СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ПУЧКА АТОМОВ ИЛИ МОЛЕКУЛ В ТЛЕЮЩЕМ РАЗРЯДЕ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD FOR PRODUCTION OF BEAM OF ATOMS OR MOLECULES IN GLOW DISCHARGE AND DEVICE FOR METHOD IMPLEMENTATION

Изобретение относится к электронике и может быть использовано в физической электронике, квантовой электронике, для имплантации атомов в поверхность твердого тела, плазмохимии, диагностических измерениях.
Известен способ получения пучка быстрых атомов [Бохан П.А., Сорокин А.Р. «Открытый разряд, генерирующий электронный пучок: механизм, свойства и использование для накачки лазеров среднего давления». // ЖТФ, т.55, №1, с.88-95, 1985], заключающийся в том, что путем подачи напряжения между сетчатым катодом и анодом зажигают высоковольтный разряд в газоразрядной ячейке и в сильном поле катодного падения потенциала ускоряют ионы, которые в процессах перезарядки используют для получения пучка атомов, который направляют и извлекают через сетчатый катод в область дрейфа пучка атомов, где используют атомный пучок по назначению. Способ можно использовать и для получения пучков молекул.
Основной недостаток этого способа получения пучка атомов или молекул - малая интенсивность потока таких пучков.
Известно устройство [Бохан П.А., Сорокин А.Р. «Открытый разряд, генерирующий электронный пучок: механизм, свойства и использование для накачки лазеров среднего давления». // ЖТФ, т.55, №1, с.88-95, 1985], реализующее данный способ, содержащее сетчатый катод и анод, размещенные в газоразрядной ячейке, и высоковольтный источник питания, который подсоединен к сетчатому катоду и аноду, при этом сетчатый катод для вывода атомного пучка в область дрейфа представляет собой сетку с отверстиями 0.37 мм.
Ne
Недостатки этого устройства. Малая интенсивность потока пучка атомов или молекул. Во всем исследованном диапазоне давлений Ne (p≤0.076 Topр) в области дрейфа пучка атомов наряду с ним присутствовал электронный пучок (назван: обратный электронный пучок). Этот пучок формировался в катодном падении потенциала вне разрядного промежутка, которое появлялось там из-за провисания электрического поля в область дрейфа пучка атомов через слишком большие отверстия сетчатого катода (в работе: Бохан П.А., Сорокин А.Р. «Открытый разряд, генерирующий электронный пучок: механизм, свойства и использование для накачки лазеров среднего давления». // ЖТФ, т.55, №1, с.88-95, 1985 - дано ошибочное толкование появления обратного электронного пучка).
Наиболее близким к предлагаемому способу является способ получения пучка атомов [Сорокин А.Р. «Открытый разряд: структура, развитие, роль фотоэмиссии». // ЖТФ, т.66, №3, с.33-38, 1998], заключающийся в том, что путем подачи напряжения питания между сетчатым катодом и анодом зажигают высоковольтный разряд в газоразрядной ячейке, и в сильном поле катодного падения потенциала ускоряют ионы, которые в процессах перезарядки используют для получения пучка атомов, который направляют и извлекают через сетчатый катод в область дрейфа пучка атомов, где используют атомный пучок по назначению. Способ можно использовать и для получения пучка молекул.
Основной недостаток этого способа получения пучка атомов или молекул - малая интенсивность потока таких пучков.
Известно устройство [Сорокин А.Р. «Открытый разряд: структура, развитие, роль фотоэмиссии». // ЖТФ, т.66, №3, с.33-38, 1998], реализующее данный способ, содержащее сетчатый катод и анод, размещенные в газоразрядной ячейке, и высоковольтный источник питания, который подсоединен к сетчатому катоду и аноду, при этом сетчатый катод для вывода пучка атомов или молекул в область дрейфа представляет собой сетку с отверстиями 0.4 мм.
Недостатки этого устройства. Малая интенсивность потока пучка атомов или молекул. Во всем исследованном диапазоне давлений Не и Ne в области дрейфа пучка атомов наряду с ним присутствовал электронный пучок (обратный электронный пучок). Этот пучок формировался в катодном падении потенциала вне разрядного промежутка, которое появлялось там из-за провисания электрического поля в область дрейфа пучка атомов через слишком большие отверстия сетчатого катода.
