СВЧ ИСТОЧНИК ИОНОВ С ЭЦР

Предлагаемая полезная модель принадлежит к разделу электрических газоразрядных и вакуумных электронных приборов, а именно к приборам с ионным пучком с использованием высокочастотного возбуждения, например, сверхвысокочастотного.
Известны СВЧ источники ионов с электронно-циклотронным резонансом (ЭЦР) на постоянных магнитах [1, 2] состоящие из плазменной камеры-резонатора, устройства введения в камеру СВЧ мощности, системы экстракции ионного пучка и магнитной системы из нескольких постоянных магнитов. Разряд инициируется фоновыми электронами при поступлении СВЧ мощности в резонатор в присутствие ЭЦР.
Однако недостатками данных устройств являются невысокий ионный ток и низкий КПД, обусловленные слабой степенью согласованности распределений электрической компоненты СВЧ поля и внешнего магнитного поля, что не позволяет в полной мере использовать объем плазменной камеры-резонатора для генерации ионов.
Известен также СВЧ источник ионов с ЭЦР [3], взятый за прототип. Данный источник включает в себя призматическую плазменную камеру-резонатор длиной 1, шириной Ь, высотой а, подсоединенные к ней устройства ввода СВЧ мощности, СВЧ генератор на основной моде, устройство напуска газа, экстрагирующие электроны и постоянные магниты, расположенные вокруг торцов плазменной камеры-резонатора.
СВЧ источник ионов с ЭЦР работает следующим образом. СВЧ мощность подается через устройство ввода от СВЧ генератора в плазменную камеру-резонатор. Электрическая компонента СВЧ поля ускоряет электроны, которые начинают осциллировать с частотой СВЧ поля и сдвигом импульса по фазе относительно СВЧ поля на π/2. Упругие и не упругие рассеяния электронов на частицах рабочего газа влекут за собой диссипацию энергии СВЧ поля и ионизацию рабочего газа. Внешнее магнитное поле увеличивает степень синхронизма осцилляций импульса электронов и СВЧ поля при сближении циклотронной и СВЧ частот, усиливая диссипацию энергии СВЧ поля. Это позволяет получать в плазменной камере-резонаторе практически полностью ионизованную плазму при относительно малой величине рассеиваемой мощности. Проникающий в камеру извлекающий потенциал системы экстракции ионного пучка извлекает из нее ионы.
Недостатком данного устройства является слабая степень согласованности между распределением электрической компоненты СВЧ поля и распределением внешнего магнитного поля, что приводит к избыточному нагреву электронов в одних областях плазменной камеры-резонатора и к недостаточному нагреву в других. В результате, электроны только небольшой части плазменной камеры-резонатора имеют оптимальный для ионообразования темп нагрева, что снижает ее КПД и величину экстрагируемого ионного тока.
-2
2
Технический результат предлагаемой полезной модели направлен на увеличение извлекаемого из СВЧ источника ионов с ЭЦР ионного тока и его КПД за счет усиления степени согласованности между распределениями электрической компоненты СВЧ поля и внешнего магнитного поля, посредством приведения распределения магнитного поля в двух горизонтальных измерениях к форме описываемой функцией sin, противоположной форме распределения квадрата напряженности электрической компоненты СВЧ поля описываемой функцией sin, причем точный ЭЦР должен достигаться на всех коллинеарных вектору напряженности СВЧ поля стенках резонатора.
1
1
1
1
2
2
2
2
3
2
1
1
2
2
1
3
2
Этот результат достигается тем, что в известном СВЧ источнике ионов с ЭЦР, состоящем из призматической плазменной камеры-резонатора 1 длиной l, шириной b, высотой а, СВЧ генератора на основной моде 2, устройства ввода СВЧ мощности 3, устройства напуска газа 4, экстрагирующих электродов 5 и постоянных магнитов, разделенных на три группы, при этом первая группа состоит из восьми основных постоянных магнитов, вторая группа состоит из четырех дополнительных постоянных магнитов, и третья группа состоит из четырех вспомогательных постоянных магнитов 6, причем, восемь основных постоянных магнитов расположены над торцевыми ребрами плазменной камеры-резонатора 1 под углом α к ее продольной оси и разделены на две подгруппы, первая подгруппа состоит из четырех основных постоянных магнитов 7, которые имеют длину l, высоту a, ширину b и расположены над горизонтальными ребрами плазменной камеры-резонатора 1, а вторая подгруппа состоит из четырех основных постоянных магнитов 8, которые имеют длину l, высоту a, ширину а и расположены над вертикальными ребрами плазменной камеры-резонатора 1, кроме этого, четыре дополнительных постоянных магнита разделены на две подгруппы, первая подгруппа состоит из двух дополнительных горизонтальных постоянных магнитов 9, которые имеют длину l, высоту а, ширину b и расположены по центру горизонтальных граней плазменной камеры-резонатора 5, а вторая подгруппа состоит из двух дополнительных вертикальных постоянных магнитов 10, которые имеют длину l, высоту а, ширину b и расположены по центру боковых граней плазменной камеры-резонатора 5, а четыре вспомогательных постоянных магнита 6 имеют длину l, высоту b, ширину а и расположены вблизи краев боковых стенок плазменной камеры-резонатора 5, причем параметры α, l, a, l, a, b, l, b, l, b, а определяются из следующих соотношений:
-2
Неравенства (1) регулируют максимальный и минимальный угол наклона основных постоянных магнитов к продольной оси плазменной камеры-резонатора, при котором достигается наилучшая согласованность между распределениями электрической компоненты СВЧ поля и внешнего магнитного поля. Нижний и верхний пределы являются условием, обеспечивающим форму sin распределения магнитного поля при выполнении ЭЦР на торцевых стенках резонатора.
