 и"еьнОО Гь не 1 рерывной рс)ооты ис"ИкО - ВЕЕЛЯЕ 1-с, КОЛИЦЕСТВМ Ра - боцего вещества, Вводимого В испаВ Отличие От Всегда при)1 е)4 Ремого ИОННЫХ ИСТОЧНИКВХ Тила ДУОПЛсЗМстоон Вза 11 ного расположения проме- )К/сс)ЧНО-( ЗЛЕКтрОда и аНОда В ИЗОб,:а; пвоме)1(/тоц)Ого алек-в.Иод: В изобретении (анал роме)1 утоцного электрода посредст Вом)С, З.(РВНОВ 1/ ФИГс 2/ СОЕДИНЕНВХОЛОМ КанаЛсз ЭКС ПВНДЕРсз а НОГ а, 1 ои зом Вепичина злектрицеско;о и:)Отив)ения между ними в рабочем режи-; .;.,;., - .:являет несколько сот Ом,)бп;: аЕТ ЗажИГаНИЕ дуи Кс Од " нод, Пи з 1 Ом )меньшаетсР 1,/. про(ОБГени)1 1 лазмы ООльшои концен Грации ОТ КВНала ПРОМЕжУ сОЦНОГО ЗЛЕКТРОДа "с сЫОа, 11 :ДЕГ 1(ИВВЕТСР ЕЕ ВЬСоками) 1(О.нсн)-.4 ия за счет уменьшени). рас- ;,да -а)СЗ сЗбОЧЕ) О ВЕНЕСТВВ На СО" рону (Отсутст Вия зазора), Этот парлибо иоьизируется быстрыми электрона и В канале промежуточного электрода, либо попадая в канал экспандера, ионизируется тем, что такжеповышает концентрацию положительныхионов, а следовательно, и велицинуВозм.;жно максимального извлекаемогоионн)го тока, Уменьшается также токионов на стенки, цто приводит к аналогичному положительному эекту,0 писанный прием позволил увелицитьок положительных ионов на выходеисточника на 20-251., получить дляионов указанных веществ токи 1225 41/1 при ускоряющем напряжении 1820 )(Б (против обыцно получаемых 1020 /4,1,рри зтом предлагаемый истоцникпозволяет при обычной системе откач 1(и получать вакуум в рабочем обьемене х /же 10 8 5 10 мм рт,ст,Р,анный источник ионов при сохранении всех положительньх качествВердотельного источника типа дуоплазматрон обеспецивает возможностьполучения ионов твердых веществ,Обладает более высокой э)Фективностью и более длительным сроком непрерывной работы. СССР енного комитет 113035, Москва твенно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул, Гагарина, 1 О о Заказ 1093ВНИИПИ Государс