УСТРОЙСТВО ДЛЯ ФОРМИРОВАНИЯ КВАЗИНЕЙТРАЛЬНОГО ПУЧКА ПРОТИВОПОЛОЖНО ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ
DEVICE FOR FORMING QUASI-NEUTRAL BEAM OF OPPOSITELY CHARGED PARTICLES

Изобретение относится к устройству для формирования квазинейтрального пучка противоположно заряженных частиц.
Такие устройства используются для плазменных реактивных двигателей (применяют на спутниках для корректировки траектории, на космических зондах, …), устройств для осаждения частиц на мишени (например, осаждение из паровой фазы; область микроэлектроники), устройств для травления мишени, устройств для обработки полимеров или устройств для активации целевой поверхности.
Обычно такое устройство содержит камеру, средство для ввода ионизируемого газа в камеру, средство ионизации газа для образования плазмы и средство для извлечения и ускорения заряженных частиц из плазмы в камере.
В области электроракетных двигателей существуют различные технологии гарантирования ускорения судна, обеспечиваемого генератором плазменного пучка, который в этом случае уподобляется плазменному реактивному двигателю.
Таким образом, для плазменного реактивного двигателя, плазма которого образована положительными ионами и электронами, можно извлечь из камеры и ускорить только положительные ионы и гарантировать электрическую нейтральность пучка положительных ионов после выхода из камеры путем ввода электронов из выпуска камеры.
Гарантирование электрической нейтральности пучка на выходе из камеры действительно необходимо для предотвращения того, чтобы космическое судно стало электрически заряженным, в частности, чтобы поток ионного пучка не ограничивался объемным зарядом.
Тем не менее, такой тип плазменных реактивных двигателей имеет недостаток, который заключается в применении вспомогательного источника электронов, чтобы гарантировать эту электрическую нейтральность, причем вспомогательный источник, в общем, приводит к снижению надежности.
Чтобы гарантировать эту электрическую нейтральность, увеличивая надежность (поэтому, действуя без вспомогательного источника электронов), можно рассмотреть несколько подходов.
Первый подход заключается в том, чтобы получить плазму, включающую в себя положительные ионы, отрицательные ионы и электроны, и отфильтровать эти электроны в камере, чтобы на выходе из камеры получить только квазиположительные и отрицательные ионы. Противоположно заряженные частицы пучка, таким образом, образованы положительными ионами и отрицательными ионами.
Второй подход заключается в том, чтобы получить плазму, включающую в себя положительные ионы и электроны, и предоставить средство для извлечения и ускорения положительных ионов и электронов на выходе камеры, чтобы гарантировать эту электрическую нейтральность. Заряженные частицы пучка, таким образом, образованы положительными ионами и электронами.
Решения, соответствующие первому описанному выше подходу, предложены в документах WO 2007/065915, WO 2010/060887, а также в WO 2012/042143.
Во всех этих решениях применяют электроотрицательный ионизируемый газ, способный генерировать положительные, отрицательные ионы и электроны, а также средство отфильтровывания электронов для получения на выходе камеры только или практически только положительные и отрицательные ионы.
В документе WO 2007/065915 две сетки 3, 4 в контакте с плазмой используют в качестве средств извлечения и ускорения, которые расположены на выходе камеры в одной плоскости (одна сверху, а другая снизу), при этом одна из них отрицательно смещена, а другая положительно смещена.
+
-
-
На фиг. 1 приведена схема устройства, предложенного в WO 2007/065915. На этой фигуре камера 1 содержит плазму с положительными ионами А, отрицательными ионами А и электронами е. Средство для отфильтровывания электронов обозначено через 2.
Тем самым, достигают извлечения и одновременного ускорения положительных и отрицательных ионов, гарантируя электрическую нейтральность ионного пучка после выхода из камеры.
Тем не менее, это решение нужно аккуратно применять из-за наличия сеток с противоположным смещением. Действительно, наличие этих сеток с противоположным смещением может предполагать значительное искривление пучков, исходящих от каждой сетки.
В документе WO 2010/060887 предложено усовершенствованное решение по сравнению с решением из документа WO 2007/065915, для которого вместо одного газа, как в WO 2007/065915, используют два различных газа. Один из этих газов является электроотрицательным, а другой может быть либо электроположительным, либо электроотрицательным.
В документе WO 2012/042143 предложено применять сетку 5 для извлечения и ускорения, питаемую попеременно положительным и отрицательным напряжением от источника 6 напряжения. С этой сеткой 5 связана другая сетка 7, которая соединена с землей 8.
+
Когда на сетку 5 подают положительный потенциал, потенциал плазмы становится положительным, и положительные ионы А соответственно ускоряются по направлению к другой сетке 7, которая соединена с землей. Действительно, в этих условиях на сетках 5, 7 образуется область положительного пространственного заряда, которая допускает ускорение положительных ионов. Область пространственного заряда представляет собой пространство, которое образовано между каждой из сеток 5, 7 и плазмой, в котором плотность положительных ионов отличается от плотности отрицательных ионов. В этих условиях извлечение и ускорение отрицательных ионов блокируется.
-
Затем, когда на сетку 5 подают отрицательный потенциал, потенциал плазмы становится отрицательным, и отрицательные ионы А ускоряются по направлению к другой сетке 7. Более конкретно, после подачи положительного потенциала на сетку 5 область положительного объемного заряда быстро исчезает (примерно за 1 микросекунду), и под действием отрицательного смещения этой сетки 5 образуется область отрицательного объемного заряда. В этих условиях извлечение и ускорение положительных ионов блокируется.