-2
Неравенства (2) регулируют максимальный и минимальный пределы отношения длины основных постоянных магнитов к длине плазменной камеры-резонатора, при котором достигается наилучшая согласованность между распределениями электрической компоненты СВЧ поля и внешнего магнитного поля. Нижний и верхний пределы являются условием, обеспечивающим форму sin распределения магнитного поля при выполнении ЭЦР на торцевых стенках резонатора.
Неравенства (3) регулируют максимальный и минимальный пределы отношения высоты основных постоянных магнитов к высоте плазменной камеры-резонатора, при котором достигается наилучшая согласованность между распределениями электрической компоненты СВЧ поля и внешнего магнитного поля. Нижний и верхний пределы являются условием, обеспечивающим выполнение ЭЦР на торцевых стенках резонатора.
Неравенства (4) регулируют максимальный и минимальный пределы отношения длины дополнительных постоянных магнитов к длине плазменной камеры-резонатора, при котором достигается наилучшая согласованность между распределениями электрической компоненты СВЧ поля и' внешнего магнитного поля. Нижний предел является условием, обеспечивающим однородность вертикального распределения индукции магнитного поля. Верхний предел является условием, обеспечивающим отсутствие размагничивания дополнительных постоянных магнитов основными постоянными магнитами.
Неравенства (5) регулируют максимальный и минимальный пределы отношения высоты дополнительных постоянных магнитов, расположенных по центру горизонтальных граней плазменной камеры-резонатора, к высоте плазменной камеры-резонатора, при которых достигается наилучшая согласованность между распределениями электрической компоненты СВЧ поля и внешнего магнитного поля. Нижний и верхний пределы являются условием, обеспечивающим однородность вертикального распределения индукции магнитного поля.
-2
Неравенства (6) регулируют максимальный и минимальный пределы отношения высоты дополнительных постоянных магнитов, расположенных по центру боковых граней плазменной камеры-резонатора, к ширине плазменной камеры-резонатора, при которых достигается наилучшая согласованность между распределениями электрической компоненты СВЧ поля и внешнего магнитного поля. Нижний и верхний пределы являются условием, обеспечивающим форму sin распределения магнитного поля, при выполнении ЭЦР на боковых стенках резонатора.
-2
Неравенства (7) регулируют максимальный предел отношения длины вспомогательных постоянных магнитов к длине плазменной камеры-резонатора, при которых достигается наилучшая согласованность между распределениями электрической компоненты СВЧ поля и внешнего магнитного поля. Нижний и верхний пределы являются условием, обеспечивающим форму sin распределения магнитного поля.
-2
Неравенства (8) регулируют максимальный предел отношения высоты вспомогательных постоянных магнитов к их длине, при которых достигается наилучшая согласованность между распределениями электрической компоненты СВЧ поля и внешнего магнитного поля. Нижний и верхний пределы являются условием, обеспечивающим форму sin распределения магнитного поля.
1
1
2
2
1
3
2
-2
2
В проведенных расчетах распределения магнитного поля системы постоянных магнитов основными масштабирующими параметрами СВЧ источника ионов с ЭЦР являются длина 1, ширина b и высота a плазменной камеры-резонатора, чьи значения определяются из условия достижения резонанса на выбранной моде и частоте. Эти параметры посредством неравенств (2) и (3) определяют размеры а, l основных постоянных магнитов магнитной системы, чей угол наклона а определяется неравенством (1). Неравенства (4) - (6) связывают размеры l, b и а плазменной камеры-резонатора с размерами l, а, b дополнительных постоянных магнитов магнитной системы. Длина вспомогательных магнитов l связывается с длиной плазменной камеры-резонатора 1 посредством неравенства (7) и через неравенство (8) определяет высоту вспомогательных магнитов b. Все это в совокупности определяет согласованную систему из постоянных магнитов, что в соответствие с расчетами, позволяет добиться высокой степени согласованности между распределениями электрической компоненты СВЧ поля и внешнего магнитного поля, посредством приведения распределения магнитного поля в двух горизонтальных измерениях к форме sin, противоположной форме sin распределения квадрата напряженности электрической компоненты СВЧ поля, способной увеличить КПД СВЧ источника ионов с ЭЦР и величину извлекаемого из него ионного тока.
-2
Таким образом, технический результат достигается за счет конструкции системы постоянных магнитов, определяемой соотношениями (1) - (8), которые основаны на проведенном компьютерном моделировании распределения магнитного поля, имеющего форму sin.
