СПОСОБ ГЕНЕРИРОВАНИЯ ИОННОГО ПУЧКА Российский патент 1995 года по МПК H01J27/08 

Изобретение относится к технике получения сильноточных ионных пучков большого сечения.

Известен способ генерирования ионного пучка посредством ионных источников Кауфмана (1). Согласно данному способу накаляемый катод, эмиттирующий электроны, располагают на оси цилиндрической разрядной камеры, которую, в свою очередь, помещают в слабое магнитное поле. Анодом в данном случае служит часть цилиндра. При этом способе генерирования ионного пучка электроны движутся в скрещенных магнитных и электрических полях по спиральным траекториям вокруг оси. В результате чего увеличивается длина их пробега и вероятность ионизации рабочего газа. Ионы вытягиваются, ускоряются и фокусируются ионно-оптической системой. Существенным недостатком генерирования ионного пучка по способу, реализованному в источниках Кауфмана, является относительно небольшой срок службы накаливаемых катодов (несколько десятков часов).

Наиболее близким к предлагаемому является способ генерирования ионного пучка [2] включающий возбуждение в замкнутой разрядной полости вакуумной камеры между катодом и анодом электрического газового разряда, подачу на электрически изолированную от вакуумной камеры эмиссионную сетку отрицательного потенциала для формирования границы плазмы между разрядной полостью и сообщающейся с ней изолированной рабочей полостью вакуумной камеры, а также подачу ускоряющего отрицательного потенциала в зону изолированной рабочей полости вакуумной камеры.

При генерировании ионного пучка согласно данному способу, например, в установке с площадью эмиссионной сетки 1000 см² величина ионного тока составляет 1 А. Таким образом, плотность ионного тока составляет 1 mA/см². Увеличение плотности ионного тока может быть достигнуто за счет разветвления поверхности катода, а это усложняет конструкцию и, соответственно, уменьшает надежность установки.

Цель изобретения повышение плотности ионного тока при повышении надежности установки в целом.

Цель достигается за счет того, что в способе генерирования ионного пучка, включающем возбуждение в замкнутой разрядной полости вакуумной камеры между катодом и анодом газового разряда, подачу на электрически изолированную от вакуумной камеры эмиссионную сетку отрицательного потенциала для формирования границы плазмы между разрядной полостью и сообщающейся с ней изолированной рабочей полостью вакуумной камеры и ускорения ионов в разрядной полости возбуждают двухступенчатый вакуумно-дуговой разряд с интегрально-холодным катодом, включающий разделенные металлогазовую и газовую ступени, первую из которых отделяют от рабочей полости камеры, сетку располагают в зоне газовой ступени разряда, при этом в зоне столба газовой плазмы создают магнитное поле, силовые линии которого расположены в плоскостях, перпендикулярных направлению тока разряда и имеют направление, обеспечивающее смещение тока разряда в сторону сетки. Сетка может быть расположена в зоне газовой ступени по замкнутому контуру симметрично относительно оси разрядной полости камеры, а магнитное поле создают посредством установки по оси сетки изолированного от плазмы проводника, по которому пропускают ток. Сетку можно располагать в зоне газовой ступени в плоскости раздела разрядной и рабочей полостей, а магнитное поле создают посредством установки оппозитно сетке со стороны разрядной полости и за ее пределами проводника в виде плоской пластины из электропроводного материала, расположенной параллельно сетке, при этом по пластине пропускают ток.

Разрядную полость камеры разделяют на две симметричные части перегородкой, один конец которой располагают с зазором относительно стенки разрядной полости камеры, расположенной противоположно катоду, анод и катод размещают со стороны второго закрепляемого на стенке камеры, конца перегородки по разные стороны от нее, а сетку располагают с охватом перегородки по всей ее поверхности расположенной в зоне газовой ступени разряда. Концы проводника можно подключать к автономному источнику питания. Один конец проводника можно подключать к положительному полюсу источника питания дугового разряда, а второй к аноду. Устанавливаемую перегородку выполняют преимущественно из неэлектропроводного материала.