В зависимости от смещения сетки 5, таким образом, можно ускорять и извлекать либо положительные ионы, либо отрицательные ионы.
2
2
Схема устройства, предложенного в документе WO 2012/042143, показана на фиг. 2(a). Электроотрицательный газ обозначен через А, а средство для отфильтровывания электронов позицией 2. RF' обозначает здесь средство, которое позволяет генерировать плазму из электроотрицательного газа А, введенного в камеру 1. Это источник знакопеременной волны магнитного поля, излучающий в области радиочастот.
+
-
Здесь отсутствует недостаток наличия двух противоположно смещенных сеток, как в документах WO 2007/065915 и WO 2010/060887. Тем не менее, положительные ионы А и отрицательные ионы А извлекаются последовательно, предложена оптимизация формы сигнала напряжения, генерируемого источником 6 переменного напряжения, соединенным с сеткой 5, чтобы гарантировать в лучшем случае электрическую нейтральность ионного пучка на выходе из камеры. Этот источник 6 переменного напряжения может использовать измерения зонда S в выходном пучке и/или сигнал RF', используемый для генерации плазмы.
Этот оптимизированный сигнал показан на фиг. 2(b).
При оптимизированном сигнале получают хорошую электрическую нейтральность пучка на выходе камеры 1, но только в среднем.
Действительно, факт того, что последовательно извлекают положительные ионы, а затем отрицательные ионы и наоборот, не всегда дает возможность получать постоянно нейтральный пучок. Соответственно, потенциал реактивного двигателя меняется с течением времени в зависимости от формы сигнала, показанного на фиг. 2(b).
Более того, следует отметить, что все устройства извлечения ионов, а также использование электроотрицательного газа, который в общем является очень химически активным (наличие фтора, хлора и т.д.), ограничивает срок службы устройства.
Более того, решения, предложенные в документах WO 2007/065915 (фиг. 1), WO 2010/060887 и на фиг. 2(a) и 2(b) (WO 2012/042143), ограничены по ионно-ионному извлечению, и не позволяют рассчитывать на ионно-электронное извлечение.
Другое решение, соответствующее второму подходу, описанному выше, предложено в статье S.V. Dudin & D.V. Rafalskyi "On the simultaneous extraction of positive ions and electrons from single-grid ICP source", A letters Journal Exploring the frontiers of Physics, EPL, 88(2009)55002, pp. 1-4.
Это решение состоит в применении электрода 9 во внутренней части камеры 1 (то есть в плазме), причем электрод 9 запитывается от источника 10 радиочастотного напряжения (RF; источник знакопеременного напряжения с частотой из диапазона радиочастот) через конденсатор 11; и в связи его с сеткой 7'', расположенной на выходе камеры 1, контактирующей с плазмой и соединенной с землей 8.
Обратимся теперь к фиг. 3, на которой приведена схема устройства. На этой фиг. 3 RF' обозначает радиочастотный источник (например, одну или несколько катушек индуктивности) для ионизации газа и, таким образом, образования плазмы, включающей положительные ионы и электроны. Средство 12 представляет собой камеру в вакууме, в которой установлены средства, дающие возможность характеризовать ионный пучок, исходящий из камеры 1, которые не вовлечены в извлечение и ускорение ионов.
Устройство работает следующим образом.
Электрод 9 специально имеет явно большую площадь поверхности, чем сетка 7'', расположенная на выходе камеры 1 и соединенная с землей 8.
В общем подача радиочастотного напряжения на электрод, имеющий большую площадь поверхности, чем у сетки 7'', приводит к созданию на границе раздела между электродом 9 и плазмой, с одной стороны, и на границе между сеткой 7'' и плазмой, с другой стороны, дополнительной разности потенциалов, которая добавляется к радиочастотной разности потенциалов. Эта суммарная разность потенциалов распределена по области объемного заряда. Здесь область объемного заряда представляет собой пространство, образованное между сеткой 7'' или электродом 9, с одной стороны, и плазмой, с другой стороны, в которой плотность положительных ионов больше, чем плотность электронов. Эта область объемного заряда имеет изменяющуюся толщину из-за радиочастотного сигнала, подаваемого на электрод.
На практике, однако, основная часть эффекта подачи радиочастотного сигнала на электрод 9 находится в области объемного заряда сетки 7'' (систему электрод-сетка можно рассматривать как конденсатор с двумя асимметричными стенками, в этом случае разность потенциалов действует на участке, имеющем наименьшую емкость, и, следовательно, наименьшую поверхность).
При наличии конденсатора 11, подключенного последовательно с радиочастотным источником 10, при подаче радиочастотного сигнала происходит преобразование радиочастотного напряжения в постоянное напряжение DC из-за заряда конденсатора 11, в основном на области объемного заряда сетки 7''.
Это постоянное DC напряжение в области объемного заряда сетки 7'' предполагает, что положительные ионы постоянно ускоряются. Эта разность DC потенциалов приводит к созданию положительного потенциала плазмы. Соответственно, положительные ионы плазмы постоянно ускоряются в сторону сетки 7'' (на землю) и извлекаются из камеры 1 с помощью этой сетки 7''. Энергия положительных ионов соответствует этой разности DC потенциалов (средняя энергия).
Изменение радиочастотного напряжения 10 дает возможность изменения разности RF+DC потенциалов между плазмой и сеткой 7''. Для области объемного заряда сетки 7'' это выражается во временной зависимости изменения толщины области объемного заряда. Если толщина становится меньше критического значения, что происходит в ходе течения времени с регулярными интервалами, задаваемыми частотой радиочастотного сигнала, разность потенциалов между сеткой и плазмой достигает нулевого значения (таким образом, потенциал плазмы достигает нулевого значения, при этом сетка заземлена), что дает возможность извлечения электронов.
