Установка для генерирования ионного пучка большого сечения

К ПАТЕН Комитет Российской Федерации по патентам и товарным знакам(54) УСТАНОВКА ДЛЯ ГЕНЕРИРОВАНИЯ ИОННОГО ПУЧКА БОПЬОЗОГО СЕЧЕНИЯ(57) Использование: для комплексной вакуумноплазменной обработки инструмента, деталей машини иных иэделий. Сущность изобретения: катод установки дпя генерирования ионного пучка выполненв виде интегрально-холодного катода вакуумнодугового разряда Между анодом и катодом установлена непроницаемая для ионов, но проницаемаядпя электронов перегородка, разделяющая разрядную полость камеры на анодную и катоднуючасти. Анодная часть сообщается с рабочей полостью через эмиссионную сетку, В цепи источникапитания газового разряда установлено токовое репе, исполнительный орган которого расположен вцепи источников ускоряющего напряжения и питания сетки, В рабочей полости камеры, оппозитнокатоду, установлен дополнительный электродэлектрически изолированный от камеры. Анод газового разряда и дополнительный электрод соединены с двухповюсным ключом с возможностью ихпоочередного подключения к положительному полюсу источника газового разряда. При этом пере(и) КС (11) 2003196 С 1(51) 5 НО 1 Л 27 ОЗ городка и сетка установлены с возможностью перемещения в направлении стенок разрядной полости камеры Установка может быть снабжена средством синхронизации перемещения перегородки и сетки с подключейием к источнику допол - нительного катода или анода газового разряда. Анод может быть выполнен в виде полого цилиндра,кольца, электрически изолированного кольцевого участка стенки камеры, расположенного в зоне катодной части разрядной полости, или пластины, расположенной вдоль оси симметрии катодной части разрядной полости со смещением в сторону ограничивающей указанную полость стенки камеры. Предусмотрены различные конструктивные вариан ты исполнения перегородки. Данное конструктивное выполнение установки позволяет осуществить комплексную высококачественную обработку изделии в одной установке. При открытой перегородке и отодвинутой сетке осуществляется нанесение покрытий на изделие. При закрытых перегородке и сетке осуществляется очистка поверхности, преимущественно диэлектриков, ионным пучком, а также нагрев изделий. При закрытой перегородке и ото- ф двинутой сетке осуществляется ионная очистка, на- р у грев, и химико-термическая обработка изделий. В первом случае с положительным полюсом источника газового разряда соединен дополнительный электрод во втором - анод, в третьем - дополнительный электрод 9 злф-лы, 1 ил.ющий ток электронов из синтезированной плазмычерез сетку в полость разрядной амеры, и источник ускоряющего напряжения, ускоряющий ионы.В установке с площадью эмиссионной сетки 1000 см величина ионного тока составляет 1 А,Таким образом, плотность ионного тока составляет 1 мАсм.Увеличение плотности ионного тока может быть достигнуто за счет разветвления поверхности катода, что усложняет конструкцию,Цель изобретения - повышение плотности ионного тока при расширении эксплуа 45 50 55 тационных возможностей и повышениипроизводительности. Поставленная цель достигается за счеттого. что установка для генерирования ионИзобретение относится к технике получения сильноточных ионных пучков большого сечения.В настоящее время широкое распространение для технологических целей получили ионные источники Кауфмана, В нихэлектроны эмиттируются накаляемым катодом, расположенным на оси цилиндрической разрядной камеры, помещаемой вслабое продольное магнитное поле, Анодом тОслужит часть цилиндра, Электроды движутся в скрещенных магнитном и электрическом полях по спиральным траекториямвокруг оси, в результате увеличивается дли-,на их пробега и вероятность ионизации рабочего газа, Ионы вытягиваются,ускоряются и фокусируются двух или трехэле ктродной ионна-оптической системой.