Изобретение относится к газоразрядной технике, а более точно касается получения ионов газообразных или твердофазных испаряющихся веществ, а именно способа получения пучка ионов и источника для его осуществления.
Известен способ получения пучка ионов, включающий подачу газа в объем, ограниченный стенками, по меньшей мере одна из которых частично прозрачна для ионов, получение плазмы в объеме путем возбуждения в нем высокочастотного электромагнитного поля, а также извлечение ионов и формирование ионного пучка наложением стационарного электрического поля со стороны частично прозрачной для ионов стенки. Этот способ реализован в известных источниках ионов (K. H. Groh, H.W. Loeb, J. Fell, F. Weber, F. Zarnitz. Development Status of the RIT Ion Engines. 21-st International Electric Propulsion Conference. AIAA paper 90 2671, 1990, 9 p. EP, A, 0474584).
Источники ионов данного типа обычно содержат газоразрядную камеру, ограниченную стенками, по меньшей мере одна из которых выполнена частично прозрачной для ионов, систему возбуждения высокочастотного электромагнитного поля, включающую высокочастотный генератор (далее по тексту ВЧ-генератор) и узел ввода высокочастотной мощности (далее ВЧ-мощности), а также электростатическую систему извлечения ионов и формирования ионного пучка.
В известном источнике ионов (K.H. Groh, H.W. Loeb, J. Fell, F. Weber, F. Zarnitz. Development Status of the RIT Ion Engines. 21-st International Electric Propulsion Conference. AIAA paper 90 2671, 1990, 9 p.) стенки разрядной камеры выполнены из диэлектрического материала (например, кварца или стекла) с низкой диэлектрической проницаемостью, а узел ввода ВЧ-мощности представляет собой индуктор в виде катушки, охватывающей боковую стенку разрядной камеры.
В источнике ионов реализован известный способ создания плазмы путем зажигания и поддержания высокочастотного индукционного разряда (далее ВЧ индукционного разряда). Внешнее стационарное магнитное поле при этом отсутствует. Схематично процесс осуществления разряда при этом может быть описан следующим образом.
В разрядной камере источника ионов возбуждается магнитная компонента электромагнитного поля, которая индуцирует вихревую электрическую компоненту высокочастотного электрического поля. Электрическое поле в свою очередь нагревает электроды плазмы до температуры, достаточной для поддержания в разрядном объеме высокоионизированной плазмы. Нагрев электронов наиболее существенен в области скин-слоя, где величина напряженности высокочастотного электрического поля максимальна. Наибольшая эффективность ввода мощности с точки зрения затрат энергии на получение единицы извлекаемого тока реализуется по известному способу при выборе частоты ВЧ-генератора и плотности ионного тока (концентрации электронов) такими, чтобы толщина скин-слоя была близка к радиусу разрядной камеры источника.
С помощью известного способа создано семейство высокочастотных источников ионов (далее ВЧ-источников ионов) с диаметром разрядной камеры от 4 до 35 см. Соответственно оптимальная частота генератора изменялась от 20 кГц до 0,5 МГц в зависимости от диаметра источника.
Известному способу получения ионного пучка и устройствам для его осуществления присуще снижение эффективности при уменьшении рабочей плотности ионного тока или, что то же самое, давления газа в рабочей камере. Снижение эффективности проявляется в трудностях зажигания разряда, повышения удельных энергозатрат (отношения ВЧ-мощности к извлекаемому ионному току) и/или снижении коэффициента ионизации рабочего газа.
В известном источнике (K.H. Groh, H.W. Loeb, J. Fell, F. Weber, F. Zarnitz. Development Status of the RIT Ion Engines. 21-st International Electric Propulsion Conference. AIAA paper 90 2671, 1990, 9 p.) индуктор возбуждает магнитную компоненту электромагнитного поля. В случае замены индуктора на конденсатор в разрядной камере возбуждается невихревое высокочастотное электрическое поле (EP, A, 0474584). Однако вблизи электродов конденсатора, помещенных в разрядную камеру, возникают слои пространственного заряда, экранирующие высокочастотное поле. Возникает значительное падение электрического потенциала вблизи электродов, что приводит к таким негативным последствиям, как катодное распыление электродов, их нагрев, дополнительные потери мощности в переходных областях.
