RU2002333C1 - Ионный источник - Google Patents

Abstract

Использование: дл  комплексной поверхности вакуумно-плазменной обработки инструмента, деталей машин и иных изделий. Сущность изобретени ; в разр дной полости вакуумной камеры ионного источника возбуждаетс  двухступенчатый ваку- умно-дуговой разр д с интегрально-холодным катодом Дл  этого между анодом и катодом устанавливаетс  перегородка, дел ща  разр дную полость на катодную и анодную части. Кроме того, анодна  часть разр дной полости через эмиссионную сетку сообщаетс  с рабочей полостью вакуумной камеры а в цепи источника питани  двухступенчатого разр да установлено токовое репе, исполнительный орган которого расположен в цепи источника питани  сетки и источника ускор ющего напр жени . 2 зпф-лы, 2 ил.

Description

IS

Изобретение относитс  к технике получени  сильноточных ионных пучков большого сечени .

Широко распространены ионные источники Кауфмана. В них электроны эмиттиру- ютс  накал емым катодом, расположенным на оси цилиндрической разр дной камеры, помещаемой в слабое продольное магнитное поле. Анодом служит часть цилиндра. Электроны движутс  в скрещенных магнитном и электрическом пол х по спиральным траектори м вокруг оси, в результате увеличиваютс  длина их пробега и веро тность ионизации рабочего газа. Ионы выт гиваютс , ускор ютс  и фокусируютс  двух- или трехэлектродной ионно-оптической системой . Недостатком источников Кауфмана  вл етс  относительно небольшой срок службы накаливаемых катодов (несколько дес тков часов).

Известен источник пучков зар женных частиц большого сечени  на основе тлеющего разр да с холодным полым катодом. Источник содержит камеру, в которой П-об- разные полые катоды образуют разр дную полость. Сквозь отверстие в полом катоде в разр дную полость проходит анод. Все катоды изолированы друг от друга и соединены с регулируемым источником разр дного напр жени  через отдельные резисторы, что предотвращает переход разр да в дугу, Эмиссионна  сетка с высокой прозрачностью (70-90%) изолирована от разр дной полости и рабочей полости вакуумной камеры . Источник ионов имеет источник электропитани  тазового разр да, из плазмы которого извлекаютс  ионы, источник напр жени , подключенный отрицательным полюсом к сетке и отсекающий ток электронов из синтезированной плазмы через сетку в полость разр дной камеры, и источник ускор ющего напр жени .

В источнике с площадью эмиссионной сетки 1000 см величина ионного тока составл ет 1 А. Таким образом, плотность ионного тока составл ет 1 мА/см . Увеличение плотности ионного тока может быть достигнуто за счет разветвлени  поверхности ка- года, что усложн ет конструкцию.

Тезисы докладов, стать  А.С.Метель. Источники пучков зар женных частиц большого сечени  на основе тлеющего разр да с холодным полым катодом, Изд-во Улан- Уде, Бур тский институт естественных наук СО АН СССР-, июнь 1991. с. 77-81, рис.2. В сб.: Плазменна  эмиссионна  электроника.

Цель изобретени  - повышение плотности ионного тока.

0

5

0

5

0

5

0

5

0

5

Поставленна  цель достигаетс  тем, что в предлагаемом ионном источнике, содержащем вакуумную камеру с сообщающимис  между собой через эмиссионную сетку и электрически изолированными от нее рабочей и разр дной полост ми, в последней из которых установлены катод и анод газового разр да, а также источник электропитани  газового разр да, подключенный к электродам , источник ускор ющего напр жени , отрицательный полюс которого подключен к стенке рабочей полости, и источник напр жени , отрицательный полюс которого подключен к эмиссионной сетке, катод выполнен в виде интегрально-холодного катода вакуумно-дугового разр да, между катодом и анодом установлена перегородка, не проницаема  дл  ионов металла, генерируемых с поверхности катода, но проницаема  дл  электронов, раздел юща  разр дную полость на катодную и анодную части, с рабочей полостью вакуумной камеры через эмиссионную сетку сообщена анодна  часть разр дной полости, а в цепи электропитани  вакуумно-дугового разр да установлено токовое реле, исполнительный орган которого включен в цепь ускор ющего напр жени  и в цепь электропитани  сетки . Ионный источник может быть снабжен дополнительным электроизолированным от камеры электродом, соединенным с отрицательным полюсом дополнительного источника тока и расположенным в анодной части разр дной полости против сетки. Дополнительный электрод предпочтительно выполн ть из материала, отличного от материала катода.

