ИСТОЧНИК ИОНОВ

Полезная модель относится к плазменной технике и может использоваться в источниках ионов, имеющих различное назначение, в том числе в составе электроракетных двигателей и технологических ионно-плазменных установок.
Известен источник ионов, в котором стенки разрядной камеры и эмиссионный электрод выполнены из диэлектрического материала, стойкого к ионному распылению (см., например, японскую патентную заявку JP 2253548, опубликованную 12.10.1990, МПК: H01J 27/08, Н01J 37/08). Источник ионов включает в свой состав эмиттер электронов, расположенный в разрядной камере, систему подачи газообразного рабочего вещества, систему охлаждения стенок камеры и ионно-оптическую систему с ускоряющим электродом. Эмиттер электронов установлен соосно отверстию в эмиссионному электроде. Диаметр отверстия в эмиттере равен или превышает диаметр отверстия в диэлектрическом эмиссионном электроде. Данное конструктивное выполнение позволяет уменьшить ионное распыление элементов конструкции источника ионов и за счет этого увеличить ресурс устройства.
В опубликованной патентной заявке JP 9209914 (МПК F03H 1/00, опубликована 12.08.1997) описано выполнение ускоряющего электрода ионного двигателя в виде перфорированной диэлектрической пластины. Вокруг отверстий, выполненных в диэлектрической пластине, размещены металлические сегменты ускоряющего электрода.
Наиболее близким аналогом полезной модели является источник ионов, конструкция которого раскрыта в патенте US 4937456 (МПК F03H 1/00, опубликован 04.12.1990). Источник ионов, входящий в состав ионного двигателя, содержит разрядную камеру, стенки которой выполняются из диэлектрического материала, узел подачи газообразного рабочего вещества в разрядную камеру, средство генерации электрического газового разряда в полости разрядной камеры и ионно-оптическую систему.
В качестве электродов ионно-оптической системы используется многослойный ускоряющий электрод. На электропроводящем слое электрода со стороны разрядной камеры и с противоположной стороны нанесены диэлектрические покрытия, например из двуокиси титана. Внутреннее диэлектрическое покрытие ускоряющего электрода (со стороны разрядной камеры) после генерации плазмы в разрядной камере приобретает потенциал плазмы и выполняет функцию эмиссионного (экранирующего) электрода ионно-оптической системы. Внешнее диэлектрическое покрытие ускоряющего электрода имеет нулевой потенциал и выполняет функцию замедляющего электрода ионно-оптической системы. Электрод выполнен перфорированным с соосными отверстиями в каждом слое, выполняющем определенную функцию ионно-оптической системы.
Использование диэлектрического покрытия, нанесенного на внутреннюю поверхность разрядной камеры, и диэлектрических покрытий, нанесенных на внутреннюю и внешнюю поверхность ускоряющего электрода, позволяет снизить эрозию электродов, возникающую в результате ионного распыления, а также уменьшить загрязнение извлекаемого ионного пучка продуктами распыления электродов.
Однако применение многослойной электродной структуры, каждый слой которой выполняет определенную функцию ионно-оптической системы, имеет ряд недостатков, непосредственным образом влияющих на надежность и ресурс ионного источника. В процессе работы источника ионов при подаче высокого напряжения на ускоряющий электрод (металлическую часть электродной структуры) с поверхности диэлектрических слоев будет происходить «отекание» электрического заряда под действием приложенной разности потенциалов. Кроме того, возможен электрический пробой между слоями электродной структуры по толщине диэлектрического покрытия. Данное явление связано с тем, что в любом диэлектрическом покрытии при нанесении на металлическую подложку образуются поры, которые расширяются под действием внешнего электрического поля. Вследствие этого происходит электрический пробой по объему диэлектрического покрытия с интенсивной эрозией диэлектрического материала. В результате происходит прерывание расчетного режима работы источника ионов и загрязнение разрядной камеры продуктами эрозии диэлектрической и металлической частей ускорительного электрода.
Полезная модель направлена на обеспечение стабильной работы источника ионов, ионно-оптическая система которого содержит диэлектрический эмиссионный электрод, ускоряющий и замедляющий электрод, за счет исключения пробоев и взрывной эрозии электродов, а также на снижение ионного распыления электропроводящих частей электродов. Решение указанных технических задач обеспечивает достижение технического результата, который заключается в увеличении ресурса ионного источника при высокой эффективности извлечения и формирования ускоренного потока ионов.