В известных источниках нагрев электронов высокочастотным полем (далее ВЧ-полем) существенен лишь в слоях, прилегающих к стенкам, либо к электродам газоразрядной камеры. Кроме того, наибольшие потери энергии вызваны уходом заряженных частиц на стенки, движение которых из разряда ничем не ограничено.
Средством, способствующим как проникновению ВЧ-полей в плазму, так и удержанию частиц, может быть внешнее стационарное магнитное поле. Однако с наложением стационарного магнитного поля условие существования ВЧ-разряда качественно меняется.
Известен способ получения пучка ионов (GB, A, 1399603), который включает подачу рабочего газа в разрядный объем, ограниченный стенками аксиально симметричной камеры, по меньшей мере одна из которых выполнена частично прозрачной для ионов, генерацию плазмы в разрядном объеме плазменных собственных волн, извлечение ионов из плазмы и формирование ионного пучка наложением стационарного электрического поля со стороны частично прозрачной для ионов стенки.
Известен также источник ионов (GB, A, 1399603), реализующий указанный способ.
Указанный источник ионов содержит аксиально симметричную газоразрядную камеру, одна из стенок которой выполнена частично прозрачной для ионов, магнитную систему, создающую в камере стационарное аксиально симметричное магнитное поле, размещенный вне объема камеры узел ввода высокочастотной мощности, подключенный к ВЧ-генератору и образованный по меньшей мере двумя проводниками тока, и электростатическую систему извлечения ионов и формирования ионного пучка, включающую по меньшей мере один ускоряющий электрод.
В указанном способе в разрядном объеме возбуждают вихревую магнитную компоненту высокочастотного электромагнитного поля, для чего в источнике ионов, реализующем этот способ, узел ввода ВЧ-мощности выполнен в виде индуктора или образован по меньшей мере двумя проводниками тока. При этом частоту f генератора, величину индукции B стационарного магнитного поля и плотность j ионного тока (концентрацию плазмы) выбирают из условия возбуждения в плазме собственных плазменных частот. Лишь в этом случае ввод ВЧ-мощности в разрядную плазму эффективен и достигаются приемлемые значения коэффициента ионизации плазмы и низкие удельные энергозатраты на ионизацию.
К собственным палазменным частотам, возбуждение которых эффективно при реализации указанного способа, относятся:
электронно-циклотронная частота (далее ЭЦЧ) ωc (e/m)•B, где e заряд электрона; m масса электрона; B магнитная индукция;
частота, соответствующая возбуждению так называемого геликона, относящегося к типу магнитостатической волны.
Возбуждение ЭЦЧ очень эффективно с точки зрения ввода ВЧ-мощности в разряд. Известно множество конструкций ионных источников, основанных на возбуждении ЭЦЧ (US, A, 4316090). Однако возбуждение этого типа волны технически оправдано только при сверхвысоких частотах, выше 1 ГГц и соответственно при высоких магнитных полях, выше 0,08 Тл.
Таким образом, реализация указанного способа при возбуждении электронно-циклотронного резонанса возможна лишь с использованием не ВЧ-, а более дорогостоящей и более сложной в эксплуатации сверхвысокочастотной (далее СВЧ-) техники.
Указанный способ может быть также реализован в области ВЧ-диапазона частот путем возбуждения в плазме волн типа геликона. В данном случае конкретную связь параметров: B, f, j установить сложнее.