На практике потенциал плазмы, ниже которого электроны могут быть ускорены и извлечены (= критический потенциал) определяется законом Чайлда, который связывает этот критический потенциал с критической толщиной области объемного заряда, ниже которой эта область объемного заряда исчезает (коллапс области объемного заряда).
Пока потенциал плазмы меньше критического потенциала, имеет место ускорение и одновременное извлечение электронов и ионов.
Хотя извлечение электронов возможно только в течение определенного промежутка времени в течение периода радиочастотного сигнала, подаваемого на электрод 9, в этой статье показана возможность полной компенсации положительного заряда ионов и, таким образом, хорошей электрической нейтральности пучка на выходе из плазменной камеры.
Более того, квази одновременное ускорение и извлечение положительных ионов и электронов получают в течение периода радиочастотного сигнала, в отличие от решения, предложенного в документе WO 2012/042143, либо ионно-ионное извлечение, либо ионно-электронное извлечение.
Поэтому, технология, предложенная в этой статье, существенно отличается от предложенных в документах WO 2007/065915, WO 2010/060887 и WO 2012/042143 (а именно, показанных на фиг. 3, для ионно-электронного извлечения), путем применения одной сетки (заземленной) в контакте с плазмой и конденсатора 11, подключенного последовательно с источником 10 радиочастотного напряжения конденсатор обеспечивает постоянную составляющую в разности потенциалов области объемного заряда.
Недостаток этой технологии заключается в том, что имеют место большие потери ускоренных положительных ионов, т.е. положительных ионов, ускоренных до высокой энергии, но которые не проходят через отверстия сетки. Это приводит к более быстрому износу сетки и, соответственно, ограничивает срок службы этой сетки. В случае применения в плазменном реактивном двигателе (спутника, космического зонда, …) этот недостаток может стать критическим. На практике, чтобы ограничить этот недостаток, следует использовать ионы, энергия которых меньше 300 эВ.
Более того, эта технология может не работать для ионно-ионного извлечения и ускорения.
Задача изобретения заключается в том, чтобы предложить устройство для формирования пучка положительных ионов и электронов, обладающего хорошей электрической нейтральностью и повышенной эффективностью извлечения по сравнению с известными устройствами.
Повышение эффективности, в частности, выражается сроком службы устройства, который может быть увеличен для заданной энергии извлечения.
Другая задача изобретения заключается в том, чтобы предложить такое устройство, способное также извлекать ионы с более высокой энергией по сравнению с известными устройствами.
Для решения по меньшей мере одной из этих задач, в изобретении предложено устройство для формирования квазинейтрального пучка ионов и электронов, содержащее:
- камеру,
- набор средств для формирования ионно-электронной плазмы в этой камере;
- средство для извлечения и ускорения заряженных частиц плазмы из камеры, способное формировать упомянутый пучок, причем упомянутое средство извлечения и ускорения содержит набор по меньшей мере из двух сеток, расположенных на одном конце камеры;
- радиочастотный источник переменного напряжения, приспособленный для генерации сигнала, радиочастота которого содержится между плазменной частотой ионов и плазменной частотой электронов, причем упомянутый радиочастотный источник напряжения расположен последовательно с конденсатором и через один из своих выходов и через этот конденсатор соединен по меньшей мере с одной из сеток, на которых установлен либо опорный потенциал, либо соединенных с другим выходом радиочастотного источника напряжения.
Это устройство также может содержать следующие признаки, взятые по-отдельности или в сочетании:
- набор средств для формирования ионно-электронной плазмы содержит одну или несколько катушек индуктивности, питаемых от радиочастотного источника переменного напряжения;
- радиочастотный источник напряжения, питающий упомянутую или каждую из катушек, представляет собой тот же радиочастотный источник напряжения, подключенный последовательно с конденсатором, который соединен по меньшей мере с одной из двух сеток, при этом устройство также содержит средство для управления сигналом, выдаваемым упомянутым источником на упомянутую или каждую катушку, с одной стороны, и по меньшей мере на одну сетку, с другой стороны;
- набор средств для формирования ионно-электронной плазмы в камере содержит резервуар, включающий в себя по меньшей мере один электроположительный газ;
- сетки имеют круглые отверстия, диаметр которых принимает значение от 0,5 мм до 10 мм, например, от 1 мм до 2 мм;
- расстояние между сетками принимает значение от 0,5 мм до 10 мм, например, от 1 мм до 2 мм;
- сетки имеют отверстия в виде щелей;
- электронейтральность пучка ионов и электронов по меньшей мере частично получают путем регулировки периода прикладывания положительного и/или отрицательного потенциала от радиочастотного источника переменного напряжения;
- электронейтральность пучка ионов и электронов по меньшей мере частично получают путем регулировки амплитуды положительного и/или отрицательного потенциала от радиочастотного источника переменного напряжения;
- радиочастотный источник переменного напряжения выполнен так, чтобы давать прямоугольный сигнал;
- радиочастотный источник переменного напряжения выполнен так, чтобы давать синусоидальный сигнал.
Более широкая цель изобретения заключается в том, чтобы получить устройство, которое также допускает извлечение и ускорение отрицательных ионов и положительных ионов, гарантируя при этом хорошую электрическую нейтральность пучка.