Кроме того, при использовании полезной модели исключается возможность загрязнения извлекаемого пучка ускоренных ионов продуктами эрозии элементов конструкции устройства.
Данные технические результаты достигаются с помощью источника ионов, который включает в свой состав разрядную камеру, стенки которой выполнены из диэлектрического материала, узел подачи газообразного рабочего вещества в разрядную камеру, средство генерации электрического газового разряда в полости разрядной камеры и ионно-оптическую систему. Ионно-оптическая система источника ионов содержит эмиссионный, ускоряющий и замедляющий электрод. Эмиссионный и ускоряющий электроды выполнены перфорированными с соосными отверстиями. Эмиссионный электрод изготовлен из диэлектрического материала. Ускоряющий электрод со стороны, обращенной к эмиссионному электроду, выполнен из электропроводящего материала, а со стороны, обращенной к замедляющему электроду, - из диэлектрика. Электроды ионно-оптической системы установлены с образованием пространственных зазоров между ближайшими электродами в направлении ускорения ионов.
Конструктивное выполнение ионно-оптической системы источника ионов исключает возможность возникновения электрических пробоев между диэлектрическими и электропроводящими частями электродов. Применение электродов, разделенных пространственными зазорами, позволяет подавать высокие потенциалы на отдельные электроды при сохранении высокой стабильности характеристик ионного источника.
Основным требованием к ионно-оптической системе источника ионов является обеспечение расчетной траектории движения ионов, исключающей взаимодействие ионов с элементами конструкции (электродами). Предельная плотность тока ионного пучка, при которой не происходит перехват ионов ускоряющим электродом, зависит от величины зазора между эмиссионной границей квазинейтральной плазмы и ускоряющим электродом и от разности потенциалов, приложенной между плазмой и ускоряющим электродом. В традиционных ионно-оптических системах с электропроводящими электродами, разделенными пространственными зазорами, достижение высокой плотности тока ионного пучка обеспечивается за счет минимизации величины зазора между эмиссионной границей плазмы и ускоряющим электродом. Минимальная величина данного зазора достигается на практике путем уменьшения толщины эмиссионного электрода. При использовании эмиссионного электрода, выполненного из диэлектрика, эмиссионная граница может располагаться внутри отверстий эмиссионного электрода, что позволяет не связывать требование по увеличению плотности тока ионного пучка с применением эмиссионного электрода, имеющего минимально возможную толщину. Вследствие этого толщина диэлектрической перфорированной пластины, используемой в качестве диэлектрического электрода, может выбираться из условия прочности элемента конструкции устройства.
Оптимальный расчетный диапазон значений пространственного зазора между эмиссионным и ускоряющим электродом выбирается от 1,5 мм до 2 мм.
Для повышения газовой эффективности источника ионов диаметр отверстий в ускоряющем электроде предпочтительно выбирается меньшим, чем диаметр отверстий в эмиссионном электроде.
Часть ускоряющего электрода, обращенная к эмиссионному электроду, может быть выполнена в виде металлического покрытия, нанесенного на диэлектрическую подложку, которая, в свою очерередь, образует часть ускоряющего электрода, обращенную к замедляющему электроду.
В качестве электропроводящего материала, из которого выполняется часть ускоряющего электрода, целесообразно использовать молибден.
В качестве диэлектрика, из которого выполняются эмиссионный электрод и часть ускоряющего электрода, может использоваться окись алюминия.
В состав источника ионов может входить нейтрализатор пространственного заряда, выполненный, например, в виде плазменного источника электронов, который установлен за пределами области размещения электродов ионно-оптической системы в направлении извлечения ионов. В этом случае замедляющий электрод выполняется в виде перфорированной диэлектрической пластины с отверстиями, соосными отверстиям эмиссионного и ускоряющего электродов. При этом потенциал замедляющего электрода задается нейтрализатором. В других вариантах выполнения конструкции источника ионов замедляющий электрод может быть выполнен из электропроводящего материала, например металла, в форме кольца.