В указанном способе возбуждение собственных плазменных волн этого типа осуществляется с помощью магнитной системы, выполненной в виде двух катушек Гельмгольца, создающих преимущественно однородное аксиально симметричное магнитное поле с существенно продольной компонентой поля. Резонансное поглощение ВЧ-мощности в этом случае наблюдается при давлениях газа (0,15 - 15)10-1 Па при B<0,1 Тл.
Известно, что возбуждение геликона в замкнутом объеме плазмы, например в разрядной камере источника ионов, возможно только при концентрации n плазмы выше некоторого критического значения n1, которое можно оценить по следующей формуле (Н. Ф. Воробьев и др. Физика плазмы. 1994, т. 20, N 12, с. 1065 1069):
где L характерный продольный (вдоль магнитного поля) размер плазмы (разрядной камеры источника ионов);
e заряд электрона;
μo магнитная проницаемость;
π ≈ 3,14 ...
Из этого условия вытекает необходимость высокого значения n1 для характерного размера источников ионов L<10 см. В этом случае при B<0,1 Тл и f<100 МГц значение n1>1•1012 см-3. Однако этим значениям n1 соответствует плотность ионного тока пучка j>10 мА/см2 (для аргона).
Из практики эксплуатации ионных источников известно, что при такой рабочей плотности ионного тока трудно получить высокий ресурс источника. В наиболее же предпочтительной для практического применения области ионного тока (0,5 2) мА/см2 известные средства не обеспечивают высокой газовой экономичности источника ионов.
Кроме того, из этого условия вытекают особенности нагрева электронов при их взаимодействии с волной типа геликон. Геликоновая волна, возбужденная в замкнутом объеме, имеет слабую продольную электрическую компоненту, которая собственно и нагревает электроны (А.Ф. Александров и др. Основы электродинамики плазмы. М. Высшая школа, 1978).
Таким образом, использование механизма возбуждения геликоновой волны для создания источников ионов неэффективно с точки зрения затрат мощности.
По-видимому, по перечисленным выше причинам источники ионов, основанные на указанном способе, не используются в мировой практике.
Задачей настоящего изобретения является разработка способа получения пучка ионов, в котором стационарное магнитное поле и высокочастотное поле были бы такими, что позволило бы с высокой эффективностью получать пучок ионов и создать имеющий широкое практическое применение источник ионов, осуществляющий этот способ, в котором использование определенной конструкции магнитной системы и узла ввода высокочастотной мощности позволило бы значительно повысить энергетическую и газовую экономичность источника.
Это достигается тем, что в способе получения пучка ионов, включающем подачу рабочего газа в разрядный объем, ограниченный стенками аксиально симметричной камеры, по меньшей мере одна из которых выполнена частично прозрачной для ионов, генерацию плазмы в разрядном объеме путем возбуждения в нем высокочастотного поля и аксиально симметричного стационарного магнитного поля, параметры которых достаточны для резонансного возбуждения в разрядном объеме собственных плазменных волн, извлечение ионов из плазмы и формирование ионного пучка наложением стационарного электрического поля со стороны частично прозрачной для ионов стенки, согласно настоящему изобретению стационарное магнитное поле создают неоднородным, спадающим к оси симметрии разрядного объема, в котором возбуждают безвихревую электрическую компоненту высокочастотного поля, при этом осуществляют резонансное возбуждение в плазме собственных электростатических волн путем выбора величины индукции стационарного магнитного поля в разрядном объеме и частоты высокочастотного поля при заданном значении плотности ионного тока.
Целесообразно, чтобы в качестве величины индукции стационарного магнитного поля выбрали ее максимальное значение в разрядном объеме.
Для возбуждения в плазме собственных электростатических волн при плотности тока ионов аргона 0,2 3 мА/см2 желательно, чтобы максимальное значение индукции стационарного магнитного поля выбирали в диапазоне 0,01 0,05 Тл, а частоту высокочастотного поля в диапазоне 40 - 100 МГц.
