ПОЛЫЙ КАТОД ПЛАЗМЕННОГО ЭМИТТЕРА ИОНОВ Российский патент 1995 года по МПК H01J27/04 H01J17/06 

Изобретение относится к газоразрядным генераторам плазмы, в том числе к генераторам эмиттирующей ионы плазмы устройств для ионно-плазменной обработки изделий и источников ионов для обработки изделий ионным пучком.

Известен цилиндрический полый катод источника ионов, формирующего ионный пучок круглого сечения [1]. Высокая однородность плазмы внутри полого катода определяет достаточно однородное распределение по сечению пучка плотности тока ионов, вытягиваемых из плазмы с помощью сеточной ускоряющей системы. Это обеспечивает достаточную однородность обработки ионами изделий, установленных в зоне пучка.

Однако при обработке пучком круглого сечения изделий, перемещаемых в рабочей камере поперек пучка, доза облучения проходящих через центр пучка изделий выше, чем изделий, проходящих вблизи края пучка. Неоднородность обработки изделий, перемещаемых поперек пучка с круглым сечением, формируемого источником ионов с цилиндрическим полым катодом, является недостатком последнего.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является полый катод в виде протяженного параллелепипеда, содержащего боковые и торцовую стенки, открытого с одной стороны, являющийся катодом газоразрядной камеры источника ионов с ленточным пучком [2].

Источник ионов формирует ленточный пучок с постоянной по длине шириной сечения, практически совпадающего по форме с открытой в направлении эмиссионной сетки стороной полого катода. Распределение плотности ионного тока по сечению пучка достаточно однородно в центральной зоне сечения. Это определяется достаточной однородностью эмиттирующей ионы плазмы внутри катода, поддерживаемой ионизацией газа многократно пролетающими через плазму и отражающимися в катодных слоях быстрыми электронами. Последние проходят путь, на несколько порядков превышающий размеры катода, и успевают побывать во всех его частях до поглощения анодом. Однако через центр катодной полости электроны пролетают чаще, чем вблизи ее периферийной части. Поэтому концентрация плазмы уменьшается вблизи периферийных частей катода, а плотность тока ионов уменьшается вблизи периферийных частей сечения пучка.

При перемещении обрабатываемых изделий поперек такого ленточного пучка однородность обработки повышается по сравнению с пучком круглого сечения. Недостатком устройства является неоднородное вблизи периферийных частей катода распределение тока извлекаемых из катода ионов по длине катода, приводящее к снижению интенсивности обработки изделий, перемещаемых поперек извлекаемого из катода ленточного пучка вблизи периферийных частей его сечения.

Целью изобретения является увеличение однородности распределения тока извлекаемых из катода ионов по длине катода.

Цель достигается тем, что полый катод плазменного эмиттера ионов, содержащий боковые и торцовую стенки, образующие протяженную полость с эмиссионным отверстием, ограниченным боковыми стенками, согласно изобретению имеет ширину полости вблизи периферийных частей полого катода, превышающую ширину его полости в центральной части.

При увеличении ширины полого элемента катода вблизи его периферийных частей отношение концентрации плазмы вблизи периферийной части катода к концентрации плазмы в его центральной части не уменьшается по сравнению с полым катодом постоянной по длине ширины. Напротив это отношение может несколько увеличиться, так как в катодной полости предлагаемой геометрии осциллирующие в направлении ширины полости электроны, отражаясь от ее боковых стенок, смещаются преимущественно к периферии полости. В результате частота ионизации и относительная концентрация плазмы вблизи периферийных частей могут увеличиться. Так как распределение тока извлекаемых из полого катода ионов по длине катода выражается интегралом от плотности тока ионов по ширине катодной полости, увеличение ширины катодной полости вблизи периферийных частей катода, не приводящее к уменьшению относительной концентрации плазмы и относительной плотности тока ионов вблизи периферийных частей, позволяет повысить величину интеграла вблизи периферийных частей до его величины в центре катода.

Технический результат достигается при коррекции распределения ширины полости по длине полого катода, обеспечивающей уменьшение неоднородности обработки изделий до заданного уровня, обычно 5-10%. Например, если при постоянной по длине катода ширине полости на некотором расстоянии от центральной части катода плотность тока уменьшается в 1,5 раза, то в первом приближении ширину полости в этом месте целесообразно увеличить также в 1,5 раза по сравнению с центральной частью. Как показывает практика, подбор геометрии полости таким опытным путем дает вполне удовлетворительные результаты. Таким образом, увеличивается однородность распределения тока извлекаемых из катода ионов по длине катода, а в результате повышается однородность обработки перемещаемых поперек формируемого ленточного ионного пучка изделий.

