ПЛАЗМЕННЫЙ ИСТОЧНИК ОТРИЦАТЕЛЬНЫХ АТОМАРНЫХ ИОНОВ Российский патент 1997 года по МПК H01J33/00 H01J27/02 

Изобретение относится к области электротехники, в частности к электронным и газоразрядным устройствам, и может быть использовано при создании устройств, моделирующих условия ионосферы Земли, в научных исследованиях характеристик элементарных процессов при столкновениях отрицательных ионов с нейтральными и заряженными частицами, а также при генерации атомных пучков.

В настоящее время весьма актуальной является задача создания технологических плазменных источников моноэнергетичных пучков отрицательных ионов низких энергий (несколько эВ). При физическом моделировании воздействия потоков атомарного кислорода на наружную бортовую аппаратуру космических аппаратов, функционирующих на низких околоземных орбитах, особенно важно получение ионных пучков без сопутствующих электронов, затрудняющих моделирование натурных условий вследствие ионизации и возбуждения.

Авторам не известны плазменные источники пучков атомарных ионов, не содержащих электронной компоненты.

Известны плазменные источники отрицательных ионов. Например, плазменный источник отрицательных ионов кислорода (Данилина Т.И. и др. ПТЭ, 1968, N 3, с. 158), основанный на использовании разряда Пеннинга с холодными катодами и извлечением ионов перпендикулярно магнитному полю. Он содержит размещенные в герметичном корпусе два катода полюсных наконечника постоянных магнитов, плоский ферромагнитный круговой анод с отверстием в центре для экстракции ионов, а также ускоряющий электрод и электростатическую линзу. При разрядном токе 150 мA, анодном напряжении 500 В и ускоряющем потенциале 2.3 кВ он обеспечивает ток пучка отрицательных ионов кислорода (О^-) 50 мка с сопутствующим электронным током 30 мА.

Недостатками источника являются наличие электронной компоненты в выходном пучке, ток которой в 600 раз превышает ток пучка О^-, а также сравнительная сложность конструкции.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению по достигаемому эффекту является выбранный нами в качестве прототипа плазменный источник атомарных ионов водорода (Н^-) [Антипов С.П. Елизаров Л. И. Мартынов М.И. Чесноков В.М. ПТЭ, 1984, N 4, с. 42-44] с аксиально-симметричной геометрией и радиальным магнитным полем. Основными элементами его конструкции являются: герметичный корпус с отверстием для ввода рабочего газа, находящиеся внутри корпуса нагреваемый полый катод, вспомогательный анод (служащий для зажигания разряда), основной анод в форме диска, снабженного выходными отверстиями, вблизи которых расположен ускоряющий электрод, магнитная система, создающая радиальное магнитное поле и состоящая из внутреннего и внешнего магнитных полюсов, представляющих собой аксиально расположенные полые стальные цилиндры с магнитной катушкой между ними (катод находится во внутреннем полюсе). Разряд горит между полым катодом и основным анодом. Ионы извлекаются в направлении, перпендикулярном магнитному полю, через отверстия в аноде. Источник при разрядном токе 50 А и вкладываемой мощности 3 кВт позволяет получать ионный ток до 0,7 А при токе сопутствующих электронов 1,2.1,4 А.

Основным недостатком данного источника является также сравнительно большая доля электронной компоненты в пучке извлекаемых частиц. Другим существенным недостатком является сложность конструкции, обусловленная необходимостью использования магнитной катушки, нагреваемого катода и вспомогательного анода.

Технический эффект плазменного источника отрицательных атомарных ионов предлагаемой нами конструкции заключается в обеспечении получения непосредственно на выходе плазменного источника стабильных интенсивных импульсных пучков отрицательных ионов электроотрицательных газов, практически не содержащих сопутствующих электронов. Предлагаемый источник конструктивно прост, компактен, что позволяет с успехом использовать его в лабораторных установках ограниченных размеров, моделирующих условия земной ионосферы.

Технический эффект достигается тем, что плазменный источник отрицательных атомарных ионов представляет собой герметичную электроразрядную камеру с входным и выходным отверстиями, соединенные с источниками питания электроды: основные, размещенные в камере, и ускоряющий, размещенный за ее выходным отверстием. Новым в нем является то, что внутренняя стенка камеры длиной L в зоне разряда (вместо распространенного понятия "разрядный промежуток" использован термин "зона разряда" т.е. область, где происходит ионизация газа, поскольку возможна конструктивная реализация предлагаемого изобретения, когда проводящей стенкой является внутренняя поверхность одного из основных электродов) выполнена проводящей и соединена с источником питания, источники питания выбраны импульсными, выходное отверстие размещено в проводящей стенке, а длина L проводящей поверхности найдена из условия L ≥ 2S, L < l, где D ширина электроразрядной камеры, l длина зоны разряда.