При плотности тока ионов 0,2 3 мА/см2 и выборе в качестве рабочего газа аргона при указанных значениях индукции магнитного поля и частоты высокочастотного поля обеспечивается резонансное возбуждение в плазме собственных электростатических волн, а при выходе за пределы указанных диапазонов данный эффект не наблюдается или наблюдается незначительно.
Это достигается также тем, что в источнике ионов, содержащем аксиально симметричную газоразрядную камеру, одна из стенок которой выполнена частично прозрачной для ионов, магнитную систему, создающую в камере стационарное аксиально симметричное магнитное поле, размещенный вне объема камеры узел ввода высокочастотной мощности, подключенный к высокочастотному генератору и образованный по меньшей мере двумя проводниками тока, и электростатическую систему извлечения ионов и формирования ионного пучка, включающую по меньшей мере один ускоряющий электрод, согласно настоящему изобретению магнитная система приспособлена для создания стационарного аксиально симметричного неоднородного спадающего к оси симметрии камеры магнитного поля, а узел ввода высокочастотной мощности приспособлен для возбуждения в камере продольной безвихревой электрической компоненты высокочастотного поля.
Целесообразно выполнение по меньшей мере части стенок камеры из диэлектрического материала, в этом случае проводники тока узла ввода высокочастотной мощности могут быть установлены на диэлектрических стенках камеры.
Стенка камеры, частично прозрачная для ионов, может быть выполнена из электропроводящего материала, соединена с положительным полюсом источника постоянного тока и служить электродом, входящим в состав электростатической системы.
Целесообразно, чтобы в газоразрядной камере со стороны, противоположной частично прозрачной для ионов стенки, был установлен электрод, подключенный к положительному полюсу источника постоянного тока.
Желательно выполнение узла ввода высокочастотной мощности в виде n-полюсного конденсатора, образованного n продольно расположенными по отношению к оси симметрии камеры проводниками тока.
Проводники тока, образующие n-полюсной конденсатор, могут быть соединены последовательно или параллельно посредством двух кольцевых проводников, подключенных к выходам высокочастотного генератора.
Проводники тока, образующие узлы ввода высокочастотной мощности, могут быть выполнены в виде колец, охватывающих камеру.
Электростатическая система извлечения ионов и формирования ионного пучка может содержать заземленный электрод, установленный за ускоряющим электродом по направлению ионного пучка.
Для компенсации заряда ионного пучка в этом случае необходимо установить за заземленным электродом электростатической системы по направлению ионного пучка источник электронов.
Целесообразно, чтобы магнитное поле, создаваемое магнитной системой у частично прозрачной для ионов стенки камеры, имело преимущественно радиальное направление вектора индукции.
Магнитная система может содержать по меньшей мере один кольцевой постоянный магнит, намагниченный в радиальном направлении.
Желательно, чтобы магнитная система содержала два кольцевых постоянных магнита, расположенных соосно и на некотором расстоянии один от другого и намагниченных в противоположных радиальных направлениях.
Для повышения эффективности магнитной системы необходимо, чтобы кольцевые постоянные магниты были соединены посредством магнитопровода.
Желательно, чтобы магнитная система была установлена с возможностью продольного перемещения относительно частично прозрачной для ионов стенки камеры.
Патентуемый источник ионов, осуществляющий способ, согласно изобретению позволяет с высокой эффективностью получать пучок ионов, которая характеризуется энергетической и газовой эффективностью.
На фиг. 1 изображена общая схема предлагаемого источника ионов для осуществления способа согласно изобретению (газоразрядная камера и магниты магнитной системы показаны в продольном разрезе); на фиг. 2 газоразрядная камера с проводниками тока узла ввода высокочастотной мощности источника ионов по фиг. 1 (аксонометрическая проекция); на фиг. 3 общая схема другого варианта выполнения источника по фиг. 1 (для упрощения изображения узел ввода не показан); на фиг. 4 общая схема еще одного варианта выполнения источника по фиг. 1 (для упрощения изображения высокочастотный генератор и источники постоянного тока не показаны); на фиг. 5 газоразрядная камера с одним вариантом соединения проводников тока узла ввода высокочастотной мощности источника токов по фиг. 4 (аксонометрическая проекция); на фиг. 6 - газоразрядная камера по фиг. 5 с другим вариантом соединения проводников тока узла ввода (аксонометрическая проекция); на фиг. 7 разрез по направлению линии VII-VII на фиг. 6.