Возможны различные варранты применения средств генерации электрического газового разряда. Так, например, средство генерации электрического газового разряда может быть выполнено в виде источника электромагнитной энергии, размещенного с внешней стороны стенки разрядной камеры. В этом случае в разрядной камере устанавливается электрод, подключенный к положительному полюсу источника напряжения. С помощью данного электрода задается опорный потенциал плазмы.
Средство генерации электрического газового разряда может быть выполнено в виде газоразрядного устройства, электроды которого установлены в полости разрядной камеры.
Далее полезная модель поясняется описанием конкретного примера выполнения конструкции источника ионов. На прилагаемых чертежах изображено следующее:
на фиг.1 - схематично изображен источник ионов с продольным разрезом разрядной камеры;
на фиг.2 - схема ячейки ионно-оптической системы с тремя перфорированными электродами;
на фиг.3 - распределение потенциала между электродами ячейки ионно-оптической системы, изображенной на фиг.2, вдоль направления извлечения ионов.
Источник ионов, изображенный на фиг.1, содержит разрядную камеру 1, выполненную из кварцевого стекла. Узел подачи газообразного рабочего вещества выполнен в виде патрубка 2, снабженного газоэлектрической развязкой. В рассматриваемом примере выполнения конструкции источника ионов средство генерации электрического газового разряда выполнено в виде индуктора 3, подключенного к высокочастотному источнику электропитания - ВЧ генератору 4. Ионно-оптическая система источника ионов включает в свой состав эмиссионный электрод 5, ускоряющий электрод 6 и замедляющий электрод 7. Электроды 5, 6 и 7 установлены с образованием пространственных зазоров между ближайшими электродами в направлении ускорения ионов. Величина пространственного зазора 5 между эмиссионным электродом 5 и ускоряющим электродом 6 выбрана равной 1,6 мм (см. фиг.2).
Эмиссионный электрод 5 выполнен в виде перфорированной диэлектрической пластины из окиси алюминия. Ускоряющий электрод 6 представляет собой двухслойную структуру, состоящую из перфорированной диэлектрической подложки с электропроводящим покрытием из молибдена. Диэлектрическая подложка изготовлена из окиси алюминия. Электропроводящее покрытие электрода 6 нанесено на поверхность диэлектрической подложки, обращенной к эмиссионному электроду 5. Противоположная поверхность диэлектрической подложки обращена к замедляющему электроду 7. Электропроводящее молибденовое покрытие ускоряющего электрода 6 электрически соединено с отрицательным полюсом источника ускоряющего напряжения 8. Замедляющий электрод 7 выполнен в виде перфорированной диэлектрической пластины из окиси алюминия. Расположенные друг напротив друга отверстия в электродах 5, 6 и 7 выполнены соосными. Диаметр отверстий в ускоряющем электроде бив замедляющем электроде 7 меньше диаметра отверстий в эмиссионном электроде 5.
За пределами области размещения электродов 5, 6 и 7 установлен нейтрализатор пространственного заряда ускоренного потока ионов. Нейтрализатор выполнен в виде плазменного источника электронов 9, подключенного к источнику электропитания 10. В полости разрядной камеры 1 размещен электрод 11, подключенный к положительному полюсу источника напряжения 12.
На фиг.2 чертежей изображены также граница 13 квазинейтральной плазмы в разрядной камере 1 и униполярного ионного пучка, граница 14 внешней квазинейтральной плазмы и униполярного ионного пучка, граница 15 униполярного ионного пучка между электродами.
Работа источника ионов осуществляется следующим образом.
В полость разрядной камеры 1 через патрубок 2 подается газообразное рабочее вещество, в качестве которого в рассматриваемом примере используется инертный газ-аргон. Одновременно индуктор 3 подключается к ВЧ генератору 4. В результате запитывания индуктора 3 переменным током высокой частоты в разрядной камере 1 зажигается индуктивный самостоятельный ВЧ разряд. Переменный ток, протекающий через индуктор 3, генерирует, преимущественно аксиальное, переменное магнитное поле, которое, в свою очередь, индуцирует в полости разрядной камеры 1, преимущественно азимутальное, электрическое поле. Под действием электрического поля в газообразной среде рабочего вещества происходит ускорение и осцилляция электронов. Энергия электронов затрачивается на неупругие столкновения с атомами рабочего вещества, вызывая ступенчатую ионизацию нейтральных частиц. Зажигание и поддержание данного типа электрического разряда осуществляется без использования дополнительного источника энергии, предназначенного для ионизации газа в разрядной камере 1, в качестве которого может использоваться, например, эмиттер электронов.