Цель (в части повышения плотности ионного тока) достигается за счет использования для создания плазмы, из которой генерируются ионы, более сильноточного вакуумно-дугового разряда, от величины которого зависит степень ионизации плазмы, и, следовательно, извлекаемый из нее ионный ток не зависит от геометрических размеров катода и определяется его теплофизическими свойствами. Вторым фактором, повышающим плотность тока в предложенном способе, является создание в зоне столба газовой плазмы магнитного поля, силовые линии которого нормальны по направлению электрического поля и направлены в определенную сторону, с возможностью создания усилия, смещающего электронный ток разряда в направлении сетки. При этом плотность электронного тока разряда становится неоднородной и имеет максимальную величину плотности вблизи сетки. При этом возрастает плотность ионного тока, извлекаемого отрицательно зараженной сеткой, поскольку в районе сетки возрастает степень ионизации плазмы.

Для создания аксиально симметричного потока ионов внутри вакуумной камеры сетку располагают в зоне газовой ступени по замкнутому контуру симметрично оси разрядной полости камеры, и в виде полого цилиндра, образующей поверхностью которого является сетка, а магнитное поле создают посредством установки по оси цилиндра, изолированного от плазмы проводника с током. Направление тока в проводнике выбирают противоположным направлению тока разряда. При таком направлении токов, круговое магнитное поле, возникающее в проводнике, создает на движущиеся электроны силу Лоренца, вынуждающую электроны смещаться в направлении сетки и, тем самым, повышая плотность ионного тока, извлекаемого эмиссионной сеткой.

При необходимости создания параллельного ионного потока сетку располагают по плоскости раздела разрядной и рабочей полостей камеры, а за пределами разрядной полости оппозитно сетке и параллельно ей устанавливают пластину из электропроводного материала по которому пропускают ток. Направление тока в пластине противоположно направлению тока разряда. Вокруг пластины образуется магнитное поле силовые линии которого нормальны току разряда и вынуждают поток электронов сместиться в направлении сетки, увеличивая плотность извлекаемого с помощью сетки ионного тока.

Целесообразно в вышеуказанных вариантах реализации способа проводник или пластину подключать к автономному регулируемому источнику питания. В этом случае изменяя величину тока в проводнике можно изменять плотность ионного тока.

Для упрощения установки для реализации способа возможно проводник использовать в качестве токопровода к аноду, используя для регулировки плотности ионного тока любые известные способы. Для получения противоположно направленных параллельных ионных потоков разрядную полость камеры разделяют на две симметричные части перегородкой, один конец которой располагают с зазором относительно стенки разрядной полости камеры, расположенной противоположно катоду, анод и катод размещают со стороны второго, закрепляемого на стенке камеры конца перегородки по разные стороны от нее, а сетку располагают с охватом перегородки по всей ее поверхности, расположенной в зоне газовой ступени разряда. В этом способе электронный ток проходит в положительном столбе газовой плазмы по обе стороны перегородки в противоположных направлениях. Магнитные поля этих токов создают силы вынуждающие токи, текущие в плазме сместиться в направлении сетки.

На фиг.1, 2, 3 и 4 изображены варианты установок для реализации способа; на фиг.5 вид А фиг.4.

Ионный источник для реализации способа (фиг.1) содержит вакуумную камеру 1, внутри камеры 1 на ее верхнем торце установлен угловой патрубок 2, угловой патрубок 2 изолирован от фланца камеры 1 изолятором 3. На глухом торце углового патрубка 2 установлен интегрально-холодный катод 4 вакуумно-дугового разряда, внутри вакуумной камеры, по ее оси установлена эмиссионная сетка 5 в виде полого цилиндра. Вблизи наиболее удаленного от катода торца сетки, противоположно ему установлен анод 6. Токоподвод к аноду 6 проходит внутри сетки 5 по ее оси внутри термоизоляционной трубки 8. Электропитание вакуумно-дугового разряда осуществляется от источника 9 постоянного тока. Экстракция и ускорение ионов с помощью эмиссионной сетки производится высоковольтным источником 10, подключаемым к сетке через ключ 11. На нижнем фланце камеры расположен катод 12 вакуумно-дугового разряда с экраном 13 и источником питания 14, предназначенным для нейтрализации объемного положительного заряда, возникающего в вакуумной камере, электронами дугового разряда. В рабочей полости вакуумной камеры устанавливаются обрабатываемые изделия 15.