Чтобы достичь этой цели, в изобретении также предложено устройство для формирования квазинейтрального пучка противоположно заряженных частиц, содержащее:
- устройство для формирования квазинейтрального пучка ионов и электронов в соответствии с изобретением;
- набор средств для формирования ионно-ионной плазмы в камере, причем упомянутый набор включает в себя средство для отфильтровывания электронов;
- так называемый низкочастотный источник переменного напряжения, который приспособлен для генерации сигнала, радиочастота которого меньше или равна плазменной частоте ионов;
- средство, способное соединять одну из сеток либо с низкочастотным источником напряжения при активации средства для отфильтровывания электронов, чтобы сформировать ионно-ионный пучок, либо с радиочастотным источником напряжения, выполненным последовательно с конденсатором, отключая при этом средство для отфильтровывания электронов, чтобы сформировать ионно-электронный пучок.
Устройство для формирования квазинейтрального пучка противоположно заряженных частиц также может содержать следующие признаки, взятые по-отдельности или в сочетании:
- электронейтральность ионно-ионного пучка получают по меньшей мере частично путем регулировки периода прикладывания положительного и/или отрицательного потенциала от низкочастотного источника переменного напряжения;
- электронейтральность ионно-ионного пучка получают по меньшей мере частично путем регулировки амплитуды положительного и/или отрицательного потенциала от низкочастотного источника переменного напряжения;
- низкочастотный источник переменного напряжения выполнен так, чтобы давать прямоугольный сигнал;
- набор средств для формирования ионно-ионной плазмы в камере содержит резервуар, включающий в себя по меньшей мере один электроотрицательный газ.
2
4
4
6
2
2
2
Наконец, следует отметить, что газы, которые можно использовать, можно выбирать в соответствии с их электроположительностью или электроотрицательностью из следующий: аргон (Ar), гидразин (NH), ксенон (Xe), тетрафторметан (CF), элегаз (SF), молекулярный йод (I), молекулярный азот (N) или молекулярный водород (Н).
Изобретение будет более понятным, и другие его цели, преимущества и признаки станут более ясными после прочтения последующего описания, которое приведено со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:
- на фиг. 4 приведена схема первого варианта осуществления изобретения, с помощью которого можно извлечь и ускорить положительные ионы и электроны;
- на фиг. 5 приведена эквивалентная электрическая схема устройства, показанного на фиг. 4;
- на фиг. 6 показан радиочастотный сигнал напряжения, который может подаваться на сетку устройства, показанного на фиг. 4, через конденсатор, подключенный последовательно с радиочастотным источником, причем этот сигнал напряжения по существу соответствует плазменному потенциалу;
- на фиг. 7 приведен альтернативный вариант осуществления устройства, показанного на фиг. 4;
- на фиг. 8 приведен другой альтернативный вариант осуществления устройства, показанного на фиг. 4;
- на фиг. 9 приведена схема второго варианта осуществления изобретения, с помощью которого можно извлечь и ускорить положительные ионы и отрицательные ионы, либо положительные ионы и электроны;
- на фиг. 10 приведена схема испытательного стенда, дающего возможность испытать устройство в соответствии с изобретением, соответствующее фиг. 4;
- на фиг. 10(a)-10(c) показано несколько результатов измерений, полученных на испытательном стенде, приведенном на фиг. 10, для случая ионов-электронов;
- на фиг. 11 приведены результаты измерений, полученные для устройства, соответствующего фиг. 9, с помощью измерительного средства, показанного на фиг. 10.
Первый вариант осуществления изобретения описан ниже со ссылкой на фиг. 4.
Устройство 100 содержит камеру 20, в которую можно ввести газ, например, хранящийся в резервуаре 31, который может формировать плазму, включающую в себя ионы и электроны, это введение газа выполняют с помощью средства 30, такого как канал, соединенный с резервуаром 31, для ввода газа в камеру 20. Оно также содержит средства 40, 58 ионизации газа для образования плазмы. Например, средство 40 может быть образовано катушками индуктивности, питаемыми от радиочастотного источника 58. В качестве альтернативы, можно предусмотреть другие средства 40, 58, известные специалистам в данной области техники, т.е. в качестве неограничивающих примеров, источник 58 микроволн с резонатором 40 или также источник 58 постоянного тока с электродами.
Наконец, устройство 100 содержит средство 50 для извлечения и ускорения положительных ионов и электронов из камеры 20. Это извлечение/ускорение дает возможность формирования на выходе из камеры пучка 60.
Средство 50 извлечения и ускорения содержит набор по меньшей мере из двух сеток 51, 54, расположенных на конце камеры 20. Первая сетка 51 через конденсатор соединена с источником переменного напряжения, частота которого находится в диапазоне радиочастот, обозначенным в дальнейшем как радиочастотный RP-источник 52. Конденсатор 53 последовательно соединен с радиочастотным RF-источником 52. На вторую сетку 54 подают опорный потенциал 55, например, ее заземляют.
На практике, для определенных приложений опорный потенциал может быть землей. Тем не менее, для других приложений, например, для космоса, опорный потенциал может быть потенциалом соответствующего спутника или зонда.
В последующем описании, касающемся этого первого варианта осуществления, под опорным потенциалом будем понимать землю, если не указано иное.
RF
pl
RF
ре
RF-источник 52 настраивается для получения угловой частоты ω, такой что ω≤ω≤ω, где  - электронная плазменная частота, а  - ионная плазменная частота;
при этом:
0
e - заряд электрона,
0
ε - диэлектрическая проницаемость вакуума,
p
n - плотность плазмы,
i
m - масса иона, и
e
m - масса электрона.
pl
ре
i
e
Следует отметить, что ω<<ω, так как m>>m.