При исследованиях электрокинетических характеристик газоразрядной плазмы нами теоретически обоснована и экспериментально подтверждена возможность управления диффузией заряженных частиц в распадающейся плазме в масштабах, значительно превышающих дебаевский радиус r_d, путем изменения потенциала проводящей границы плазмы. Это позволило получать в распадающейся плазме импульсно-периодических разрядов в электроотрицательных газах регулируемые по длительности потоки на стенку отрицательных атомарных ионов, практически не содержащие электронов. Теоретическое обоснование и экспериментальные данные вынесены в Приложение.

На фиг. 1 показана схема предлагаемого плазменного источника, где герметичная камера 1 с входным 2 и выходным 3 отверстиями, основные электроды 4 (катод), 5 (анод), ускоряющий электрод 6, импульсные источники питания 7, 8 и 9, проводящая поверхность (пристеночный электрод) 10, система ввода газа 11, вакуумная камера 12, длина проводящей поверхности L, длина зоны разряда l, ширина электроразрядной камеры D.

На фиг. 2 изображены зависимости электронной концентрации N_e и диффузионного потока отрицательных ионов на проводящую стенку Г^- в импульсно-периодическом разряде в зависимости от времени t, где Т период следования разрядных импульсов, Т₀ и Т₁ соответственно моменты образования ион-ионной плазмы при отсутствии и при наличии (пунктир) управляющего напряжения, подаваемого на проводящую стенку в момент времени Т_э.

Предлагаемое устройство работает следующим образом. Герметичный корпус 1, подсоединенный со стороны выходного отверстия 3 к вакуумной камере 12, предварительно откачивают. После этого с помощью системы ввода рабочего газа 11 обеспечивают прокачку газа через входное отверстие 2; скорость прокачки выбирают такой, чтобы рабочее давление в источнике не превосходило 0,1.0,2 Тор (Габович М.Д. Физика и техника плазменных источников ионов. М. Атомиздат, 1972, с. 177). С помощью импульсного источника 7 в рабочем газе возбуждают импульсно-периодический разряд с периодом следования разрядных импульсов Т. Через время Т₀ электроны уходят из объема, плазма становится ион-ионной (см. Приложение). При подаче на ускоряющий электрод 6 от источника питания 9 положительного напряжения U на время t < T Т₀ на выходе плазменного источника 3 получают импульсный пучок отрицательных ионов с энергией еU.

Переход к режиму ион-ионной плазмы в более ранний момент Т₁ < Т₀ может быть достигнут, если подавать с помощью источника питания 8 на пристеночный электрод небольшие положительные потенциалы U_э начиная с момента времени Т_э < Т₁ < Т₀. В этом случае Т₁ зависит как от Т_э, так и от U_э. Варьируя последние два параметра, можно регулировать Т₁, и тем самым обеспечивать возможность получения импульсного пучка отрицательных ионов, не содержащих электронов, с периодом следования импульсов Т и с их длительностью Т-Т₁ > Т-Т₀. Таким образом, благодаря тому, что часть стенки в разрядной камере выполнена проводящей, в зоне разряда присутствует дополнительный пристеночный электрод, управляющие напряжения на котором позволяют регулировать длительность импульса пучка отрицательных ионов.

Заявленный плазменный источник реализован в следующей конструкции. В качестве герметичной камеры выбрана стеклянная разрядная трубка длиной 180 мм, внутренним диаметром 35 мм, с алюминиевыми электродами и пристеночным никелевым цилиндром длиной 70 мм. Через трубку прокачивался кислород и зажигался импульсно-периодический разряд с Т 320 мкс, напряжением между разрядными электродами 900 В, током в импульсе 50 мА. Стационарное давление в трубке при этом составляло 0,04 Тор. Ток заряженных частиц через выходное отверстие диаметром 1,2 мм измерялся с помощью плоского молибденового коллектора, соотношение электронной и ионной компоненты в пучке контролировалось зондовыми измерениями вблизи выходного отверстия (Козлов О.В. Электрический зонд в плазме. М. Атомиздат, 1969). Временное разрешение при измерениях составляло 10 мкс. Результаты измерений ионного I_i и электронного I_e токов на коллектор при U + 8 В в моменты t₁ 100 мкм, t₂ 180 мкс после разрядного импульса представлены в таблице. Как видно из таблицы, ток ионной компоненты пучка более чем на порядок превосходит ток электронов.

