ИСТОЧНИК ШИРОКОАПЕРТУРНЫХ ИОННЫХ ПУЧКОВ
SOURCE OF WIDE-APERTURE ION BEAMS

Изобретение относится к технике получения плазмы и генерации ионных пучков с большим поперечным сечением, в том числе ленточных и радиально расходящихся пучков, используемых в технологиях модификации материалов.
Известны источники ионов, в электродной системе которых для генерации больших объемов плотной плазмы при низких давлениях газа используется плазменный катод с сеточной стабилизацией на основе тлеющего разряда с полым катодом. Наряду с плазменным катодом в состав таких ионных источников входит плазменная камера, в которой создается электростатическая или магнитная ловушки для электронов, эмитируемых плазменным катодом. Вследствие разности потенциалов плазм, создаваемых в плазменном катоде и плазменной камере, в отверстиях сетки плазменного катода возникает двойной электрический слой, ускоряющий эмитируемые плазменным катодом электроны, что обеспечивает их высокую ионизационную способность.
Плазменная камера источника ионов с магнитной ловушкой [1] образована полым анодом, на поверхности которого установлены ряды постоянных магнитов с переменной полярностью для создания многополюсного магнитного поля. Такое поле максимально у поверхности анода и быстро спадает по направлению к центру системы, что обеспечивает удержание быстрых электронов в плазме и генерацию однородной малошумящей плазмы в свободном от магнитного поля объеме анодной полости.
Известен ионный источник с электростатической ловушкой [2], плазменная камера которого образована полым катодным электродом, в объеме которого размещается стержневой анод. Осцилляция быстрых электронов в плазме в результате их отражения от катодного слоя пространственного заряда также обеспечивает генерацию однородной малошумящей плазмы. Для устойчивого горения разряда и эффективной генерации плазмы в такой системе необходимо обеспечить как эффективное удержание быстрых электронов, так и уход медленных плазменных электронов на анод без возникновения прианодного падения потенциала. В самостоятельном тлеющем разряде с полым катодом такие условия выполняются при соотношении площадей стержневого анода и полого катодного электрода
к
a
1/2
S/S~(М/m), где М, m - масса электрона и иона рабочего газа соответственно [3]. Это соотношение получено из условия равенства ионного тока на катоде самостоятельного разряда электронному току на аноде при условии однородности плазмы в разрядном промежутке и без учета вклада ионно-электронной эмиссии холодного катода. Однако в несамостоятельном разряде с внешней инжекцией электронов условие равенства токов в цепях электродов не выполняется. Кроме того, анодная сетка плазменного катода в устройстве [2], являющемся аналогом, располагается непосредственно вблизи выходной апертуры полого катода и имеет размер, близкий к размеру выходной апертуры полого катода. В результате высокой плотности тока на сетку из плазмы она подвергается интенсивному ионному распылению, что ограничивает ее ресурс на уровне нескольких десятков часов. Размещение стержневого анода на боковой поверхности полого эмиттерного электрода ограничивает возможность регулировки его длины при создании эмиттера ленточной формы со значительной протяженностью, а также не позволяет организовать отбор ионов по всей боковой поверхности полого эмиттерного электрода для формирования радиально расходящихся пучков. Напуск рабочего газа через полый катод приводит к неоднородному распределению плотности газа в объеме плазменной камеры, что ограничивает длину ленточного пучка при заданном уровне неоднородности распределения плотности ионного тока по сечению пучка.
Задачей изобретения является повышение эффективности генерации ионов в плазменной камере ионного источника, увеличение ресурса сетки плазменного катода, создание условий для формирования в ионном источнике ленточных и радиально расходящихся ионных пучков с однородным распределением плотности ионного тока в поперечном сечении пучков.