В общем, частота сигнала, выдаваемого RF-источником 52, может принимать значения от нескольких МГц до нескольких сотен МГц в зависимости от газа, используемого для формирования плазмы в камере 20, так чтобы ее значение содержалось между ионной плазменной частотой и электронной плазменной частотой.
Устройство в соответствии с изобретением, показанное на фиг. 4, упрощенно можно соотнести с эквивалентной схемой на фиг. 5.
На этой схеме виден RF-источник 52, конденсатор 53, соединенный последовательно с этим источником, и земля 55.
Ссылочная позиция Р обозначает плазму.
int
C обозначает емкость между обеими сетками 51, 54.
Блок В1 представляет эффект области объемного заряда, образованной между плазмой и первой сеткой 51, который можно представить диодом , подключенным параллельно емкости . Блок В2 представляет эффект области объемного заряда, образованной между плазмой и второй сеткой 54, который можно представить диодом , подключенным параллельно емкости .
e
i
e
i
RF
pi
RF
pe
Наличие функции диода для каждого блока В1 или В2 связано с тем фактом, что ионы могут следовать не за мгновенным изменением электрического поля между сетками, вызванным радиочастотным изменением сигнала от радиочастотного источника 52, а только за средним значением этого поля, в то время как электроны могут следовать за мгновенным изменением этого электрического поля. Это следует из того факта, что масса электронов (m) намного меньше массы (m) положительных ионов (m<<m), а частота сигнала, выдаваемого источником 52 (радиочастота; угловая частота ω) выбирается так, чтобы ее значение было между ионной плазменной частотой и электронной плазменной частотой, т.е. ω≤ω≤ω.
RF
Следовательно, когда RF напряжение (V) подается от источника 52, конденсатор 53 заряжается.
RF
Этот заряд конденсатора 53 создает постоянное напряжение на клеммах конденсатора. Наконец, получают напряжение V+DC на контактах системы, образованной RF-источником 52, соединенным последовательно с конденсатором (фиг. 5).
RF
RF
Тогда, постоянная часть DC напряжения V+DC дает возможность задать электрическое поле между сетками 51, 54, при этом среднее значение отдельного сигнала V равно нулю. Поэтому, это значение DC дает возможность непрерывного извлечения и ускорения положительных ионов через обе сетки 51, 54.
Более того, емкости  и  существенно отличаются из-за расположения сеток 51, 54 в устройстве. Действительно, с точки зрения положительных ионов или электронов, присутствующих в плазме, вторая сетка 54, расположенная после первой сетки 51 относительно направления распространения пучка 60, имеет эффективную площадь поверхности  намного меньше, чем эффективная площадь поверхности  первой сетки 51, так как вторая сетка 54 видна для плазмы только через отверстия первой сетки 51, т.е. . Это выражается неравенством  даже для идентичных сеток 51, 54. Поэтому, на практике система из обеих сеток 51, 54 дает возможность формирования конденсатора с асимметричными поверхностями.
RF
RF
Следовательно, если от источника 52 подается RF-напряжение (V), напряжение V+DC на контактах системы, образованной RF-источником 52, соединенным последовательно с конденсатором 53, выражается следующим образом , так как , где  обозначает разность потенциалов в области объемного заряда, образованной между плазмой и первой сеткой 51, а  обозначает разность потенциалов в области объемного заряда, образованной между плазмой и второй сеткой 54.
RF
Первая сетка 51, на которую подают радиочастотный сигнал 52 через конденсатор 53, находится в контакте с плазмой и взаимодействует с ней. Плазменный потенциал соответствует потенциалу, подаваемому на первую сетку 51, т.е. V+DC.
CR
Что касается второй сетки 54, заземленной 55, она также находится в контакте с плазмой, но только в течение коротких интервалов времени, во время которых электроны извлекают одновременно с положительными ионами, т.е. когда  меньше порогового значения ϕ, ниже которого область объемного заряда исчезает (коллапс области объемного заряда).
CR
Пороговое значение ϕ задает закон Чайлда. Этот закон выражается следующим образом:
, где
s - толщина области объемного заряда, при которой она становится меньше размера отверстий сетки;
0
ε - диэлектрическая проницаемость вакуума;
0
e - заряд электрона;
i
m - масса иона; и
i
j - плотность тока ионов.
Работа устройства 100 показана на фиг. 6.
На фиг. 6 представлен пример развития плазменного потенциала с течением времени при подаче радиочастотного напряжения 52 через конденсатор 53 на первую сетку 51.
Пунктирная линия обозначает постоянную DC составленную, в данном случае 550 В, которая связана с наличием конденсатора 53. Эта составляющая определяет энергию положительных ионов, присутствующих в плазме, которые постоянно извлекаются и ускоряются посредством обеих сеток 51, 54.
Однако плазменный потенциал изменяется между экстремальными значениями (+1050 В; 50 В) относительно постоянной составляющей (в данном случае 550 В) из-за подаваемого источником 52 радиочастотного сигнала.
Когда плазменный потенциал достигает значения критического потенциала, при котором область объемного заряда исчезает, электроны извлекаются и ускоряются через сетки 51, 54 с положительными ионами.
CR
В данном случае ϕ≅200 В.
2
Это можно получить с помощью идентичных сеток 51, 54, у которых круглые отверстия имеют диаметр 1,5 мм (что дает возможность определить значение s в (1)), расстояние между сетками сравнимо с диаметром отверстия сетки. Используемый газ - аргон. Плотность тока ионов, связанная с этими отверстиями и с газом, составляет 5 мА/см.
pi
RF
pe
На этой фигуре отмечено, что плазменная частота равна 13,56 МГц, чтобы гарантировать, что ω≤ω≤ω.