Лучшие варианты осуществления изобретения.
Предлагаемый способ получения пучка ионов заключается в том, что подают рабочий газ в разрядный объем, ограниченный стенками аксиально симметричной камеры, одна из которых выполнена частично прозрачной для ионов, генерируют плазму в разрядном объеме путем возбуждения в нем высокочастотного поля и аксиально симметричного стационарного магнитного поля, параметры которых достаточны для резонансного возбуждения в разрядном объеме собственных плазменных волн, извлекают ионы из плазмы и формируют ионный пучок наложением стационарного электрического поля со стороны частично прозрачной для ионов стенки. Аксиально симметричное стационарное магнитное поле создают неоднородным, спадающим к оси симметрии разрядного объема, в котором возбуждают безвихревую электрическую компоненту высокочастотного поля, при этом осуществляют резонансное возбуждение в плазме собственных электростатических волн путем выбора величины индукции стационарного магнитного поля в разрядном объеме и частоты высокочастотного поля при заданном значении плотности ионного тока.
В качестве величины индукции стационарного магнитного поля выбирают ее максимальное значение в разрядном объеме.
Целесообразно при плотности тока ионов аргона рабочего газа 0,2 3 мА/см2 максимальное значение индукции стационарного магнитного поля выбирать в диапазоне 0,01 0,05 Тл, а частоту высокочастотного поля в диапазоне 40 100 МГц.
Выше описан вариант выполнения способа, в котором одна из стенок камеры выполнена частично прозрачной для ионов, однако следует иметь в виду, что их может быть и больше.
Физическая сущность патентуемого способа заключается в создании условий для резонансного поглощения ВЧ-мощности плазмой за счет возбуждения собственных электростатических колебаний в объеме плазмы, что является беспороговым по концентрации плазмы процессом. Для возбуждения собственных электростатических волн необходимо и достаточно создать в разрядном объеме, занимаемом плазмой, безвихревое электрическое ВЧ-поле и стационарное аксиально симметричное неоднородное магнитное поле, спадающее к оси симметрии разрядного объема, величину индукции которого необходимо выбрать из условия резонансного совпадения частоты собственных плазменных колебаний с частотой высокочастотного генератора.
Безвихревая электрическая компонента ВЧ-поля может быть создана переменным электрическим зарядом, действующим вблизи объема плазмы. Переменный электрический заряд, в свою очередь, может быть создан как при подводе ВЧ-мощности к обкладкам конденсатора, так и с помощью системы проводников тока определенной формы (определяемой условием div j≠0), по которым течет ВЧ-ток. Последнее следует из уравнения непрерывности электрического заряда
где ρ объемная плотность электрических зарядов;
j~ плотность переменного тока;
t время.
Предварительным расчетом трудно установить пространственное распределение переменного электрического заряда, необходимое для оптимальной работы патентуемого источника ионов, осуществляющего способ согласно изобретению. Для различных режимов работы патентуемого источника ионов оно устанавливается опытным путем.
Предлагаемый источник ионов, осуществляющий способ согласно изобретению, содержит аксиально симметричную газоразрядную камеру 1 (фиг. 1), одна из стенок 2 которой выполнена частично прозрачной для ионов (условно изображена пунктирной линией), магнитную систему 3, создающую в камере 1 стационарное аксиально симметричное магнитное поле, размещенный вне объема камеры 1 узел 4 ввода высокочастотной мощности, подключенной к высокочастотному генератору 5 через согласующий блок 6, и электростатическую систему 7 извлечения ионов и формирования ионного пучка.