Потенциал плазмы, генерируемой в разрядной камере 1, задается электродом 11, который подключен к положительному полюсу источника напряжения 12 и выполняет функцию анода. Электрод 11 имеет положительный потенциал и, вследствие этого, не подвергается катодному распылению положительными ионами. Потенциал электрода 11 определяет также, с учетом пристеночного скачка потенциалов, потенциал диэлектрических поверхностей внутренней стенки разрядной камеры 1 и эмиссионного электрода 5. Под действием разности потенциалов между газоразрядной плазмой и электродом 11 происходит удаление из плазмы избыточных электронов до достижения равенства потенциалов плазмы и электрода 11.
Ускорение и формирование потока ионов осуществляется с помощью ионно-оптической системы, включающей в свой состав эмиссионный 5, ускоряющий 6 и замедляющий 7 электроды, и плазменного источника электронов 9, выполняющего функцию нейтрализатора пространственного заряда пучка ионов. За счет использования электродов, выполненных в виде перфорированных элементов с множеством соосных отверстий, формируемый пучок ионов разбивается на элементарные ионные пучки. Вследствие этого обеспечивается высокий первеанс формируемого ионного пучка и высокая плотность тока. Граница 13 квазинейтральной плазмы на входе в ионно-оптическую систему представляет собой тонкий двойной электрический слой, в котором нарушается квазинейтральность плазмы и формируется ионный пучок, ограниченный характерной границей 15 (см. фиг.2).
у
э
у
э
у
H
Ускорение ионного пучка осуществляется под действием ускоряющей разности потенциалов ΔU=U+U, прикладываемой между квазинейтральной газоразрядной плазмой, потенциал который определяется величиной положительного потенциала +U на эмиссионном электроде 5 и величиной отрицательного потенциала -U, подаваемого на электропроводящий слой ускоряющего электрода 6 (см. фиг.3). При этом нейтрализатор, в качестве которого используется плазменный источник электронов 9, находится под нулевым потенциалом (U=0).
Вследствие того, что потенциал диэлектрической поверхности в плазме образуется при равенстве электронного и ионного токов, приходящих из плазмы на поверхность, величина потенциала диэлектрических поверхностей электродов равна потенциалу контактирующей с ними плазмы за вычетом пристеночного скачка потенциала. При этом пространственная граница 13 между квазинейтральной плазмой в разрядной камере 1 и ускоряемым ионным пучком устанавливается внутри отверстий, выполненных в диэлектрическом эмиссионном электроде 5. Распределение потенциалов U(l) на электродах ионно-оптической системы в направлении ускорения ионов представлено на фиг.3 чертежей.
H
При включении плазменного источника электронов 9, электроды которого подключаются к источнику электропитания 10, осуществляется инжекция электронов в поток ускоренных ионов за внешней поверхностью диэлектрического замедляющего электрода 7. Граница 14 внешней квазинейтральной плазмы устанавливается за отверстиями в замедляющем электроде 7. В результате на внешней поверхности электрода 7 фиксируется потенциал нейтрализатора: U=0.
За границей 14 в объеме квазинейтральной плазмы формируются потоки перезарядившихся ионов. Однако, в отличие от известных аналогов, образовавшиеся вторичные ионы не распыляют электропроводящую часть ускоряющего электрода 6, поскольку между металлическим покрытием электрода и областью образования вторичных ионов находится диэлектрическая подложка электрода, выполненная из стойкого к ионному распылению диэлектрического материала.
y
Вторичные ионы, перемещаясь из области внешней квазинейтральной плазмы в направлении к электропроводящей поверхности ускоряющего электрода 6, которая находится под отрицательным потенциалом (-U), воздействуют только на торцевую поверхность тонкого металлического покрытия в области отверстий. Атомы распыленного металлического покрытия, образовавшиеся в результате незначительного распыления торцевых частей тонкого электропроводящего покрытия, оседают на внутренних поверхностях элементов конструкции источника ионов, не загрязняя ускоряемый поток ионов рабочего вещества. Диэлектрическая подложка ускоряющего электрода 6, не подвергающаяся ионному распылению, выполняет функцию несущего элемента конструкции. Толщина диэлектрической подложки выбирается из условия обеспечения прочности ускоряющего электрода 6.