Установка (фиг. 2) содержит вакуумную камеру 1 с установленной в ней изолированной разрядной камерой (полостью) 16. На торце разрядной камеры 16 установлены катод 4 и анод 6 вакуумно-дугового разряда, между которыми расположена перегородка 17. Перегородка 17 образует зазор 18 с торцевой стенкой разрядной камеры. Вблизи катода 4 установлены оптически непрозрачный, но проницаемый для электронов экран 19. Параллельно перегородке установлена эмиссионная сетка 5. Напротив сетки расположены обрабатываемые изделия 15. Катод и анод двухступенатого вакуумно-дугового разряда подключены к источнику питания 9. Эмиссионная сетка подключена к источнику питания 10.

Ионный источник (фиг. 3 и 4) содержит вакуумную камеру 1, состоящую из рабочей 20 и разрядной 21 полостей. В разрядной полости вблизи одного из оснований с размерами а и b установлен катод 4 и непроницаемый для ионов, но проницаемый для электронов разряда экран 19. У противоположного основания с теми же размерами установлен анод 6 вакуумно-дугового разряда. Экран 19 делит разрядную полость на катодную и анодную части. В анодной части разрядной полости имеется прямоугольное отверстие, через которое разрядная полость сообщается с рабочей полостью вакуумной камеры 1. Разрядная и рабочая полости сообщаются между собой через изолирующую прокладку 3. В прямоугольном отверстии установлена эмиссионная сетка 5. Снаружи разрядной полости со стороны ее основания с размерами b˙c установлена металлическая пластина 22 по всей длине анодной части разрядной полости. Размер сечения пластины, по крайней мере не менее размера b в разрядной полости. Электропитание вакуумно-дугового разряда осуществляется от источника питания 9 постоянного тока. Извлечение ионного потока из плазмы газового разряда анодной части в разрядной полости производится с помощью отрицательного потенциала на эмиссионной сетке 5 от высоковольтного источника 10. Магнитное поле от пластины 22 образуется с помощью источника 23. На фиг.4 и 5 также показан штриховкой столб плазмы.

Осуществляется заявленный способ следующим образом.

В разрядной полости вакуумной камеры 1 между катодом 4 и анодом 6 при парциальном давлении рабочего газа (аргон, азот, кислород, углеводородсодержащие газы) 10^-1-10 Па возбуждается двухступенчатый вакуумно-дуговой разряд. В разрядной полости 21 образуются две области катодная и анодная, границей которых служит оптически непрозрачная, но проницаемая для электронов перегородка 19 (шеврон). Катодная часть разрядной полости 3 заполнена металлогазовой плазмой, анодная часть чисто газовой плазмой. Газовая плазма равномерно заполняет все пространство анодной части, поэтому ток ионов в направлении прямоугольного отверстия составляет S_ок/S_ач, где S_ок площадь прямоугольного окна, S_ач площадь анодной части разрядной камеры. Если по пластине 22, пропустить электрический ток от источника 9 (фиг.3) или источника 23 (фиг.4) постоянного тока в направлении, при котором разрядный ток I_р направлен во встречном направлении, то вокруг пластины образуется магнитное поле. Такое же магнитное поле образуется вокруг плазменного токового шнура в анодной части разрядной камеры. Между магнитными полями возникает силовое взаимодействие, которое вынуждает плазменный токовый шнур отжиматься в направлении сетки 5. Таким образом, повышается поток ионов на сетку и снижается поток ионов на стенки анодной части разрядной камеры. При подаче высоковольтного отрицательного потенциала на сетку, относительно газовой плазмы, заполняющей анодную часть разрядной камеры, вблизи сетки появляется двойной электрический слой, из которого извлекаются ионы газовой плазмы. В электрическом поле двойного слоя ионы ускоряются и проникают в рабочее пространство вакуумной камеры, в котором установлены обрабатываемые изделия 15. Для нейтрализации объемного положительного заряда ионов, в рабочей части вакуумной камеры располагают нейтрализатор (фиг.1). Им может быть накаляемая вольфрамовая спираль, обеспечивающая эмиссию электронов, для нейтрализации ионного потока ионного источника.

Расстояние между элементами сетки d должно быть таким, чтобы выполнялось соотношение
2d< где d ширина слоя ионного объемного заряда, отделяющего коллектор ионов (сетку) от границы плазмы;
М масса иона рабочего газа;
U напряжение на сетке;
j плотность тока положительных ионов на сетку.