Существенным недостатком источников Кауфмана является относительно небольшой 20срок службы накаливаемых катодов (несколько десятков часов),Известна установка для генерированияионного пучка большого сечений на основетлеющего разряда с холодным полым катодом. Установка содержит камеру, внутри которой П-образные полые катоды образуютразрядную полость, Сквозь отверстие в полом катоде в разрядную полость проходитанод. Всекатоды изолированыдруготдруга 30и соединены с регулируемым источникомразрядного напряжения через отдельныерезисторы, что предотвращает переход разряда в дугу. Эмиссионная сетка с высокойпрозрачностью 70-9 ООД) изолирована от 35разрядной полости и рабочей полости вакуумной камеры, установка имеет источникэлектропитания газового разряда, из плазмы которого извлекаются ионы, источникнапряжения, подключенный отрицательным полюсом к эмиссионной сетке и отсеканого пучка большого сечения, содержащая вакуумную камеру с сообщающимися между собой через эмиссионную сетку и электрически изолированными от нее рабочей и разрядной полостями. в последней из которых установлены катод и анод газового разряда, а также источник электропитания газового разряда, подключенный к электродам, источник ускоряющего напряжения и питания сетки, отрицательные полюса которых соединены. соответственно, с рабочей полостью и сеткой, снабжена дополнительным электродом и управляемым двухполюсным ключом, катод выполнен в виде интегрально-холодного катода вакуумно-дугового разряда, между катодом и анодом установлена оптически непрозрачная, проницаемая для электронов, перегородка, разделяющая разрядную полость на катодную и анодную части. С рабочей полостью вакуумной камеры через эмиссионную сетку сообщается анодная часть разрядной полости. В цепи источника питания газового разряда установлено токовое реле, исполнительный орган которого расположен в цепи источников ускоряющего напряжения и питания сетки, при этом перегородка и сетка установлены с возможностью перемещения в направлении, по меньшей мере, одной из стенок разрядной полости камеры, дополнительный электрод установлен оппозитно катоду в рабочей полости камеры и электрически изолирован от последней, а анод газового раз ряда и дополнительный электрод посредством двухполюсного ключа электрически связаны с положительным полюсом источника газового разряда с возможностью поочередного их подключения к указанному источнику,Кроме того, установка может быть снабжена средством обеспечивающим синхронизацию перемещения перегородки и сетки в соответствующем направлении с подключением дополнительного электрода или анода к источнику электропитания вакуум- но-дугового разряда.Помимо этого, анод газового разряда может быть выполнен в виде полого цилиндра, кольца, электрически изолированного кольцевого участка стенки камеры, расположенного между сеткой и катодом, пластины, расположенной эксцентрично относительно оси симметрии разрядной полости,Перегородка может быть выполнена в виде шеврона, жалкэзи, двух поворотных створок, расположенных со взаимным перекрытием и смещенных одна относительно другой вдоль оси симметрии разрядной полости;лепестковой диафрагмы, лепестки которой в зоне взаимного перекрытиярасположены с зазором вдоль оси симметрии разрядной полости камеры,Реализация поставленной цели (в части повышения плотности ионного тока) достигается за счет использования для создания плазмы, из которой генерируются ионы более сильноточного вакуумно-дугового разряда, от величины которого зависит степень ионизации плазмы, а, следовательно и извлекаемый из нее ионный ток не зависит от геометрических размеров катода, а только определяется его теплофизическими свойствами. Не составляет труда получение разрядных токов в десятки мА,/см,На чертеже показана принципиальная схема установки с подвижными (сдвигаемыми) перегородкой и сеткой.Установка содержит вакуумную камеру в разрядной полости 1 которой размещены интегрально-холодный катод 2 вакуумно-дугового разряда и напротив его анод 3, Вблизи катода 2 установлена непроницаемая для ионов.металла, генерируемых с поверхности катода, но проницаемая для электронов перегородка 4, которая делит разрядную полость 1 на катодную 5 и энодную 6 части. Разрядная полость 1 изолирована от рабочей полости 7 вакуумной камеры изоляторами В.Между анодной частью 6 разрядной полости 1 и рабочей полостью 7 вакуумной камеры установлена сетка 9 на изоляторах 10,Электропитание установки производится от источника 11 электропитания вакуум- но-дугового разряда, источника 12 ускоряющего напряжения (электропитания камеры), источника 13 напряжения (электропитания сетки 9). В цепи электропитания вакуумно-дугового разряда установлено токовое реле 14, исполнительный орган 15 которого (нормально открытые контакты) включен в цепь электропитания сетки 9 и в цепь ускоряющего напряжения.