Магнитная система 3 приспособлена для создания стационарного аксиально симметричного неоднородного спадающего к оси 8 симметрии камеры 1 магнитного поля (изображенного тонкими линиями), а узел 4 ввода высокочастотной мощности приспособлен для возбуждения в камере 1 продольной безвихревой электрической компоненты высокочастотного поля.
В описываемом варианте выполнения стенки 9 камеры 1 выполнены из диэлектрического материала, например кварца или керамики, а стенка 2 выполнена из электропроводящего материала и соединена с положительным полюсом источника 10 постоянного тока.
Магнитное поле, создаваемое магнитной системой 3 у частично прозрачной для ионов стенки 2 камеры 1, имеет преимущественно радиальное направление вектора индукции.
Магнитная система 3 содержит два кольцевых постоянных магнита 11 и 12 из магнитотвердого материала, расположенных соосно и на некотором расстоянии один от другого и намагниченных в противоположных радиальных направлениях (на чертеже показано стрелками А и В).
Узел 4 ввода высокочастотной мощности содержит два проводника 13 тока, установленных на диэлектрических стенках 9 камеры 1 и заключенных в корпус 14. Проводники 13 тока выполнены в виде колец, охватывающих камеру 1, как показано на фиг.2.
Электростатическая система 7 (фиг.1) извлечения ионов и формирования ионного пучка содержит ускоряющий электрод 15 (условно изображен пунктирной линией), подключенный к отрицательному полюсу источника 16 постоянного тока, электрод 2', служащий стенкой 2 камеры 1, заземленный электрод 17, установленный за ускоряющим электродом 15 по направлению ионного пучка (стрелка С). Отрицательный и положительный полюса источников 10 и 16 постоянного тока соответственно заземлены.
В предлагаемом источнике ионов предусмотрен источник 18 электронов (известный специалистам, работающим в данной области), расположенный за заземленным электродом 17 по направлению ионного пучка (стрелка С).
Рабочий газ аргон подают в камеру 1 через патрубок 19 по направлению стрелки D.
Вариант выполнения источника тока по фиг. 3 аналогичен источнику тока по фиг.1.
Отличие заключается в том, что кольцевые постоянные магниты 11 (фиг.3) и 12 магнитной системы 3 соединены между собой посредством магнитопровода 20, а в газоразрядной камере 1 со стороны, противоположной частично прозрачной для ионов стенки 2, выполненной из электропроводного материала, установлен электрод 21, подключенный к положительному полюсу источника 22 постоянного тока, отрицательный полюс которого и ускоряющий электрод 15 заземлены.
Вариант выполнения предлагаемого источника ионов для осуществления способа согласно изобретению по фиг.4 аналогичен варианту выполнения источника ионов по фиг.1.
Отличие заключается в том, что узел 4 (фиг.4) ввода высокочастотной мощности в газоразрядную камеру 1 выполнен в виде n-полюсного конденсатора, образованного n продольно расположенными по отношению к оси 8 симметрии камеры 1 проводниками 23 тока, соединенными параллельно посредством двух кольцевых проводников 24, как показано на фиг.5. Проводники 23 и 24 помещены в цилиндрический корпус 25 (фиг.4) и подключены к выходам высокочастотного генератора 5 (фиг.5) непосредственно и через согласующий блок 6.
Магнитная система 3 (фиг.4) содержит один кольцевой постоянный магнит 26, намагниченный в радиальном направлении (стрелка В), установленный с возможностью продольного перемещения посредством механизма 27 перемещения относительно частично прозрачной для ионов стенки 2 камеры 1 по направлению стрелок E и F.
Механизм 27 перемещения представляет собой зубчатую передачу, одним из звеньев которой является зубчатая рейка 28, на которой закреплен магнит 26, а другим звеном шестерня 29.
На фиг.6 и 7 показан вариант выполнения узла 4 ввода, в котором проводники 30 тока, образующие n-полюсной конденсатор, соединены последовательно.