Реализаци  поставленной цели достигаетс  за счет использовани  дл  создани  плазмы, из которой генерируютс  ионы, более сильноточного вакуумно-дугового разр да , от величины которого зависит степень ионизации плазмы, и, следовательно, извлекаемый из нее ионный ток не зависит от геометрических размеров катода, а определ етс  его теплофизическими свойствами. Не составл ет труда получение разр дных токов в дес тки мА/см2.

На фиг.1 показан ионный источник; на фиг.2 - вариант источника с дополнительным распыл емым электродом.

Ионный источник (фиг.1) содержит вакуумную камеру 1, в разр дной полости 2 которой размещены напротив друг друга интегрально-холодный катодЗ вакуумно-дугового разр да и анод 4. Вблизи катода 3 установлена не проницаема  дл  ионов металла , генерируемых с поверхности катода,

но проницаема  дл  электронов перегородка 5, котора  делит разр дную полость 2 на катодную и анодную части 6 и 7.-Разр дна  полость электроизолирована от рабочей полости 8 вакуумной камеры 1 изол торами 9. Между анодной частью 7 разр дной полости 2 и рабочей полостью 8 вакуумной камеры 1 установлена сетка 10 на изол торах 11.

Электропитание источника ионов проводитс  от источника 12 электропитани  ва- куумно-дугового разр да, источника 13 ускор ющего напр жени  (электропитани  камеры) и источника 14 напр жени  (электропитани  сетки 10). В цепи электропитани  вакуумно-дугового разр да установлено токовое реле 15, исполнительный орган 16 которого (нормально открытые контакты) включен в цепь электропитани  эмиссионнойсетки Юи в цепь ускор ющего напр жени .

В анодной части 6 разр дной полости 2 может быть установлен дополнительный электроизолированный от камеры посредством изол тора 17 распыл емый электрод 18 (фиг.2), соединенный с отрицательным полюсом источника 19 электропитани . Работает ионный источник следующим обоа- зом. Вакуумна  камера 1 системой откачки откачиваетс  до давлени  10 Па и затем в нее напускаетс  рабочий газ (например, аргон ) до давлени  10 Па. С помощью системы поджига между катодом 3 и анодом 4 в разр дной полости 2 возбуждаетс  двухступенчатый вакуумно-дуговой разр д (ДВДР). Разр д формируетс  с помощью не проницаемой дл  ионов металла, генерируемых с поверхности катода, перегородки 5. Катодна  часть 6 разр дной полости 2 заполнена металлогазовой плазмой. Ионы металла генерируютс  в катодном п тне дуги и распростран ютс  с поверхности катода 3 по пр молинейным траектори м. Поскольку перегородка 5 непроницаема дл  ионов металла , ионы металла задерживаютс  ей и в анодную часть 7 разр дной полости 2 не попадают.

Анодна  часть 7 разр дной полости 2 заполнена положительным столбом чисто газовой плазмы, образуемой электродами, проход щими через перегородку 5 под воздействием электрического пол  анода 4. При возникновении разр дного тока в цепи катода 3 и анода 4 срабатывает токовое реле 15, которое своим исполнительным органом 16 (нормально открытые контакты) включает источник 13 ускор ющего напр жени  и источник 14 напр жени . Така  последовательность включени  источников

напр жени  (сначала включаетс  источник 12, и только после возбуждени  разр да - источники 13 и 14) обусловлена необходимостью возбуждени  разр да. Напр жение

на сетке выбираетс  из услови  необходимой энергии ионов и создани  границы газовой плазмы, с поверхности которой происходит ускорение ионов, не выход щей за пределы сетки. Первое условие задаетс 

технологическими требовани ми, второе определ етс  из услови 

d 2 °

1 (2е) 1/4 U2/4 (9 р1М/ Т7

где d - ширина сло  ионного объемного зар да , отдел ющего коллектор ионов (сетку) от границы плазмы;

h - характерный размер сетки (рассто ние между соседними элементами сетки),

М - масса иона:

Uo - напр жение между плазмой и сеткой;

j - плотность тока положительных ионов на сетку.