ca
ээ
ээ
пк
ээ
ca
ээ
пк
ac
ээ
кс
ac
ээ
кс
1/2
Для этого в источнике широкоапертурных ионных пучков, содержащем плазменный катод на основе тлеющего разряда, электродная система которого включает полый катод 1, в который напускается рабочий газ, поджигающий электрод 2 и анодную сетку 3, установленную напротив выходной апертуры полого катода, и плазменную камеру, в состав которой входят стержневой анод 4 и полый цилиндрический эмиттерный электрод 5 с отверстиями, предназначенными для извлечения ионов, электрически соединенный с анодной сеткой и находящийся под отрицательным потенциалом относительно стержневого анода, устанавливают следующее соотношение площадей: S/S~(m/M)(1+1/n), n~I/I, где S, S - площадь внутренней поверхности полого эмиттерного электрода и поверхности стержневого анода соответственно, m, М - масса электрона и иона рабочего газа соответственно, n - среднее количество ионов, генерируемых в расчете на один электрон, эмитируемый плазменным катодом, I, I - ток в цепи полого эмиттерного электрода и ток эмиссии плазменного катода соответственно, а также выполняют соотношение: d~d~l, где: d, d, l - диаметр анодной сетки, диаметр полого эмиттерного электрода и расстояние между выходной апертурой полого катода тлеющего разряда и анодной сеткой соответственно, кроме того, стержневой анод размещают на противоположном от анодной сетки торце полого эмиттерного электрода, в котором выполняют отверстия для подачи рабочего газа, а отверстия, предназначенные для извлечения ионов, располагают на боковой поверхности полого эмиттерного электрода.
Сущность изобретения: источник широкоапертурных ионных пучков состоит из двух основных составных частей: плазменного катода и плазменной камеры. Плазменный катод содержит полый катод, поджигающий электрод и анодную сетку. Плазменная камера источника ионов образована полым цилиндрическим эмиттерным электродом, на поверхности которого установлен стержневой анод и имеются отверстия, предназначенные для извлечения ионов. Самостоятельный тлеющий разряд в электродной системе плазменного катода поставляет электроны в плазменную камеру, обеспечивая генерацию в ней плазмы. Эффективность генерации ионов в плазменной камере зависит от соотношения площадей стержневого анода и полого эмиттерного электрода. При малом размере анода возникает анодное падение потенциала, на величину которого снижается напряжение на двойном слое между плазмами, существующими в плазменном катоде и плазменной камере, которое ускоряет электроны, эмитированные плазменным катодом. Соответствующее снижение энергии быстрых электронов приводит к уменьшению эффективности генерации ионов. Увеличение площади стержневого анода сверх оптимального значения увеличивает скорость потерь быстрых электронов, что также ведет к уменьшению эффективности генерации ионов.
сэ
ca
пк
е2
В предложенной конструкции ионного источника соотношение площадей поверхности стержневого анода и полого цилиндрического эмиттерного электрода, при котором не возникает прианодного падения потенциала, можно определить из баланса токов электронов и ионов, поступающих в плазму и уходящих из нее. Ток электронов I на стержневой анод с площадью поверхности S должен быть равен сумме тока первичных электронов I, поставляемых плазменным катодом, и тока плазменных электронов I, создаваемых в результате ионизации газа.
е2
i2
ээ
Токи возникающих при ионизации газа парных частиц должны быть равны, то есть ток плазменных электронов I равен току ионов I, уходящих на эмиттерный электрод с площадью поверхности S:
Уравнение (1) при отсутствии прианодного слоя можно записать в виде:
где je и ji - плотности токов насыщения ионов и электронов из плазмы, соотношение между которыми имеет вид:
где М, m - масса иона и электрона соответственно.
С учетом (2-4) соотношение (1) можно записать как:
ээ
пк
где n~I/I - среднее количество ионов, генерируемых в расчете на один электрон, эмитируемый плазменным катодом.
ac
ээ
кс
ac
ac
ээ
кс
Увеличение диаметра анодной сетки d до диаметра эмиттерного электрода d при расстоянии от выходной апертуры полого катода до сетки l, сопоставимом с размером сетки d, то есть выполнение соотношения d~d~l позволяет снизить плотность тока на анодную сетку и увеличить ее ресурс.
Размещение стержневого анода на противоположном от анодной сетки торце полого цилиндрического эмиттерного электрода позволяет увеличивать длину анода пропорционально длине эмиттерного электрода в источнике ленточных пучков и обеспечивает возможность отбора ионов со всей боковой поверхности эмиттерного электрода при формировании радиально расходящихся ионных пучков. Дополнительный напуск газа через отверстия в торце эмиттерного электрода плазменной камеры выравнивает плотность газа в объеме, что позволяет увеличить длину поперечного сечения ленточного ионного пучка.