Плазменный источник ионов был использован при лабораторном моделировании условий полета космических аппаратов в ионосфере Земли. За время эксплуатации в течение 120 ч основные параметры источника (импульсный ток при заданном напряжении разряда, рабочее давление при заданной скорости прокачки газа) оставались практически неизменными; режимы работы, когда в выходном пучке электронная компонента практически отсутствует (см. таблицу), воспроизводились.

Таким образом, плазменный источник отрицательных атомарных ионов обеспечивает возможность получения стабильных интенсивных ионных пучков, что позволяет использовать его при создании устройств, моделирующих условия ионосферы Земли, в научных исследованиях характеристик элементарных процессов при столкновениях отрицательных ионов с нейтральными и заряженными частицами, а также при генерации атомных пучков. Кроме того, подобные устройства могут использоваться как источники отрицательных ионов электроотрицательных газов с достаточно большой (более 0,5 эВ) энергией сродства электрона (Н, Сl, I и др.) в электростатических ускорителях, в промышленных технологических установках различного назначения.

Приложение.

Известно, что при помещении в плазму заряженного тела вблизи его поверхности происходит поляризация плазмы, приводящая с экранированию соответствующего электрического поля. Характерный пространственный масштаб такого экранирования равен дебаевскому радиусу
r_d [см] 500 (Т_е [эВ]/N[см^-3])^1/2
(где Т_е и N температура и концентрация заряженных частиц). Для типичных условий газового разряда r_d < 11 мм. Поэтому прикладывание к проводнику на границе плазмы небольших (несколько вольт) электрических потенциалов, не вызывающих возникновения самостоятельного (или несамостоятельного) электрического разряда, непосредственно не приводит к изменению распределения электрических полей в плазме, а следовательно, к изменению характера диффузии заряженных частиц. Однако через время порядка
t[c] = 1/ω_p= 1,79•10^-5/N[см^-3]^1/2
(временной масштаб разделения зарядов в плазме) после включения такого потенциала изменится величина пристеночного скачка потенциала на границе плазмы. В зависимости от величины установившегося потенциала еФ на этой границе изменится характер рекомбинации заряженных частиц на ней: частицы, имеющие нормальную составляющую кинетической энергии Е_n > еФ, будут рекомбинировать на границе, с энергией Е_n < еФ отражаться от потенциального барьера. Если характерный размер проводника на границе плазмы L>Λ (диффузионная длина), то в соответствии с изменившимися граничными условиями изменяется и профиль амбиполярного потенциала в плазме, контролирующий скорость диффузии заряженных частиц к ее границам.

Характер диффузионного движения заряженных частиц изучался нами экспериментально в распадающейся плазме импульсно-периодического разряда (Т 500. 1000 мкс, длительность импульса 3.30 мкс) в гелии, азоте и кислороде низкого (0,03.1 Тор) давления, возбуждаемого в стеклянной трубке диаметром 35 мм с молибденовыми электродами. Внутри трубки был размещен изготовленный из никелевой фольги полый металлический цилиндр длиной 70 мм, прилегающий к стенкам трубки. Были выполнены зондовые измерения распределения электрического потенциала, а также электронных концентраций в распадающейся плазме внутри никелевого цилиндра в условиях, когда на него подавались небольшие положительные и отрицательные потенциалы. Установлено, что прикладывание таких потенциалов влечет за собой изменение скорости диффузионного ухода заряженных частиц из объема. Так, в распадающейся плазме гелия (давление гелия 0,7 Тор, импульс тока 0,7 А, длительность импульса 15 мкс, Т 440 мкс) через Т_э 20 мкс после окончания разряда на пристеночный цилиндр подавался импульс положительного напряжения длительностью 200 мкс и амплитудой 5 В. В результате с помощью зондовых измерений был зарегистрирован более быстрый спад электронной концентрации на оси разрядной трубки (с 1,1•10¹¹ до 6,0•10¹⁰ см^-3 вместо 9,0•10¹⁰ см^-3) в течение указанных 200 мкс. Таким образом, возможность регулировать скорость процессов диффузии при эволюции газоразрядной распадающейся плазмы низкого давления путем небольших изменений потенциала проводника на границе плазмы подтверждена экспериментально.