2
19
2
Техническим результатом изобретения является увеличение на порядки интенсивности потока пучка атомов или молекул. Это продемонстрировано на примерах Не, Не с добавкой 1% O, воздуха и Ar в области давлений 0.1-10 Topр. Для этого используют вспомогательный электронный пучок, которым осуществляют дополнительную ионизацию газа вдоль поверхности сетчатого катода внутри разрядного промежутка. Получены потоки атомов до ~10 на см в сек. Использование сетчатого катода с достаточно малыми отверстиями позволило получать пучок атомов или молекул без присутствия в них обратного электронного пучка. Изменением интенсивности вспомогательного электронного пучка можно менять характеристики потока пучка атомов или молекул.
Технический результат в предлагаемом способе получения пучка атомов или молекул в тлеющем разряде достигается тем, что путем подачи напряжения питания между сетчатым катодом и анодом зажигают высоковольтный разряд в газоразрядной ячейке и в сильном поле катодного падения потенциала ускоряют ионы, которые в процессах перезарядки используют для получения пучка атомов или молекул, которые направляют и извлекают через сетчатый катод в область дрейфа пучка атомов или молекул, при этом в промежуток между сетчатым катодом и анодом осуществляют дополнительный приток ионов, причем дополнительный приток ионов между сетчатым катодом и анодом обеспечивают дополнительной ионизацией газа у поверхности сетчатого катода вспомогательным электронным пучком, электроны которого ускоряют в сильном поле высоковольтного разряда.
Технический результат достигается тем, что в устройстве для получения пучка атомов или молекул в тлеющем разряде, содержащим сетчатый катод и анод, размещенные в газоразрядной ячейке, и высоковольтный источник питания, который подсоединен к сетчатому катоду и аноду, при этом сетчатый катод для вывода пучка атомов или молекул в область дрейфа представляет собой сетку с малыми отверстиями, исключающими проникновение в область дрейфа пучка атомов или молекул электрического поля, достаточного для формирования обратного электронного пучка, а к внутренней поверхности сетчатого катода примыкает электрически подсоединенный к нему кольцевой электрод, с внутренней стенки которого формируют вспомогательный электронный пучок для дополнительной ионизации газа.
Кроме того, технический результат достигается тем, что в устройстве для получения пучка атомов или молекул в тлеющем разряде, содержащим сетчатый катод и анод, размещенные в газоразрядной ячейке, и высоковольтный источник питания, который подсоединен к сетчатому катоду и аноду, при этом сетчатый катод для вывода пучка атомов или молекул в область дрейфа представляет собой сетку с малыми отверстиями, исключающими проникновение в область дрейфа пучка атомов или молекул электрического поля, достаточного для формирования обратного электронного пучка, при этом к внутренней поверхности сетчатого катода примыкает электрически подсоединенный к нему кольцевой электрод, с внутренней стенки которого формируют вспомогательный электронный пучок для дополнительной ионизации газа, а плоская часть кольцевого электрода со стороны анода для уменьшения тока разряда на нее прикрыта диэлектрической пластиной с отверстием, совпадающим по диаметру с внутренним диаметром кольцевого электрода.
Кроме того, технический результат достигается тем, что в устройстве для получения пучка атомов или молекул в тлеющем разряде, содержащим сетчатый катод и анод, размещенные в газоразрядной ячейке, и высоковольтный источник питания, который подсоединен к сетчатому катоду и аноду, при этом сетчатый катод для вывода пучка атомов или молекул в область дрейфа представляет собой сетку с малыми отверстиями, исключающими проникновение в область дрейфа пучка атомов или молекул электрического поля, достаточного для формирования обратного электронного пучка, а со стороны внутренней поверхности сетчатого катода выполнен электрически подсоединенный к нему кольцевой электрод, с внутренней стенки которого формируют вспомогательный электронный пучок для дополнительной ионизации газа, при этом кольцевой электрод отделен от сетчатого катода диэлектрической пластиной с отверстием, совпадающим по диаметру с внутренним диаметром кольцевого электрода, а толщина диэлектрической пластины равна или больше длины области катодного падения потенциала, плоская часть кольцевого электрода со стороны анода для уменьшения тока разряда на нее прикрыта диэлектрической пластиной с отверстием, совпадающим по диаметру с внутренним диаметром кольцевого электрода.