Снижение распыления торцевых частей электропроводящего слоя ускоряющего электрода 6 обеспечивается за счет разделения пространственным зазором области внешней квазинейтральной плазмы, в которой образуются вторичные ионы, и области возможного воздействия вторичных ионов на торцевую часть электропроводящего покрытия. Это обусловлено тем, что траектория движения вторичных ионов, способных распылять металлическое покрытие, в каждой элементарной ячейке ионно-оптической системы ограничена кромкой отверстия в замедляющем электроде 7, расстоянием между внешней поверхностью электрода 7 и металлическим покрытием электрода 6, а также толщиной металлического покрытия. В этом случае замедляющий электрод 7 выполняет функцию геометрического экрана для потока вторичных ионов из области внешней квазинейтральной плазмы.
y
Следует отметить, что через отверстия электродов 5, 6 и 7 происходит извлечение не только ионной компоненты под действием приложенной разности потенциалов ΔU, но и истечение неионизованных атомов из разрядной камеры 1 за пределы ионно-оптической системы. Отношение расхода ионной компоненты рабочего вещества в виде сформированного ионного пучка к общему расходу рабочего вещества, подаваемого в разрядную камеру 1, характеризует газовую эффективность источника ионов.
Повышение газовой эффективности достигается за счет создания условий, затрудняющих выход неионизованных атомов из разрядной камеры 1. Данные условия обеспечиваются, например, путем уменьшения диаметра отверстий в ускоряющем электроде 6 по сравнению с диаметром отверстий в диэлектрическом эмиссионном электроде 5. При таком конструктивном выполнении электродов ионы под действием приложенного электрического поля будут легко проходить через отверстия уменьшенного диаметра в ускоряющем электроде 6, а неионизованные атомы, присутствующие в ускоряемом потоке, будут отражаться от кромок отверстий в электроде 6 и за счет изменения траектории движения возвращаться в полость разрядной камеры 1.
Вследствие образования пространственных зазоров между электродами 5, 6 и 7 ионно-оптической системы при работе источника ионов исключаются электрические пробои между электродами и связанная с ними взрывная эрозия электродов. При этом повышается стабильность и надежность работы источника ионов. Кроме того, снижается ионное распыления электропроводящих частей электродов и загрязнение ускоренного потока ионов продуктами распыления. Решение данных технических задач обеспечивает увеличение ресурса ионного источника при высокой эффективности извлечения и формирования ускоренного потока ионов.
Вышеописанный пример осуществления полезной модели основывается на конкретной форме конструкции источника ионов, однако это не исключает возможности достижения технического результата и в других частных случаях реализации конструкции в том виде, как источник ионов описан в независимом пункте формулы. Так, в частности, средство генерации электрического газового разряда может быть выполнено в виде газоразрядного устройства, электроды которого устанавливаются в полости разрядной камеры. В качестве материалов электропроводящего покрытия и диэлектрической части ускоряющего электрода могут применяться и другие материалы, удовлетворяющие условиям расчетного режима работы источника ионов. В частности, металлическое электропроводящее покрытие должно обладать высокой адгезионной способностью по отношению к материалу диэлектрической подложки, выбранные материалы покрытия и подложки должны иметь близкие коэффициенты температурного расширения.
В вариантах конструкции, предназначенных для технологического применения, источник ионов может использоваться без нейтрализатора пространственного заряда ионного пучка. В данном варианте конструкции замедляющий электрод выполняется из электропроводящего материала, например металла. Замедляющий электрод может иметь кольцевую форму и охватывать ускоренный пучок ионов.
Отверстия в электродах могут иметь форму окружности или многоугольника. Электроды ионно-оптической системы, в том числе диэлектрическая подложка ускоряющего электрода, могут иметь выпуклую форму, например, в форме сегмента сферы.
В зависимости от области применения источника ионов в качестве газообразного рабочего вещества применяются различные газы или смеси газов. Так, например, в случае использования источника ионов в составе электроракетного двигателя малой тяги в качестве рабочего вещества применяются инертные газы, в частности ксенон. При использовании источника ионов в технологических установках для ионно-плазменной обработки в качестве рабочего вещества могут применяться химически активные газы или смеси химически активных газов, например кислородосодержащие смеси.