Перегородка 4 и сетка 9 установлены с возможностью перемещения в направлении, по меньшей мере, одной из стенок разрядной полости камеры. Кроме того. установка снабжена дополнительным электродом 16 и управляемым двухполюсным ключом 17, Дополнительный электрод 16 установлен напротив катода в рабочей полости 7 камеры и электрически изолирован от последней. Анод 3 электро-дугового разряда и электрод 16 посредством двухполюсного ключа 17 электрически соединены с положительным полюсом источника 11 электропитания разряда с возможностью поочередного их подключения к указанному источнику,5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Работает установка при выдвинутых сетке и перегородке и при подаче положительного потенциала от источника 11 на анод 3 (двухполюсный ключ в положении "В") следующим образом, Вакуумная камера системой откачки откачивается до давления 10 Па и затем в нее производится напуск рабочего газа (например аргона) до давления 10 Па. С помощью системы поджига между катодом 2 и анодом 3 в разрядной полости 1 возбуждается двухступенчатый вакуумно-дуговой разряд (ДВДР). Разряд формируется с помощью непроницаемой для ионов металла, генерируемых с поверхности катода, перегородки 4, Катодная часть 5 разрядной полости 1 заполнена металлогазовой плазмой. Ионы металла генерируются в катодном пятне дуги и распространяются с поверхности катода по прямолинейным траекториям.Поскольку перегородка 4 непроницаема для ионов металла, то ионы металла задеркиваются ею и в анодную часть 6 разрядной полости 1 не попадают,Анодная часть 6 разрядной полости заполнена положительным столбом чисто газовой плазмы. образуемой электронами, проходящими через перегородку под воздействием электрического поля анода 3, При возникновении разрядного тока в цепи катода 2 и анода 3 срабатывает токовое реле 14, которое своим исполнительным органом 15 (нормально-открытые контакты) включает источник 12 ускоряющего напряжения и источник 13 напряжения.Такая последовательность включения источников напряжения (сначала включается источник 11 электропитания, а только после возбуждения разряда - источники 12 и 13) обусловлена необходимостью возбуждения разряда,Напряжение на сетке выбирается из условия необходимой энергии ионов, создания границы газовой плазмы, с поверхности которой происходит ускорение ионов, не выходящей за пределы сетки.Первое условие задается технологическими требованиями; второе определяется из условияЬ 1 (2811/4 Оо34мгде б - ширина слоя ионного обьемного 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 воздействием отрицательного потенциала относительно положительного столба плазмы газового разряда положительные ионы плазмы ускоряются в слое объемного заряда. Часть ионного потока осаждается на сетке 9, а часть (примерно пропорциональная коэффициенту прозрачности сетки) пролетает сквозь сетку 9 и производит обработку изделий, размещенных в рабочей полости 7 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 7 вакуумной камеры между сеткой и вторичной плазмой в обьеме полости 7, препятствующий уходу электронов из обьема полости 7 в анодную часть 6 разряда, Было экспериментально показано, что величина ионного тока, извлекаемого из положительного столба газовой плазмы ДВДР на всю площадь коллектора ионов Як площадь коллектора ионов - вся площадь анодной части 5 разрядной полости, включая площадь анода 3, сетки 9(Яс) и перегородки 4), Учитывая коэффициент прозрачности сетки величина ионного тока=0,25 1 р3 скПоскольку в ДВДР ток разряда определяется только теплофизическими свойствами охлаждаемого катода, то ионный ток в устройстве ограничивается в основном тепловыми возможностями сетки.Работоспособность установки определялась следующим образом. В вакуумной камере установки устанавливалась на верхнем фланце, на котором установлен катод из алюминия. перегородка 4 в виде шеврона, Испаритель (катод 2) устанавливался на резиновой прокладке, которая исполняла роль герметизатора и уплотнителя одновременна. На нижнем фланце камеры устанавливался водоохлаждаемый медный анод дйаметром 90 мм, Через всю камеру от верхнего до нижнего фланца устанавливалась сетка из 4-х изолированных друг от друга секций диаметром 100 мм и общей длиной 320 мм. (Коэффициент прозрачности сетки 0,5). Разряд запитывался от источника питания. Напряжение на разряде 42 В при токе разряда 40 А. Напряжение источника питания 13 составляло 500 В, Суммарная сила тока в секциях сетки 3,1 А.