Сущность предложенного изобретения поясняется нижеследующим описанием и прилагаемыми фигурами.
На фиг.1 приведена схема предлагаемого устройства, в котором к внутренней поверхности сетчатого катода примыкает электрически подсоединенный к нему кольцевой электрод.
На фиг.2 изображен вариант предлагаемого устройства, в котором плоская часть кольцевого электрода со стороны анода прикрыта диэлектрической пластиной с отверстием. Там же приведена схема измерений параметров разряда.
На фиг.3 изображен вариант предлагаемого устройства, в котором кольцевой электрод электрически подсоединен к сетчатому катоду, который отделен от кольцевого электрода диэлектрической пластиной с отверстием, а плоская часть кольцевого электрода со стороны анода прикрыта другой диэлектрической пластиной с отверстием. Там же приведена схема измерений параметров разряда.
На фиг.4 приведен пример осциллограмм напряжения, тока разряда и интенсивностей спонтанного излучения, возбуждаемого пучком атомов гелия при давлении гелия р=3.3 Topр, для устройства, представленного на фиг.2.
Фиг.5 иллюстрирует поведение послесвечения спонтанного излучения от возбуждения газов различного состава пучком атомов или молекул для устройства, представленного на фиг.3 с кольцевым электродом, электрически подсоединенным к сетчатому катоду.
He
2
На фиг.6 приведен пример осциллограмм напряжения, тока разряда и интенсивности спонтанного излучения, возбуждаемого атомами гелия при давлении гелия p=3.3 Topр с примесью 1% O, для устройства, представленного на фиг.3 с кольцевым электродом, не подсоединенным к сетчатому катоду.
Не
2
He
2
На фиг.1-6 показаны: 1 - высоковольтный источник питания; 2 - сетчатый катод; 3 - кольцевой электрод толщиной - δ и внутренним диаметром - D; 4 - анод; d - длина разрядного промежутка; 5 - диэлектрическая пластина с отверстием, прикрывающая плоскую часть кольцевого электрода - 3; R1, R2 - резистивный делитель для измерения напряжения; R3 - сопротивление для измерений тока; 6 - диэлектрическая пластина с отверстием, разделяющая сетчатый катод - 2 с кольцевым электродом - 3; 7 - переключатель для подключения кольцевого электрода - 3 к сетчатому катоду - 2; 8, 9, 10, 11 - осциллограммы напряжения - U, тока - j и интенсивности излучения - Р, возбуждаемого пучком атомов Не вне разрядного промежутка, вблизи катода и на расстоянии 17 мм от него при разряде в гелии давлением р=3.3 Topр для устройства, фиг.2, D=22 мм, d=12,6 мм, δ=4 мм, сетчатый катод -2 с геометрической прозрачностью = 0.67 и с отверстиями - 0.16 мм, толщина кварцевой пластины - 5, прикрывающей плоскую часть кольцевого электрода - 3 мм; 12, 13, 14 - осциллограммы иллюстрируют поведение послесвечения спонтанного излучения от возбуждения газов различного состава пучками атомов и молекул при давлении воздуха - 1.8, гелия - 3.3, гелия с примесью 1% О - 3.3 Topр для устройства, представленного на фиг.3 с кольцевым электродом - 3, электрически подсоединенным к сетчатому катоду - 2 с геометрической прозрачностью = 0.67 и с отверстиями - 0.16 мм, D=22 мм, d=15 мм, толщина стеклянной пластины - 6, разделяющей сетчатый катод с кольцевым электродом - 2.4 мм, а толщина кварцевой пластины - 5, прикрывающей плоскую часть кольцевого электрода - 3 мм, амплитудные значения Р приведены к одной величине; 15, 16, 17 - осциллограммы напряжения - U, тока - j и интенсивности излучения - Р, возбуждаемого пучком атомов Не вне разрядного промежутка при разряде в гелии давлением p=3.3 Topр с примесью 1% O для устройства, фиг.3, и кольцевым электродом - 3, не подсоединенным к сетчатому катоду -2 с геометрической прозрачностью = 0.67 и с отверстиями - 0.16 мм, D=22 мм, d=15 мм, толщина стеклянной пластины - 6, разделяющей сетчатый катод с кольцевым электродом - 2.4 мм, а толщина кварцевой пластины - 5, прикрывающей плоскую часть кольцевого электрода - 3 мм
Проанализируем особенности формирования пучка атомов или молекул в тлеющем разряде в их сравнении с особенностями для предлагаемого способа и прототипа.