Электрическую нейтральность пучка 60 на выходе из камеры 20 получают путем извлечения электронов через обе сетки 51, 54, когда область объемного заряда, присутствующая на первой сетке 51, исчезает.
За пределами примера, связанного с фиг. 6, следует отметить, что размеры сеток 51, 54 будут зависеть от используемого газа, от плотности тока ионов, которую хотят получить, в соответствии с законом Чайлда.
В общем, будут использоваться идентичные сетки 51, 54. В каждой сетке 51, 54 могут быть круглые отверстия, диаметр которых лежит от 1 мм до 2 мм. Тогда, расстояние между сетками 51, 54 находится в том же диапазоне значений, что и диаметр отверстий.
Как вариант, каждая сетка 51, 54 может иметь щелевые отверстия.
Следует отметить несколько различий между вариантами осуществления изобретения (фиг. 4 и 5) по сравнению с вышеупомянутой публикацией (фиг. 3), как в конструкции, так и в функционировании.
В отличие от вышеупомянутой публикации (фиг. 3), большую часть времени имеет место взаимодействие с плазмой и образование области объемного заряда с переменной толщиной, не связанное с сеткой 54, которая соединена с землей 55.
По конструкции устройство 100, соответствующее изобретению, отличается от устройства, предложенного в работе С.В. Дудина и Д.В. Рафальского, тем, что в нем применяется средство для извлечения и ускорения положительных ионов и электронов, основанное не на одной сетке, а на двух сетках 51, 54, расположенных на выходе из камеры, взаимодействующих с электродом во внутренней части камеры.
По функционированию, использование двух сеток 51, 54 на выходе из камеры изменяет операцию извлечения и ускорения по сравнению с вышеупомянутой публикацией (см. фиг. 3).
Действительно, если на первой сетке 51 образована область объемного заряда, толщина которой изменяется в зависимости от плазменного потенциала, то разность потенциалов с плазмой в области объемного заряда низкая, потому что плазменный потенциал следует за потенциалом, прикладываемым к первой сетке 51.
Таким образом, постоянная разность потенциалов DC имеет место между сетками 51, 54, но не на сетке, соединенной с землей, как в случае вышеупомянутой публикации. Ускорение положительных ионов происходит из-за этой разности потенциалов DC и имеет место между сетками 51, 54.
Соответственно, траектория положительных ионов является более управляемой, и намного меньше положительных ионов будут падать на первую сетку 51 Эти положительные ионы больше не будут падать на стенку второй сетки 54, которая является видимой для этих ионов только через отверстия первой сетки 51.
Более того, когда область объемного заряда исчезает (плазменный потенциал меньше или равен критическому потенциалу), электроны направляются через отверстия первой сетки 51, и они не стремятся удариться в стенку второй сетки 54, которая для электронов видна только через отверстия первой сетки 51. Поэтому, траектория электронов является хорошо управляемой.
Поэтому, можно предложить устройство, обладающее увеличенным сроком службы, или применяющее положительные ионы с большей энергией, чем в вышеупомянутой публикации (фиг. 3).
Функционирование средства извлечения и ускорения, образованного группой из по меньшей мере двух сеток 51, 54, в соответствии с изобретением, также отличается от средства с двумя сетками 5', 7', предложенного в документе WO 2012/042143 (фиг. 3; извлекаются положительные ионы-электроны).
Действительно, переменный сигнал, подаваемый на сетку 5', центрирован в нуле (при отсутствии конденсатора). Поэтому отсутствует постоянная составляющая DC в устройстве между сетками 5', 7', для которых разность потенциалов связана только с изменением переменного сигнала, подаваемого на сетку 5'. В документе WO 2012/042143 невозможно постоянное извлечение положительных ионов, а только последовательное извлечение положительных и ионов электронов.
На фиг. 7 показан альтернативный вариант осуществления устройства 100, показанного на фиг. 4, в котором не применяют радиочастотный источник 52. В этом случае радиочастотный источник 58', используемый для активации средства 40, например, катушек индуктивности, также применяют для питания сетки 51. Тогда, должно быть средство 59 для управления сигналом, подаваемым упомянутым источником на средство 40, например, одна или несколько катушек индуктивности, и на сетку 51. Эта конструкция может быть интересна для космических приложений, так как сокращает риски отказа всего устройства 100.
На фиг. 4, 5 и 7 показан случай, когда сетка 51 соединена с радиочастотным источником 52 (фиг. 4 и 5), 58' (фиг. 7) последовательно с конденсатором 53, а на другой сетке 54 задан опорный потенциал, например, земля. В этом случае на одном из выходов радиочастотного источника 52 (или 58' на фиг. 7) задан опорный потенциал, например, земля. Чтобы гарантировать работу устройства, тем не менее, не очень важно знать, какой выход радиочастотного источника 52 с какой сеткой 51, 54 соединен. Другими словами, на сетке 51 может быть установлен опорный потенциал, а другая сетка 54 может быть соединена с радиочастотным источником 52 (фиг. 4 и 5) или 58' (фиг. 7) последовательно с конденсатором 53.
На фиг. 8 приведен другой альтернативный вариант осуществления устройства 100, показанного на фиг. 4.