1
1
2
2
1
3
2
Предлагаемое устройство поясняется Фиг. 1 и Фиг. 2, на которых представлен конкретный пример его исполнения и схема расположения элементов СВЧ источника ионов с ЭЦР, содержащая следующие позиции: 1 - плазменная камера-резонатор, внутри которой, при поступлении СВЧ мощности от генератора 2, через устройство ввода 3 и заполнении рабочим газом, поступающим через устройство напуска 4, инициируется СВЧ разряд, а ЭЦР обеспечивается тремя группами постоянных магнитов, включающих в себя восемь основных постоянных, магнитов, четыре дополнительных постоянных магнита и четыре вспомогательных постоянных магнита 6, причем основные магниты разделены на подгруппу из четырех основных постоянных магнитов 7, расположенных над горизонтальными ребрами плазменной камеры-резонатора 1 и подгруппу из четырех основных постоянных магнитов 8, расположенных над вертикальными ребрами плазменной камеры-резонатора 1, дополнительные постоянные магниты разделены на подгруппу из двух дополнительных горизонтальных постоянных магнитов 9 и подгруппу из двух дополнительных вертикальных постоянных магнитов 10, а вспомогательные постоянные магниты 6 расположены вблизи краев боковых стенок плазменной камеры-резонатора 1, и экстрагирующие электроды 5 формирует ионный пучок. Характерный размер предлагаемого устройства описывается следующим набором конкретных размеров l=83.5 мм, b=90 мм, а=45 мм, α=18°, l=50 мм, а=16 мм, l=40 мм, а=8 мм, b=12 мм, l=10 мм, b=5 мм.
-6
2
2
2
-2
-2
-2
-2
101
0
0
0
Устройство работает следующим образом. Рабочий объем плазменной камеры-резонатора 1 откачивается до давления не хуже 10 Торр, с помощью устройства напуска газа 4 в плазменную камеру-резонатор 1 поступает рабочий газ до достижения требуемого давления. СВЧ генератор 2, через устройство ввода 3, возбуждает плазменную камеру-резонатор 1 на основной моде Н, при которой распределение амплитуды напряженности электрического поля в горизонтальных измерениях имеет форму sin и однородно в вертикальном измерении. Ускоряясь электрическим полем электроны ионизуют рабочий газ, и инициируют СВЧ разряд. Интенсивность ионообразования в СВЧ разряде существенно зависит от темпа нагрева электронов, который в условиях ЭЦР пропорционален произведению квадрата локальной амплитуды электрической компоненты СВЧ поля, и коэффициента усиления диссипации энергии при ЭЦР Еγ. Максимальной интенсивности ионообразования соответствует единственное значение величины Еγ, поддерживающее среднюю энергию электронов на уровне 100-200 эВ. Во всем объеме плазменной камеры-резонатора 1 достигается однородное распределение величины Еγ на необходимом уровне, что обеспечивается согласованностью распределений электрической компоненты СВЧ поля и коэффициента γ, пропорционального близости индукции внешнего магнитного поля значению ЭЦР. Таким образом, распределение магнитного поля в объеме резонатора имеет форму sin в горизонтальных измерениях и однородно в вертикальном измерении. Стремящемуся к бесконечности значению функции sin на вертикальных гранях плазменной камеры-резонатора 1 отвечает точный ЭЦР. Основные постоянные магниты 7 и 8 задают уровень sin распределения магнитного поля и обеспечивают выполнение точного ЭЦР на торцевых стенках плазменной камеры-резонатора 1. Дополнительные горизонтальные постоянные магниты 9 обеспечивают однородное распределение магнитного поля по вертикальному измерению, а дополнительные вертикальные магниты 10 обеспечивают выполнение точного ЭЦР на боковых стенках плазменной камеры-резонатора 1. Вспомогательные постоянные магниты 6 поддерживают sinраспределение магнитного поля вблизи краев боковых стенок плазменной камеры-резонатора 1. Образующиеся в СВЧ разряде ионы извлекаются экстрагирующими электродами 6 и формируются в ионный пучок.
-2
2
Таким образом, предложенная полезная модель позволяет повысить величину извлекаемого из СВЧ источника ионов с ЭЦР ионного тока и его КПД за счет усиления степени согласованности между распределениями электрической компоненты СВЧ поля и внешнего магнитного поля, посредством приведения распределения магнитного поля в двух горизонтальных измерениях к форме sin, противоположной форме sin распределения квадрата напряженности электрической компоненты СВЧ поля, достигаемой организованной согласно неравенствам (1)-(8) магнитной системой постоянных магнитов, что дает возможность применять предлагаемый СВЧ источник ионов с ЭЦР для генерации нейтронных потоков, обработки поверхностей, нанесения покрытий, в качестве инжекторов ускорителей, плазмохимических реакторов.
Источники информации:
1. Патент KR №100782579 В1, 26.09.2006.
2. Патент CN №109786205 В, 30.01.2019.
3. Патент JP №2004281200 А, 14.03.2003.