D
Для примера обратимся к формированию пучка атомов в катодном падении потенциала (КПП) аномального разряда в Не в условиях небольших напряжений горения разряда U~1 кВ.
КПП
D
cf
He
cf
При U в несколько кВ в КПП происходит примерно 20 перезарядок [Сорокин А.Р. «Формирование электронных пучков в открытом разряде». // Письма в ЖТФ, т.26, №24, с.89-94, 2000]. Энергия образующихся в КПП быстрых атомов лежит в пределах от десятков до сотен эВ (в малых разрядных промежутках до ≈0.1 от eU). Промежуток d считаем малым, если он не намного превышает длину l области КПП, т.е. когда практически все напряжение на разрядном промежутке сосредотачивается в КПП. В аномальном разряде в Не - p·l=0.48 Торр·см.
Эффективность формирования электронного пучка в сторону анода для обсуждаемых условий не столь велика.
При переходе к разряду с высоко прозрачным сетчатым катодом основная энергия разряда, сосредоточенная в быстрых атомах пучка, будет выноситься в область дрейфа, вместо того, чтобы греть катод.
Для предотвращения появления обратного электронного пучка размер отверстий сетчатого катода не должен допускать провисания электрического поля, достаточного для выноса за сетчатый катод потенциала, примерно равного величине КПП нормального тлеющего разряда.
2
l
Рассмотрим различия в характеристиках разрядов и спонтанного излучения, возбуждаемых разрядом без дополнительной ионизации (как в прототипе) и с дополнительной ионизацией. Для регистрации распределения спонтанного излучения вдоль ячеек (путем их перемещения по оси) изображение исследуемой ячейки с помощью линзы проецировалось на кремниевый фотодиод. Опыты проводились в Не, в Не с добавкой 1% O, в воздухе и в Ar с питанием от искусственной формирующей линии (ИЛ) при t≈800 нс. Частота следования импульсов 300 Гц.
0
17
17
0
D
cf
cf
На фиг.4 приведены типичные осциллограммы U - 8, j - 9 и интенсивности излучения Р, возбуждаемого атомным пучком: вблизи катода - 10 (Р) и на расстоянии 17 мм от него - 11 (P). Разряд в Не - 3.3 Торра в разрядной ячейке фиг.2, обеспечивавшей дополнительную ионизацию. Из сдвига переднего фронта P относительно Р определялась наибольшая энергия атомов (2.4 кэВ), что примерно соответствовало напряжению начала сильноточного пика тока разряда - 9. На энергии атомов сказывалась и инерционность отслеживания положительным объемным зарядом изменений напряжения на промежутке. Отмечу, без дополнительной ионизации наибольшая энергия атомов; ≈0.1 eU [Сорокин А.Р. «Открытый разряд: структура, развитие, роль фотоэмиссии». // ЖТФ, т.66, №3, с.33-38, 1998], как это должно быть, если длина l соответствует аномальному разряду. Для условий фиг.4 следует предположить: l ~ λ перезарядки.
D
Можно заключить: с дополнительной ионизацией распределение атомов по энергиям может иметь резкий максимум, примерно соответствующий напряжению горения разряда U.
a
D
a
a
D
Для обеих разрядных ячеек, фиг.2, 3, в режиме дополнительной ионизации с ростом амплитудного значения напряжения питания U, повышалось U, осциллограмма j была гладкой, без начального пика, и отсутствовала осцилляция U. Начиная с определенной величины U, возникали осцилляции (с ячейкой фиг.3 менее выражено), и появлялся начальный пик j. Дальнейшее увеличение U не меняло U, но сопровождалось ростом j и Р.