В этой альтернативе радиочастотный источник 52 соединен с обеими сетками 51, 54. Более конкретно, радиочастотный источник 52 расположен последовательно с конденсатором 53 и соединен одним из своих выходов через конденсатор 53 с одной 51 из двух сеток 51, 54. Другими словами, один из выходов радиочастотного источника 52 соединен с конденсатором 53, а последний сам соединен с одной 51 из двух сеток 51, 54. Что касается другого выхода радиочастотного источника 52, то он соединен с другой 54 сеткой из двух сеток 51, 54. На фиг. 8 сетка 51 соединена с конденсатором 53, но также может быть соединена с конденсатором 53 сетка 54, а сетка 51 - с выходом радиочастотного источника 52, который не соединен с конденсатором 53.
Кроме того, следует отметить, что такая альтернатива может быть выполнена для устройства 100, показанного на фиг. 7. В этом случае радиочастотный источник 58' соединен с обеими сетками 51, 54 в соответствии с описанием, приведенным в предыдущих абзацах.
Поэтому, в этой альтернативе не предполагается какого-либо опорного потенциала.
В космической отрасли такое соединение гарантирует отсутствие паразитных токов, циркулирующих между внешними проводящими участками спутника или космического зонда и, строго говоря, устройством для извлечения противоположно заряженных частиц.
Наконец, сигнал, подаваемый на соответствующую сетку, может представлять собой сигнал, по меньшей мере частично получаемый путем настройки периода подачи положительного и/или отрицательного потенциала, исходящего от радиочастотного источника переменного напряжения 52, 58', и это - для повышения электрической нейтральности ионно-электронного пучка. В качестве альтернативы или в дополнение, сигнал, подаваемый на соответствующую сетку, может представлять собой сигнал, по меньшей мере частично полученный путем настройки амплитуды положительного и/или отрицательного потенциала, исходящего от радиочастотного источника переменного напряжения 52, 58', и это - для повышения электрической нейтральности ионно-электронного пучка.
Это может быть сигнал произвольной формы, например, прямоугольный сигнал.
В частности, это может быть прямоугольный сигнал, как показанный на фиг. 2(b), т.е. прямоугольный сигнал, образованный последовательностью положительных (b'+) и отрицательных (b'-) прямоугольных импульсов с переменной амплитудой (а') и длительностью (d'). Таким образом, выполняют настройку периода подачи положительного и отрицательного потенциалов, а также амплитуды этих потенциалов.
Как вариант, это может быть волновой сигнал.
Далее описан второй вариант осуществления со ссылкой на фиг. 9. В этом втором варианте осуществления могут применяться два режима работы, один, дающий возможность формирования квазинейтрального пучка ионов и электронов в качестве противоположно заряженных частиц, другой, дающий возможность формирования квазинейтрального пучка положительных ионов и отрицательных ионов в качестве противоположно заряженных частиц, или ионно-ионного пучка.
Устройство 100' содержит набор средств, применяемых в устройстве 100 в соответствии с первым вариантом осуществления.
Тем не менее, устройство 100' также содержит набор средств 32, 30, 40, 58, 80 для формирования ионно-ионной плазмы в камере 20.
По сравнению со средствами, содержащимися в устройстве 100, для формирования ионно-электронной плазмы, средства 32, 30, 40, 58, 80, в частности, содержат резервуар 32, включающий по меньшей мере один электроотрицательный ионизируемый газ, способный генерировать положительные и отрицательные ионы, а также электроны, и средство 80 фильтрования электронов, производимых этим электроотрицательным газом. Средство 80 предпочтительно создает постоянное магнитное поле Н, направленное в поперечном направлении относительно направления смещения ионов и электронов в камере 20.
Устройство 100' также содержит так называемый низкочастотный источник 56 переменного напряжения, который можно соединять с первой сеткой 51 через управляемое средство 57, так чтобы она была соединена либо с радиочастотным источником 52, либо с низкочастотным источником 56. Под низкочастотным источником 56 понимается источник, излучающий с частотой меньше или равной ионной плазменной частоте. Следует отметить, что средство 57 также дает возможность активировать или деактивировать средства 80 фильтрования.
Сигнал от этого низкочастотного источника 56 переменного напряжения для управления электрической нейтральностью ионно-ионного пучка, по меньшей мере частично, может быть получен путем регулировки периода подачи положительного и/или отрицательного потенциала от этого источника. В качестве альтернативы или в дополнение, сигнал от этого низкочастотного источника 56 переменного напряжения, по меньшей мере частично, может быть получен путем регулировки амплитуды положительного и/или отрицательного потенциалов от этого источника, чтобы улучшить электрическую нейтральность ионно-ионного пучка.
В частности, это может быть прямоугольный сигнал, как показанный на фиг. 2(b), т.е. прямоугольный сигнал, образованный последовательностью положительных b'+ и отрицательных b'-прямоугольных импульсов с переменной амплитудой а' и периодом d'. Таким образом, выполняется настройка периода подачи положительного и отрицательного потенциалов, и амплитуды этих потенциалов.
В общем можно предусмотреть прямоугольный сигнал.
Поэтому, устройство 100' имеет два рабочих режима.
В первом рабочем режиме средство 57 установлено на радиочастотном источнике 52, последовательно с конденсатором 53. Газ, способный генерировать плазму, включающую в себя положительные ионы и электроны, вводят в камеру 20 из резервуара 31 через канал 30. Магнитное средство 80 фильтрования электронов отключено с помощью средства 57, также управляют включением и отключением этого средства 80 фильтрования. Функционирование устройства 100' идентично функционированию устройства, описанного для первого варианта осуществления (устройства 100) для извлечения положительных ионов и электронов.