Выше были описаны варианты выполнения патентного источника ионов для осуществления способа согласно изобретению, в котором стенки газоразрядной камеры выполнены из диэлектрического материала, однако следует иметь в виду, что из диэлектрического материала можно выполнить только часть стенок газоразрядной камеры в области размещения узла 4 ввода. Тот же аспект изобретения касается и ускоряющего электрода, хотя в вариантах выполнения патентуемого источника ионов приведен один ускоряющий электрод, но каждому специалисту, работающему в данной области, ясно, что их может быть и более.
Принцип работы предлагаемого источника ионов, который основан на патентуемом способе, следующий.
В газоразрядной камере 1 (фиг.1) с помощью кольцевых постоянных магнитов 11 и 12 создают аксиально симметричное стационарное неоднородное магнитное поле (силовые линии которого тонкими линиями условно показаны на чертеже), спадающие к оси 8 симметрии камеры 1. Магниты 11 и 12 намагничены в радиально противоположных направлениях (на чертеже показаны векторы 
намагниченности). После подачи рабочего газа аргона через патрубок 19 с помощью узла высокочастотной мощности возбуждается безвихревая электрическая компонента высокочастотного поля. Возбуждение безвихревой электрической компоненты высокочастотного поля осуществляется с помощью двух проводников 13 тока, размещенных вне объема камеры 1. Под воздействием безвихривой электрической компоненты ВЧ-поля в объеме газоразрядной камеры 1 зажигается высокочастотный разряд и образуется плазма.
Эффективность ввода ВЧ-мощности контролируется для любого выбранного диапазона значений магнитной индукции В, частоты f ВЧ-поля, ВЧ-мощности W, вводимой в газоразрядную камеру 1, и плотности j извлекаемого ионного тока по относительным величинам поглощенной и отраженной ВЧ-мощности с помощью любых известных для специалиста в данной области техники средств. Наилучшее согласование характеристик высокочастотного генератора 5 и разряда (совпадение импеданса нагрузки и генератора) достигается изменением параметров согласующего блока 6. Извлечение ионов и формирование ионного пучка осуществляется с помощью электростатической системы 7. Наиболее эффективно использование электростатической системы 7, состоящей из трех электродов 2', 15 и 17, в двух из которых 2' и 15 выполнены соосные отверстия 31. Первым электродом является частично прозрачная для ионов стенка 2 электрод 2', положительный потенциал которого поддерживается источником 10. Вторым электродом служит ускоряющий электрод 15, находящийся под отрицательным потенциалом относительно потенциала газоразрядной плазмы. Между газоразрядной плазмой, чей потенциал задается потенциалом электрода 2', и ускоряющим электродом 15 создается электрическое поле, извлекающее ионы и формирующее ионный пучок, образуемый множеством, по числу пар соосных отверстий 31 в электродах 2' и 15, элементарных ионных пучков. Ионный пучок формируется в конкретном примере (фиг. 1) с помощью электростатической системы 7, реализующей принцип "ускорение-замедление", для чего в ней имеется третий электрод 17 и источник 16 постоянного тока.
Типичные параметры электростатической системы 7 извлечения ионов и формирования пучка ионов аргона:
рабочая плотность ионного тока j=0,2-3 мА/см2;
диаметр отверстий в электродах d=2-3 мм;
межэлектродные расстояния 1 мм;
потенциал плазмиды относительно заземленных частей U=0,5-1,5 кВ;
потенциал ускоряющего электрода U=0,3-0,5 кВ.
Исследования показывают, что для извлечения пучка ионов с плотностью 0,2-3 мА/см2 необходимо магнитное поле с индукцией 0,01-0,05 Тл. Такое стационарное магнитное поле может быть создано как с помощью электромагнитов, так и с помощью постоянных магнитов 11 и 12. Использование постоянных магнитов 11 и 12 предпочтительнее, так как использование электромагнитов сопряжено с большими энергозатратами.