Проверка работоспособности способа производилась на источнике ионов (фиг. 3). Был изготовлен макет, который имел следующие рабочие характеристики: а расстояние от основания разрядной полости до сетки 30 мм; b ширина разрядной полости 150 мм; с длина разрядной полости 900 мм; размер окна, в котором установлена сетка 720х150 мм; размер сетки 700х140 мм; напряжение на сетке 1000 В; размер ячеек сетки 3х3; диаметр проволоки сетки 0,5 мм; прозрачность сетки 0,7; ток сетки 2,3 А; ток ионов на зонд, установленный в 20 мм от сетки 5,5 А; ток разряда 50 А; катод из алюминия, пластина включена последовательно с анодом; напряжение между анодом и катодом 80 В. При подключении положительного полюса источника питания непосредственно к аноду, минуя пластину, ионный ток составляет 2 А вместо 5,5 А по предлагаемому способу.

Использование: для вакуумно-плазменной обработки инструмента, деталей машин и прочих изделий. Сущность изобретения: в разрядной полости вакуумной камеры возбуждают двухступенчатый вакуумно-дуговой разряд с интегрально-холодным катодом, включающий разделенные металлогазовую и газовую ступени. Эмиссионную сетку располагают в зоне газовой ступени разряда. Подачу отрицательного потенциала на сетку и в зону рабочей полости вакуумной камеры осуществляют после поджига дуги разряда. При этом металло-газовую ступень последнего отделяют от рабочей полости камеры. Кроме того, в зоне столба газовой плазмы создают магнитное поле, силовые линии которого расположены в плоскостях, перпендикулярных направлению тока разряда и имеют направление, обеспечивающее смещение разрядного канала в сторону сетки. 6 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. СПОСОБ ГЕНЕРИРОВАНИЯ ИОННОГО ПУЧКА, включающий возбуждение между катодом и анодом, установленными в замкнутой разрядной полости вакуумной камеры, электрического газового разряда, формирование эмиссионной границы плазмы между разрядной полостью и сообщающейся с ней электрически изолированной рабочей полостью вакуумной камеры и ускорение ионов путем подачи отрицательного потенциала на электрически изолированную от вакуумной камеры эмиссионную сетку, отличающийся тем, что в разрядной полости возбуждают двухступенчатый вакуумно-дуговой разряд с интегрально-холодным катодом с пространственно разделенными металлогазовой и газовой ступенями, при этом металлогазовую ступень разряда пространственно отделяют от рабочей полости вакуумной камеры и осуществляют подачу отрицательного потенциала на эмиссионную сетку, расположенную в зоне газовой ступени разряда, причем в газовой плазме вдоль разрядного канала создают магнитное поле, силовые линии которого перпендикулярны направлению тока разряда и направлены таким образом, чтобы обеспечивалось смещение плазмы разрядного канала в сторону эмиссионной сетки. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что используют эмиссионную сетку замкнутой формы, размещенную вокруг зоны газовой ступени разряда симметрично относительно продольной оси симметрии разрядной полости камеры, а магнитное поле создают с помощью изолированного от плазмы проводника в виде стержня, установленного в разрядной полости соосно с эмиссионной сеткой, через который пропускают ток противоположного направления по отношению к току разряда. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что используют эмиссионную сетку, установленную в плоскости раздела разрядной и рабочей полостей камеры, а магнитное поле создают с помощью проводника в виде плоской пластины, установленной параллельно сетке с противоположной ей внешней стороны разрядной полости камеры, при этом через пластину пропускают ток противоположного направления по отношению к току разряда. 4. Способ по пп. 2 и 3, отличающийся тем, что концы проводника подключают к дополнительному источнику электропитания. 5. Способ по пп. 2 и 3, отличающийся тем, что один конец проводника подключают к положительному полюсу источника электропитания дугового разряда, а другой к аноду. 6. Способ по п.1, отличающийся тем, что разрядную полость пространственно разделяют на две симметричные части с помощью перегородки, один торец которой расположен с зазором относительно стенки разрядной полости камеры, а другой закреплен на противоположной стенке камеры, вдоль которой с противоположных сторон перегородки установлены соответственно анод и катод, причем используют эмиссионную сетку, охватывающую перегородку в зоне газовой ступени разряда по всей ее поверхности. 7. Способ по п.6, отличающийся тем, что используют перегородку, выполненную из неэлектропроводного материала.