D
cf
Осцилляции можно связать с взаимовлиянием встречных электронных пучков основного в сторону анода и вспомогательного для дополнительной ионизации, приводящим к росту их токов, не позволяющему повыситься U, и приводящему к стремлению l к λ.
2
Фиг.5 иллюстрирует поведение послесвечения спонтанного излучения от возбуждения газов различного состава (в Не - 13, в Не с добавкой 1% O, - 14, в воздухе - 12) быстрыми атомами в ячейке, фиг.3, с дополнительной ионизацией (кольцевой электрод - 3 с помощью переключателя - 7 подключен к сетчатому катоду - 2) и резким обрывом заднего фронта напряжения. Последнее достигалось подключением параллельно разрядному промежутку диода, который отсекал часть импульса напряжения обратной полярности (сопротивление разряда было несколько меньше волнового сопротивления ИЛ).
2
С ячейкой фиг.3 без дополнительной ионизации, как в прототипе (кольцевой электрод - 3 отсоединен от сетчатого катода - 2), не удалось согласовать сопротивления ИЛ и разряда, из-за требуемых для этого слишком больших напряжений, при которых терялась устойчивость разряда. Поэтому исследования проводились с той же ИЛ, но в режиме отражений импульса напряжения, фиг.6. Разряд в Не - 3.3 Topр с примесью 1% O. На осциллограмме U - 15 результат отражения импульса напряжения (вертикальные черточки) показан только в начале разряда. Осциллограмма интенсивности излучения Р - 17, вызванного возбуждением атомами, не повторяет форму осциллограммы тока - 16. Из-за большого времени послесвечения, фиг.5, происходит накопление атомов в возбужденном состоянии.
a
D
D
2
Сравнительные характеристики спонтанного излучения Р с дополнительной ионизацией и без исследовались при возбуждении Не давлением 3.3 Topр в ячейке фиг.3 при одной и той же исходной амплитуде зарядки ИЛ - U=4.9 кВ. С дополнительной ионизацией и без нее соотношения между Р в относительных единицах составили 35:5. При переходе к режиму с дополнительной ионизацией снизилось напряжение горения разряда U в максимуме Р с 4.2 до 2.4 кВ и увеличился ток j с 0.17 до 4 А/см. При напряжении горения разряда U 2.4 кВ без дополнительной ионизации интенсивность Р лежала вне порога чувствительности регистрирующей аппаратуры, т.е. снижалась на порядки.
Качественно картина с преобладанием излучения на порядки при подключении кольцевого электрода - 3 к сетчатому катоду - 2 сохранялась во всех опытах. Для Не до 10 Toрр. В воздухе до давления 2 Торра. В Ar до давления ~ 0.1 Toрp. Ограничения рабочего диапазона давления наступали из-за потери устойчивости разряда.
Неустойчивость разряда для предложенного способа, ограничивающая диапазон рабочих U, p, и длительности τ разряда связана с переходом разряда в искру. Искрение может возникать по трем причинам. Для устройства, фиг.1, из-за развития искры по поверхности диэлектрической стенки газоразрядной ячейки с места контакта кольцевого электрода - 3 с диэлектрической стенкой газоразрядной ячейки на анод - 4. Для устройств, фиг.2,3, неустойчивость развивается с кольцевого электрода - 3 на кромку отверстия в диэлектрической пластине - 5 и далее на анод - 4. Третий вид неустойчивости для всех устройств, фиг.1-3, - искра напрямую с сетчатого катода на анод из-за провисания электрического поля через отверстия сетчатого катода, достаточного для формирования КПП вне разрядного промежутка, что сопровождается резким ростом тока разряда. Первый тип неустойчивости проявляет себя при меньших значениях U, p, τ. Вторая и третья причины появления неустойчивости могут иметь одинаковое значение.