Под действием отрицательного потенциала относительно положительного столба плазмы газового разр да положительные ионы плазмы ускор ютс  в слое объемного зар да . Часть ионного потока осаждаетс  на сетке 10, а часть (примерно пропорциональна 

коэффициенту прозрачности сетки) пролетает сквозь сетку 10 и п роизводит обработку изделий, размещенных в рабочей полости 8 вакуумной камеры 1. Нейтрализаци  обьем- ного зар да ионов осуществл етс  вторичными электронами, образуемыми при бомбардировке изделий и стенок камеры 1 ускоренными ионами. Источник 14 напр жени  создает двойной слой в рабочей полости 8 вакуумной камеры между сеткой и

вторичной плазмой в объеме полости 8, преп тствующий уходу электронов из объема полоти 8 в анодную часть 7 разр дной полости 2. Было экспериментально показано, что величина ионного тока, извлекаемого из

положительного столба газовой плазмы ДВДР на всю площадь коллектора ионов SK (площадь коллектора ионов - вс  площадь анодной части 7 разр дной полости 2. включа  площадь анода 4, сетки 10 (Sc) и перегородки 5) с учетом коэффициента прозрачности сетки 10

I 0,.

(Поскольку в ДВДР ток разр да определ етс  только теплофизическими свойствами ох- лаждаемого катода, то ионный ток в устройстве ограничиваетс  в основном тепловыми возможност ми сетки 10.

Работоспособность источника ионов определ лась на установке, изображенной на фиг.1. В вакуумной камере установки устанавливалась на верхнем фланце, на котором расположен катод из алюмини , перегородка 4 в виде шеврона. Испаритель (катод 3) устанавливалс  на резиновой прокладке , котора  выполн ла функцию герметизатора и уплотнител  одновременно. На нижнем фланце камеры размещалс  водо- охлаждаемый медный анод диаметром 90 мм. Через всю камеру от верхнего до нижнего фланцев устанавливалась сетка из четырех изолированных друг от друга секций диаметром 100 мм и общей длиной 320 мм (коэффициент прозрачности сетки 0,5). Разр д запитывалс  от источника 11 электропитани . Напр жение на разр де 42В при токе

о

разр да 40 А. Напр жение источника 13 ус- кор ющего напр жени  составл ло 500В.

о

Суммарна  сила тока в секци х сетки 3,1 А. Сила ионного тока, замеренна  в цепи ускоо

р ющего напр жени , составл ла 5,9 А. При площади сетки 1000 см2 плотность ионного тока составл ет 2,9 мА/см2, что в 2,9 раза выше, чем в устройстве, вз том в качестве прототипа. Преп тствием к дальнейшему

повышению ионного тока, извлекаемого из источника,  вл етс  ограниченность мощности примененного дл  этих целей источника 13 ускор ющего напр жени . Эксперимент показал, что повышение тока

разр да ведет к пропорциональному увеличению ионного тока.

Claims (3)

1. ИОННЫЙ ИСТОЧНИК, содержащий вакуумную камеру с сообщающимис  между собой через эмиссионную сетку и электрически изолированными от нее рабочей и разр дной полост ми, в последней из которых установлены катод и анод газового разр да, источник электропитани  газового разр да, подключенный к электродам, источник ускор ющего напр жени , отрицательный полюс которого подключен к стенке рабочей полости, и источник напр жени , отрицательный полюс которого подключен к эмиссионной сетке, отличающийс  тем, что катод выполнен в виде тегрально-холодногокатода

вакуумно-дугового разр да, между катодом и анодом установлена перегородка, не проницаема  дл  ионов металла, генерируемых с поверхности катода, но проницаема  дл  электронов, раздел юща 

разр дную полость на катодную и анодную части, при этом ччрез эмиссионную сетку с рабочей полостью вакуумной камеры сообщена анодна  часть разр дной полости, причем в цепи электропитани  вакуумно- дугового разр да установлено токовое реле , исполнительный орган котооого включен в цепь электропитани  эмиссионной сетки и в цепь ускор ющего напр жени .

2. Источник по п.1, отличающийс  тем, что он снабжен дополнительным распыл емым электродом, электроизолированным от камеры и соединенным с отрицательным полюсом дополнительного источника тока, при этом распыл емый электрод расположен в анодной части разр дной полости напротив эмиссионной сетки.

3. Источник по п.2, отличающийс  тем, что -дополнительный распыл емый электрод выполнен из материала, отличного от материала катода.

Я