ИОННЫЙ ИСТОЧНИК
IONIC SOURCE

Изобретение относится к газоразрядным электронным приборам с ионным пучком и может использоваться при обработке материалов, в частности при ионной полировке оптических деталей до дифракционного качества поверхности.
Известна целая серия ионных источников данного типа, например, источник ионов согласно патенту RU 2248064, опубл. 10.03.2005 г., содержащий полый корпус, служащий катодом, в торцевых стенках которого выполнены эмиссионная щель и каналы для напуска рабочего газа, магнитные наконечники и анод, установленный в полости корпуса напротив щели, источники магнитодвижущей силы. Для уменьшения эрозии магнитных наконечников они снабжены дополнительными защитными пластинами, установленными с соблюдением определенных геометрических соотношений между размерами пластин и апертурой эмиссионной щели. Возникающие при ионизации рабочего газа положительные ионы ускоряются в области между анодом и защитными пластинами и, выходя через эмиссионную щель с заданной апертурой, образуют протяженный ленточный пучок ионов, повторяющий форму щели. Однако для целей ионной полировки, где нужен сходящийся пучок ионов, данный источник ионов не пригоден, т.е. он не решает поставленную задачу.
Известен ионный источник аналогичной конструкции по патентной заявке WO 01/09918, опубл. 08.02.2001 г., в котором, в отличие от предыдущего, вместо защитных пластин все поверхности эмиссионной щели выполнены с эррозионностойким покрытием из немагнитного материала. Однако и в этом источнике без дополнительных ухищрений невозможно получить сходящийся пучок ионов.
Ближайшим по конструктивному исполнению к предлагаемому может служить источник ионов с замкнутым дрейфом электронов по патенту RU 2030807, опубл. 10.03.1999 г. Источник ионов содержит магнитную систему в виде магнито-проводящего корпуса, служащего катодом, с полюсными наконечниками, образующими выходную кольцевую эмиссионную щель, источник магнитодвижущей силы, анод, установленный в полости корпуса симметрично относительно эмиссионной щели. Полость корпуса соединена с системой подачи рабочего газа со стороны анода, а эмиссионная щель образована двумя параллельными прямоугольными участками, замкнутыми на концах криволинейными конусообразными участками щели. При ионизации рабочего газа в эмиссионной щели формируется протяженный ленточный пучок ионов, который, выходя из щели, повторяет ее форму и распространяется перпендикулярно плоскости торцевой стенки корпуса. Ширина ленточного пучка может достигать 1400 мм. Однако создать сходящийся пучок ионов в данном источнике ионов затруднительно, и он не решает поставленную задачу.
Задачей изобретения является создание ионного источника со сходящимся пучком ионов для ионной полировки оптических деталей и повышение ресурса его работы.
Технический результат, обусловленный поставленной задачей, достигается тем, что в ионном источнике, включающем магнитную систему под потенциалом катода с кольцевым зазором между внутренним и внешним полюсами магнитной системы, источник магнитодвижущей силы, анод, установленный сзади симметрично кольцевому зазору, систему подачи рабочего газа со стороны анода, при этом кольцевой зазор выполнен в виде конусной щели, в отличие от известного перед внутренним полюсом магнитной системы установлен дополнительный полюс в виде диска диаметром меньшим внутреннего конусного раскрытия кольцевого зазора, магнитная система выполнена в виде конуса, ориентированного своим основанием в сторону дополнительного магнита, а между внутренним конусным раскрытием кольцевого зазора и дополнительным полюсом установлена кольцевая вставка.
Конусная конфигурация полюсов позволяет получить сходящийся ионный пучок. Торцевые поверхности полюсов в кольцевом зазоре имеют фаску под определенным углом и с требуемой ориентацией относительно зазора. Такая конфигурация магнитных полюсов в области кольцевого зазора и наличие вставки позволяют значительно снизить их эрозию, происходящую вследствие распыления данных участков полюсов высокоэнергетичными заряженными частицами, тем самым увеличить срок их службы (ресурс работы). Дополнительный полюс предназначен для формирования на определенном фокусном расстоянии ионного пучка с профилем в виде круга и Гауссовым (или близким к нему) распределением ионного тока по профилю.
Изобретение поясняется чертежом ионного источника в разрезе.
Ионный источник (ИИ) состоит из цилиндрического корпуса 1, на торце которого закреплены внешний 2 и внутренний 3 полюса магнитной системы в виде двух колец из магнитопроводящей стали. Полюса 2 и 3 выполнены в виде конуса, ориентированного своим основанием наружу. Между полюсами 2 и 3 имеется кольцевой зазор, переходящий на расстоянии от внутренней поверхности в пределах 1/3…1/2 толщины полюсов в фаски под углами 35…45° на наружной поверхности полюса. Кольцевой зазор с расширяющимся конусообразным выходом служит эмиссионной щелью для ионизированного газа. Внутри корпуса 1 симметрично и сзади кольцевого зазора (эмиссионной щели) установлен кольцевой водоохлаждаемый анод 4. К корпусу 1 подсоединена система подачи рабочего газа со стороны анода 4, а также источник магнитодвижущей силы - постоянный магнит 5. Полюса 2 и 3 находятся под потенциалом катода. Они так же, как и анод 4, охлаждаются водой. Перед внутренним полюсом 3 расположен закрепленный на корпусе дополнительный полюс 6 - магнитопровод в виде диска диаметром меньшим фасочного (конусного) раскрытия на внутреннем полюсе 3. Пространство между внутренним 3 и дополнительным 5 полюсами было заполнено вставкой 7 из немагнитного материала с низким коэффициентом распыления γ, например, алюминия.
Был изготовлен экспериментальный образец ИИ с диаметром кольцевого зазора, равным 100 мм. Благодаря коническому выполнению полюсов 2 и 3 и дополнительному полюсу 6 такой ИИ формирует конический пучок ионов с диаметром основания 100 мм, который сходится на расстоянии 350 мм на поверхности обрабатываемой детали.
Работает ИИ по схеме ускорителя с азимутальным дрейфом электронов. В источнике реализован принцип бездиссипативного ускорения ионов самосогласованным электромагнитным полем. Ускорительным каналом в источнике ионов служит кольцевой зазор между полюсами магнитной системы, ограниченный с одной стороны анодом. Магнитная система создает в кольцевом канале радиальное магнитное поле, электрическое поле, перпендикулярное магнитному полю, направленное вдоль оси канала. Электроны, подвижность которых поперек магнитного поля сильно ограничена, медленно двигаются к аноду. Атомы рабочего вещества поступают в канал со стороны анода, ионизируются и ускоряются, не испытывая воздействия магнитного поля. Полюса магнитной системы являются проводниками и находятся под потенциалом катода. Для фокусировки пучка на изделии и придания ему определенной конфигурации предусмотрен дополнительный полюс. Таким образом, профиль ионного тока на изделии имеет пик (Гауссово распределение) ионного тока на оси ионного источника.
За счет фасок на внешнем и внутреннем полюсах, вместе образующих конусное раскрытие кольцевой щели, через которую ионный пучок выходит из источника, удалось добиться значительного снижения выработки материала полюсов. В свою очередь, вставка на дополнительном полюсе не дает накапливаться ионизированному газу возле него (полюса), что также приводит к снижению его выработки и достижению технического результата.