Сила ионного тока замеренная в цепи источника 13 составляла 2,9 А, При площади сетки 1000 см плотность ионного тока со 2ставляет 2,9 мА/см, что в 2,9 раза выше,2чем в устройстве. взятом в качестве прототипа, Препятствием к дальнейшему повышению ионного тока, извлекаемого из источника является ограниченность мощности, примененного для этих целей источника питания 13. Эксперимент показал, что увеличение тока разряда ведет к пропорциональному увеличению ионного тока.В данном режиме работы на установке производилась очистка поверхности, преимущественно диэлектриков, ионным пучком, а также нагрев изделий, При закрытой перегородке и отодвинутой сетке осуществляется ионная очистка, нагрев и химико-термическая обработка . изделий (двухполюсный ключ в положении А). При открытой перегородке и отодвинутой сетке осуществляется нанесение покрытий на изделия двухполюсный ключ в положении А). Таким образом, эксплуатация установки на трех режимах работы расширяют ее эксплуатационные функции и повышают производительность. комплексной обработки изделий,56) Габович М,Д, и др, Пучки ионов и атомов для управляемого термоядерного синтеза и технологических целей, М., Энергоатомиздат, 1986. с.135-136.Метель А.С. Источники пучков заряженных частиц большого сечения на основе тлеющего разряда с холодным полым катодом, Сб, "Плазменная эмиссионная электроника", Тезисы доладов, Первое Всесоюзное совещание по плазменной эмиссионной электронике. Улан-Удэ. Бурятский институт естественных наук СО АН СССР; июнь 1991, с,77 - 81. рис,2.Формула изобретения1 УСТАНОВ КА ДЛЯ ГЕН ЕРИ РОВАНИЯ ИОННОГО ПУЧКА БОЛЪШОГО СЕЧЕНИЯ, содержащая вакуумную камеру с сообщающимися между собой через змисси онную сетку и электрически изолированными от нее рабочей и разрядной полостями, в последней из которых установлены катод и анод газового разряда, источник электропитания газового разря да, подключенный к электродам, источник ускоряющего напряжения, отрицательный полюс которого подключен к стенке рабочей полости, и источник напряжения, отрицательный полюс которого подключен к эмиссионной сетке, втличэющаяся тем, что онэ снабжена дополнительным электродом и управляемым двухполюсным ключом, катод выполнен в виде интегрально-холодного катода вакуум но-дугового разряда, между катодом и анодом установлена перегородка, не проницэемая для ионов ме- талла, генерируемых с поверхности катода, но проницаемая для электронов, раэделя ющая разрядную полость на катодную и анодную части, при этом через эмиссионную сетку с рабочей полостью вакуумной камеры сообщена энодная часть разрядной полости, в цепи электропитания ваку умно-дугового разряда установлено токовое реле, исполнительный орган которого включен в цепь электропитания эмиссионной сетки и в цепь ускоряющего напряжения, причем перегородка и эмис сионная сетка установлены с возможностью перемещения по направлению по меньшей мере к одной из стенок разрядной полости камеры. а дополнительный электрод установлен напротив катода в ра бочей полости камеры и электрически изолирован от нее. анод и дополнительный электрод электрически соединены с положительным полюсом источника электропитания вакуумно-дугового разряда через 45 двухполюсный ключ, обеспечивающий возможность их поочередного подключения к указанному источнику.2, Установка по п,1, отличающаяся тем, что она снабжена средством, обеспечивающим синхронизацию перемещения перегородки и сетки в соответствующем направлении с подключением дополнительного электрода или анода к источнику электропитания вакуумно-дугового разряда.3, Установка по пп,1 и 2, отличающаяся тем, что анод выполнен в виде полого цилиндра,4. Установка по пп,1 и 2, отличающаяся тем, что анод выполнен в виде кольца,5. Установка по пп,1 и 2, отличающаяся тем, что анод выполнен в виде электрически изолированного кольцевого участка стенки камеры, расположенного между сеткой и катодом.6. Установка по пп,1 и 2, отличающаяся тем, что анод выполнен в виде пластины, расположенной эксцентрично относительно оси симметрии разрядной полости камеры.7. Установка по пп.1- 6, отличающаяся тем, что перегородка выполнена в виде шев рана,8, Установка по пп.1- 6, отличающаяся тем, что перегородка выполнена в виде жалюзи.9. Установка по пп.1- 6, отличающаяся тем, что перегородка выполнена в виде двух поворотных створок. расположенных с взаимным перекрытием и смещенных одна относительно другой вдоль оси симметрии разрядной полости камеры,10, Установка по пп.1 - 6, отличающаяся тем, что перегородка выполнена в виде лепестковой диафрагмы, лепестки которой в зоне взаимного перекрытия расположены с зазором вдоль оси симметрии разрядной полости камеры.