На фиг.1 представлен предложенный источник ионов с холодным катодом. Ионный источник состоит из плазменного катода и плазменной камеры. Электродная система плазменного катода включает полый катод 1, поджигающий электрод 2 и анодную сетку 3, установленную напротив выходной апертуры полого катода. В состав плазменной камеры входят стержневой анод 4 и полый цилиндрический эмиттерный электрод 5 с отверстиями, предназначенными для извлечения ионов, который электрически соединен с анодной сеткой 3 и находится под отрицательным потенциалом относительно стержневого анода. Газ напускается в полый катод и через анодную сетку поступает в плазменную камеру, а также напускается непосредственно в плазменную камеру через одно или несколько отверстий в ее торце.
Ионный источник работает следующим образом. В катодную полость напускается газ. При подаче напряжения между катодом 1, поджигающим электродом 2 и анодной сеткой 3 зажигается разряд, электроны из плазмы которого через анодную сетку поступают в плазменную камеру. При подаче напряжения между стержневым анодом 4 и полым цилиндрическим эмиттерным электродом 5 в плазменной камере возникает несамостоятельный разряд, поддерживаемый эмиссией электронов из плазменного катода, которые ускоряются в двойном слое пространственного заряда в отверстиях анодной сетки. В плазменной камере возникает электростатическая ловушка, в которой удерживаются инжектированные быстрые электроны, ионизирующие газ. Эффективная генерация плотной однородной плазмы обеспечивается при определенном соотношении площадей стержневого анода и полого цилиндрического эмиттерного электрода, величина которого зависит от среднего числа ионизаций, совершаемых инжектированным быстрым электроном. Отбор ионов из плазмы и формирование широких ленточных или радиально расходящихся ионных пучков производится через отверстия на боковой поверхности полого цилиндрического эмиттерного электрода.
сэ
сэ
i2
Испытания опытного образца источника ионов плазменного эмиттера ионов проводились с использованием плазменного катода, длина и диаметр полого катода в котором были равны 120 и 160 мм соответственно, диаметр выходной апертуры полого катода составлял 10 мм, а диаметр анодной сетки и расстояние от выходной апертуры полого катода до анодной сетки составляли 100 мм. Длина и диаметр плазменной камеры составляли 600 и 120 мм соответственно. Длина стержневого анода диаметром 4 мм плавно регулировалась в пределах 50-150 мм. Давление аргона в полости эмиттерного электрода изменялось в пределах 0,04-0,1 Па. Напряжение между эмиттерным электродом и стержневым анодом менялось в пределах 100-250 В. Импульсный ток разряда в плазменном катоде составлял 10 А при длительности импульса 0,5 мс. B испытаниях плавно изменялась длина стержневого анода и измерялся ток I в его цепи при различных значениях давления газа и напряжения между электродами плазменной камеры, постоянном токе эмиссии плазменного катода (10 А). При уменьшении площади анода до определенных значений ток в цепи анода резко уменьшался и возникали осцилляции тока с ионно-звуковой частотой, что свидетельствовало об образовании прианодного слоя пространственного заряда. Зависимости соответствующих моменту перехода в нестабильный режим разряда критических значений площади анода от напряжения между электродами плазменной камеры представлены на фиг.2. Зависимость между критической величиной площади анода и параметром (1+1/n)=I/I представлена на фиг.3. Как следует из фигур, изменение оптимальных значений площади анода в несамостоятельном разряде в функции эффективности генерации ионов соответствует приведенному в заявке соотношению. Расположение стержневого анода на противоположном от сетки торце эмиттерного электрода и двусторонний напуск газа в плазменную камеру обеспечили однородное распределение плотности ионного тока по боковой поверхности эмиттерного электрода длиной 600 мм (фиг.4). Оцененный по измеренной плотности ионного тока ресурс анодной сетки толщиной 2 мм составил около 1000 ч.
Простота и надежность предлагаемого источника ионов позволяет эффективно использовать его в ионно-лучевых технологиях, в частности, основанных на использовании пучков химически активных газов. Повышение эффективности генерации ионов и ресурса сетки обеспечивает улучшение функциональных и эксплуатационных характеристик ионного источника, а возможность получения широкоапертурных ленточных и радиально расходящихся ионных пучков обеспечит расширение сферы возможных технологических применений ионного источника.
Источники информации
1. Н.В.Гаврилов, А.С.Каменецких. Ионный источник с холодным катодом. Патент РФ на изобретение №2240627 от 02.06.2003.
2. Е.М.Oks, A.V.Vizir, and G.Yu.Yushkov. Rev. Sci. Instrum., 69(2), 853 (1998).
3. Метель А.С. ЖТФ. 1984. Т.54. Вып.2. С.241-247.