cf
e
4
Параметры разряда зависят от сорта газа, его давления, напряжения питания, материалов сетчатого катода, кольцевого электрода и диэлектрических пластин. Например, в Ar длина области катодного падения потенциала l в 5 раз меньше, чем в Не, что приводит к росту поля у поверхности сетчатого катода и к большему его проникновению в отверстия катода. Для повышения рабочего давления с подавлением электронного пучка внутри пучков атомов или молекул за счет провисания поля в область дрейфа следует использовать более мелкую катодную сетку. Уменьшая длительности время разряда τ можно на порядок увеличить амплитудные значения тока и потока атомов и молекул. Величина апертуры D эффективного формирования пучка атомов или молекул сверху ограничена длиной L пробега электронов вспомогательного пучка над поверхностью сетчатого катода, которая, очевидно, должна быть ≥ D/2. Определить длину пробега электронов - L с энергией eU=(100-10) эВ можно по формуле:
He
e
e
D
1.54
pL=6.3·10·(eU) Торр·см, а оценить - заменой U на U.
Устройство, фиг.1, содержит: сетчатый катод - 2 и анод - 4, которые образуют разрядный промежуток - d, кольцевой электрод - 3 с внутренним диаметром D. Все эти элементы помещены в единую газоразрядную ячейку. Устройства, фиг.2,3, дополнительно содержат диэлектрическую пластину - 5 с отверстием, равным D. Устройство, фиг.3, дополнительно содержит еще и диэлектрическую пластину - 6 с отверстием, равным D. Высоковольтный источник питания - 1 подсоединяют к сетчатому катоду - 2 и аноду - 4. Переключатель - 7 и сопротивления R1, R2. R3 не являются элементами устройств и служат для измерений параметров разряда.
Предложенные устройства работают следующим образом. Газоразрядную ячейку заполняют рабочим газом. Путем подачи напряжения от высоковольтного источника питания - 1 на сетчатый катод - 2 и анод - 4 зажигают разряд в промежутке d. В результате по периметру поверхности сетчатого катода - 2 с внутренней поверхности кольцевого электрода - 3 формируется электронный пучок, который распространяется над поверхностью сетчатого катода - 2 сечением D, вызывая дополнительную ионизацию газа, и в сторону сетчатого катода распространяется пучок атомов или молекул, используемый в области за сетчатым катодом по назначению. Диэлектрическая пластина - 5 с отверстием, прикрывающая плоскую часть кольцевого электрода - 3, ограничивает паразитный ток на анод - 4. Наличие диэлектрической пластины - 6 с отверстием, разделяющей сетчатый катод - 2 с кольцевым электродом - 3, позволяет дополнительно увеличить поток пучка атомов или молекул.
cf
cf
Использование предлагаемого изобретения, в сравнении с прототипом, позволяет получать на порядки большие потоки пучка атомов или молекул. Являясь более универсальным устройством, чем устройство прототипа, в нем дополнительно можно регулировать параметры разряда изменением элементов в катодном узле. Так, изменяя толщину кольцевого электрода δ можно регулировать интенсивность дополнительной ионизации газа и, следовательно, ток разряда и поток пучка атомов или молекул. Для повышения эффективности формирования пучка атомов или молекул можно кольцевой электрод отделить от остальной части катода диэлектрической пластиной так, чтобы вспомогательный электронный пучок не внедрялся в область катодного падения потенциала основного разряда (толщина диэлектрической пластины - 6 с отверстием, разделяющей сетчатый катод - 2 с кольцевым электродом - 3, должна быть больше l). В этом случае все ионы, появившиеся в своем движении к сетчатому катоду, будут участвовать в процессах перезарядки на всем протяжении области l катодного падения потенциала и, тем самым, возрастет поток пучка атомов или молекул. При разряде в газе, содержащем атомы и молекулы, пучок будет представлять собой смесь быстрых атомов и молекул. В предложенных устройствах обеспечивается более высокая стабильность разряда по отношению к искрообразованию, чем в прототипе. Работа устройств в квазистационарных условиях возбуждения разряда позволяет заключить о возможности его перевода в непрерывный режим, но с меньшим током разряда.