Выполнен теоретический анализ баланса концентраций электронов, а также положительных и отрицательных ионов в распадающейся плазме электроотрицательных газов. Ионный состав такой плазмы определяется преимущественно молекулярными ионами A+2

, образующимися в разряде за счет ионизации электронами, а также атомарными ионами A^-, появляющимися в разряде в результате процессов диссоциативного прилипания. Анализ показал, что диффузионный распад плазмы электроотрицательных газов происходит в две стадии. На первой стадии происходит амбиполярная диффузия электронов и положительных ионов; отрицательные ионы "заперты" в объеме из-за наличия амбиполярного электрического поля и пристеночного скачка потенциала. В конце стадии по мере уменьшения электронной концентрации радиальное электрическое поле перестает удерживать электроны, и они практически мгновенно уходят из объема к стенкам. На второй стадии плазма состоит из положительных и отрицательных ионов при практически полном отсутствии электронов; распад плазмы определяется совместной диффузией ионов разного знака. В распадающейся плазме электронная температура обычно не превосходит 0,1 эВ, поэтому процессы ионизации и диссоциативного прилипания, имеющие большой энергетически порог, несущественны. Если процессы отлипания, зависящие от концентрации атомов и метастабильных молекул, не играют заметной роли в балансе концентраций A^-, то, как следует из полученных нами теоретических соотношений, переход ко второй стадии происходит через время
T₀= Λ²/2D_pln(1+1/a₀)
после окончания разрядного импульса, где Λ диффузионная длина, D_p коэффициент диффузии положительных ионов; а₀ отношение концентрации отрицательных ионов к концентрации электронов к моменту окончания разрядного импульса.

Выполнены эксперименты по исследованию импульсно-периодического разряда в кислородной плазме при использовании различных газоразрядных устройств. По измерениям зондовых вольт-амперных характеристик в разряде в стеклянной трубке диаметром 35 мм при давлении 0,07 Тор, Т 560 мкс, длительности импульсов 32 мкс, токе в импульсе 10 мА установлено, что через Т₀ 200 мкс после окончания разрядного импульса происходит скачкообразный переход от электрон-ионной к ион-ионной плазме, обусловленный диффузионным уходом электронов из объема при сохранении большей части положительных и отрицательных ионов. Аналогичный эффект наблюдался через Т₀ 20.50 мкс после разрядного импульса в импульсно-периодическом разряде с Т 150.500 мкс, длительностью импульса 5 20 мкс, током в импульсе 500 мА при давлениях 0,5-3 Тор и диаметре зоны разряда 3 мм. В указанных экспериментах плотности токов отрицательных ионов из ион-ионной плазмы на стеночный зонд при потенциале + 5В составляли 10 мка/мм² и более.

В соответствии с вышеизложенным, при совместном использовании эффекта образования ион-ионной плазмы и методики управления диффузией заряженных частиц эволюция электронной концентрации N_е и диффузионного потока отрицательных ионов на стенку Г^- будет соответствовать изображенной на фиг. 2. Подавая на пристеночный электрод разрядного устройства регулируемые по величине и длительности потенциалы U_э в некоторый момент времени Т_э (пунктир на фиг. 2), можно обеспечить на границе плазмы поток отрицательных ионов длительностью Т Т₁ > T Т₀ (где Т₁ зависит от Т_э и U_э). Отметим, что таким способом можно получить импульсный поток отрицательных ионов к стенке даже в условиях, когда "естественным" образом он не реализуется, т.е. Т < Т₀.

Использование: ионная техника. Устройство позволяет получать непосредственно на выходе плазменного источника не содержащие электронов импульсные пучки отрицательных атомарных ионов электроотрицательных газов. Сущность изобретения: источник отрицательных атомарных ионов содержит герметичную электроразрядную камеру с входным и выходным отверстиями, соединенные с источниками питания электроды: основные, размещенные в камере, и ускоряющий, находящийся за ее выходным отверстием. Внутренняя стенка камеры длиной L в зоне разряда выполнена проводящей и соединенной с источником питания, источники питания основных и ускоряющего электродов и проводящей поверхности выбраны импульсными, выходное отверстие размещено в проводящей стенке, а длина L проводящей поверхности найдена из условия L ≥ 2D, L < 1, где D - ширина электроразрядной камеры, I - длина зоны разряда. 2 ил.

Плазменный источник отрицательных атомарных ионов, включающий герметичную электроразрядную камеру с входным и выходным отверстиями, соединенные с источниками питания электроды: основные, размещенные в камере, и ускоряющий, размещенный за ее выходным отверстием, отличающийся тем, что внутренняя стенка камеры длиной L в зоне разряда выполнена проводящей и соединена с источником питания, источники питания выбраны импульсными, выходное отверстие размещено в проводящей стенке, а длина L проводящей поверхности найдена из условия L ≥ 2D, L < l, где D ширина электроразрядной камеры, l длина зоны разряда.