На фиг. 1 представлен предлагаемый катод в разрезе; на фиг. 2 показано сечение А-А на фиг. 1; на фиг. 3 представлен источник ионов с ленточным пучком, содержащий предлагаемый катод.

Катод 1 выполнен в виде протяженного полого катода, открытого с одной стороны, имеющего отверстие в стенке, через которое в полость вводится анод 2. Анод может располагаться и снаружи катодной полости вблизи отверстия. Глубина a катодной полости постоянна на всей длине катода, а ее ширина b вблизи периферийных частей катода превышает ширину с в центральной части катода. В источнике ионов с ленточным пучком, содержащем герметичный корпус 3, установленный на окне (люке) рабочей вакуумной камеры 4, эмиссионную сетку 5, источник 6 электропитания разряда, источник 7 ускоряющего и источник 8 сеточного напряжений, полый катод 1 установлен внутри корпуса 3 и обращен открытой стороной в направлении сетки 5. Источник 6 подключен отрицательным полюсом к катоду, а положительным к аноду 2 и положительному полюсу источника 7. Отрицательный полюс последнего подключен к камере 4. Источник 8 подключен положительным полюсом к камере, а отрицательным к сетке 5.

Преимущества предлагаемого полого катода раскрываются в примере его использования в источнике ионов с ленточным пучком.

Устройство работает следующим образом. Вакуумную камеру 4 откачивают до давления 10^-3 Па. Подачей ионообразующего газа устанавливают рабочее давление внутри полого катода 0,1 Па. Включением источника 6 прикладывают между катодом 1 и анодом 2 разрядное напряжение 0,5 кВ. Включением источника 7 на анод 5 подают ускоряющее напряжение, превышающее разрядное. Включением источника 8 на сетку подают напряжение отрицательной полярности. С помощью поджигающего устройства (на фигурах не показано) инициируют стационарный тлеющий разряд с полым катодом. В результате полость катода заполняется достаточно однородной плазмой 9, эмиттирующей ионы с энергией в сотни электронвольт на катод 1.

Образованные в результате ионно-электронной эмиссии и ускоренные в катодном слое электроны 10, многократно отражаясь в катодном слое, ионизируют газ, а затем поступают на анод 2. При этом электроны, осциллирующие в направлении ширины полости, отклоняются преимущественно в сторону периферийных частей катода, ускоренные в слое 11 положительного объемного заряда между сеткой 5 и плазмой 9 ионы поступают частично на сетку 5 с высокой прозрачностью, а через ячейки сетки в камеру 4 в виде ленточного пучка с возрастающей на периферии шириной сечения.

Отрицательное напряжение на сетке 5 препятствует поступлению в полый катод встречного пучка электронов из камеры 4, что повышает КПД источника ионов. Увеличение ширины катодной полости и сечения пучка повышает величину интеграла плотности ионного тока по ширине сечения пучка вблизи его периферийных частей, что приводит к выравниванию распределения тока пучка по длине его сечения.

Пример конкретного исполнения. В источнике ионов с прямоугольным полым катодом длиной 35 см, глубиной 8 см и шириной 10 см распределение тока 300 МА пучка с энергией 2 кэВ по длине его сечения имело максимум в центре. На расстоянии 8,5 см величина тока пучка, приходящаяся на единицу длины его сечения, уменьшалась на 10%, на расстоянии 11 см - на 20%, а на расстоянии 15 см - на 50%.

Вместо указанного полого катода в источнике ионов установлен полый катод длиной 35 см, глубиной 8 см с переменной по длине шириной, составлявшей 8 см в центре и на расстоянии 5 см от него, 10 см на расстоянии 10 см от центра, 12 см на расстояниях 15 см и 17,5 см от центра. Измерения показали, что при равных токе и энергии пучка длина центральной зоны с 10%-ной неоднородностью распределения тока пучка возросла от 17 до 30 см, а длина зоны с 20%-ной неоднородностью - от 22 до 32 см.

По сравнению с прототипом предлагаемый полый катод отличается повышенной однородностью распределения тока ионов из полого катода по длине катода и обеспечивает однородную обработку перемещаемых поперек извлекаемого из катода ленточного пучка изделий.

Использование: в газоразрядных генераторах плазмы, в том числе в устройствах для ионно-плазменной обработки изделий. Сущность изобретения: катод плазменного эмиттера ионов выполнен в виде протяженного полого катода, открытого с одной стороны, с шириной полости вблизи его периферийных частей, превышающей ширину полости в его центральной части. 3 ил.

ПОЛЫЙ КАТОД ПЛАЗМЕННОГО ЭМИТТЕРА ИОНОВ, содержащий боковые и торцевую стенки, образующие протяженную полость с эмиссионным отверстием, ограниченным боковыми стенками, отличающийся тем, что он выполнен с шириной полости вблизи его периферийных частей, превышающей ширину полости в его центральной части.