Во втором рабочем режиме средство 57 установлено на низкочастотный LF источник 56 и также дает возможность включения средства 80 фильтрования. Низкочастотный источник 56 излучает сигнал, значение которого последовательно является положительным и отрицательным с частотой меньшей или равной ионной плазменной частоте, чтобы последовательно извлекать положительные ионы и отрицательные ионы. Необходимо вводить электроотрицательный газ в камеру 20. Средство 80 фильтрования электронов должно быть включено, чтобы удалить или почти удалить электроны, и чтобы получить на выходе этого средства 80 только или почти только положительные ионы и отрицательные ионы.
На выходе гарантируют электрическую нейтральность полученного пучка.
Насколько известно заявителю, никакие устройства создания плазмы не являются таким универсальным устройством. В частности, если устройство 100' используют в ионно-ионном режиме, дополнительное время его использования может быть ограничено путем перехода в ионно-электронный режим, чтобы предотвратить проблемы оборудования, связанные с ранним износом.
На фиг. 9 отмечено, что применяются два отдельных радиочастотных источника 58, 52. Для этого также можно привести схему установки, соответствующую показанной на фиг. 8 для устройства 100', т.е. с единственным радиочастотным источником.
2
4
4
6
2
2
2
Наконец, и, в общем, газы, которые можно использовать в устройствах 100 или 100', можно выбирать в соответствии с их электроположительностью или электроотрицательностью из следующих: аргон (Ar), гидразин (NH), ксенон (Xe), тетрафторметан (CF), элегаз (SF), молекулярный йод (I), молекулярный азот (N) или молекулярный водород (H).
Были проведены испытания, чтобы показать преимущества предложенного в изобретении решения.
На фиг. 10 приведена схема испытательного стенда, используемого с устройством 100 в соответствии с изобретением. Слева на фиг. 10 узнается устройство 100, показанное на фиг. 4.
Характеристики пучка 60 определяются в камере 200 в вакууме, полученном с помощью насоса 205. Измерения проводили посредством мишени 201, с которой связан энергоанализатор 203, расположенный на мишени 201, причем этот анализатор соединен с процессорным средством 204. Этот анализатор известен под аббревиатурой RFEA ("анализаторы энергии замедляющего поля"). Мишень 201 соединена со средством определения потенциала 202.
На фиг. 10(a)-10(c) приведено несколько результатов, относящихся к работе в ионно-электронном режиме.
3
В качестве газа использовали аргон (25 смм).
Частота радиочастотного источника 52 составляла 4 МГц. Потенциал, подаваемый на сетку 51 этим источником, может иметь амплитуду от 0 до 300 В (т.е. размах до 600 В). Магнитный фильтр не активен.
На фиг. 10(a) показаны функции распределения энергии (эмпирическая функция распределения EDF; ординаты: произвольные единицы a.u.) для ионов аргона (IEDF) и электронов (EEDF) относительно энергии этих ионов/электронов (абсциссы). Наличие пика для электронов и для ионов показывает, что извлекаются и ускоряются оба типа заряженных частиц. На этой фигуре показано, что ионы извлекаются и ускоряются со средней энергией 150 эВ, а электроны - со средней энергией 10 эВ. Эти измерения получены при радиочастотном потенциале, имеющем амплитуду 150 В (размах 300 В).
На фиг. 10(b) показано изменение потенциала мишени 201 (ординаты; ) в зависимости от средней энергии ионов аргона. Отметим, что при соответствующем диапазоне энергии ионов аргона для этого измерения (от 0 до 300 эВ) потенциал мишени меньше 15 В, является низким значением по сравнению с энергией этих ионов. Другими словами, это показывает, что пучок хорошо сбалансирован в отношении заряда (гарантирована электрическая нейтральность).
pr
pr
pr
pr
pr
На фиг. 10(c) показана кривая потенциал-ток (U/I) мишени 201; для энергии ионов аргона 300 эВ. Эти токи ионов аргона и электронов равны (I=0), если потенциал этой мишени равен 15 В. Отметим, что  имеет значение U, если I=0.
На фиг. 11 показаны результаты, касающиеся ионно-ионного режима работы. Эти результаты были получены на испытательном стенде, использующем устройство 100', показанное на фиг. 9, с помощью измерительного средства, предназначенного для характеризации пучка 60 из этого устройства 100', которое было описано выше со ссылкой на фиг. 10.
6
Используемый газ - элегаз (SF).
Частота низкочастотного источника 56 напряжения составляла 20 кГц. Потенциал, подаваемый на сетку, соединенную с источником 56 напряжения, имеет значение от -350 до +350 В.
Магнитный фильтр 80 включен, чтобы удалить или почти удалить электроны, возникающие при ионизации газа.
Более конкретно, на фиг. 11(a) показаны функции распределения энергии (эмпирическая функция распределения ионов IEDF; ординаты: произвольные единицы a.u.) для положительных ионов (сплошные линии) и отрицательных ионов (пунктирные линии) в соответствии энергией этих ионов (абсциссы). Наличие пика для электронов и для ионов показывает, что происходит извлечение и ускорение заряженных частиц обоих типов. Фиг. 11 показывает, что положительные и отрицательные ионы извлекаются и ускоряются со средней энергией более 300 эВ.
Устройства 100, 100' в соответствии с изобретением, в частности, можно использовать для:
- плазменных реактивных двигателей (применительно к спутникам для корректировки траектории, к космическим зондам, …),
- устройств нанесения частиц на мишень (например, осаждение из паровой фазы; область микроэлектроники),
- устройств для травления мишени,
- устройств для обработки полимеров или устройств для активизации целевой поверхности.