Кроме того, с помощью постоянных магнитов 11 и 12 достаточно просто удается получить спадающее к оси 8 симметрии газоразрядной камеры 1 стационарное магнитное поле, которое позволяет увеличить газовую эффективность патентуемого источника ионов и снизить энергозатраты на извлечение заданного ионного тока.
Принцип работы предлагаемого источника для осуществления способа согласно изобретению по фиг. 3-7 аналогичен принципу работы источника по фиг. 1 и 2.
Отличие заключается в том, что для регулирования распределения стационарного магнитного поля в газоразрядной камере 1 (фиг.4) предусматривается возможность изменения положения кольцевого магнита 26 магнитной системы 3 относительно частично прозрачной для ионов стенки 2 камеры 1. Магнитная система 3, состоящая из одного кольцевого магнита 26, обеспечивает у частично прозрачной для ионов стенки 2 камеры 1 магнитное поле с преимущественно радиальным направлением вектора индукции магнитного поля. В этом случае достигается наиболее равномерное распределение плотности ионного тока по поперечному сечению ионного пучка от его центра к периферии.
Если же в процессе работы патентуемого источника необходимо корректировать распределение ионов по радиусу пучка, постоянный магнит 26 перемещают вдоль оси 8 камеры 1 с помощью механизма 27.
Заданное распределение магнитного поля в газоразрядной камере можно достичь и с помощью других известных специалистам в данной области техники средств.
Эффективность получения ионов при реализации изобретения определяется энергетической и газовой экономичностью источников ионов согласно изобретению.
Энергетическая эффективность Ci(Вт/А) предлагаемого источника ионов характеризуется величиной удельных затрат мощности на генерацию пучка ионов
Ci=W/Ib,
где W ВЧ-мощность, вводимая в газоразрядную камеру;
Ib ток генерируемого пучка ионов.
Газовая экономичность (бета) источника ионов согласно изобретению характеризует эффективность использования рабочего газа при генерации пучка ионов
где e заряд электрона;
Z зарядность иона;
M масса иона рабочего газа;
m массовый расход рабочего газа.
При использовании патентуемого источника ионов иногда требуется обеспечить значения Ci<500 Вт/А. Для этого необходимо обеспечить высокую эффективность получения плазмы. При реализации настоящего изобретения для выполнения данного условия требуется обеспечить эффективный ввод ВЧ-мощности в магнитоактивную плазму.
Из уравнения неразрывности электрического заряда, как уже указывалось выше, следует, что переменный электрический заряд может индуцироваться проводниками тока. При этом эти проводники должны удовлетворять условию
div j ~ ≠ 0,
Например, единичный линейный проводник с током не удовлетворяет требуемому условию. Минимальное количество проводников равно двум.
Изложенные физические принципы позволяют определить диапазоны параметров, при которых наиболее эффективен ввод ВЧ-мощности в плазму и соответственно наиболее эффективна генерация ионных пучков.
Было установлено, что для эффективной генерации ионов аргона с плотностью тока 0,2 3 мА/см2 максимальное значение индукции стационарного магнитного поля должно быть равно 0,01-0,05 Тл, частота ВЧ-поля 40-100 МГц, а величина ВЧ-мощности W, вводимой в разрядную камеру, 20-150 Вт.
Таким образом, предлагаемые способ и источник ионов для его осуществления позволяют повысить эффективность генерации ионов, которая характеризуется энергетической и газовой экономичностью источника ионов в заданном диапазоне рабочих параметров.
Источник ионов согласно изобретению для осуществления предлагаемого способа может быть использован как в космической технике, так и в тонкопленочной технологии производства микроэлектронных или оптических приборов.
В космической технике источник ионов может быть использован на искусственных спутниках Земли в качестве ионного двигателя для создания тяги.
Использование источника ионов согласно изобретению для осуществления патентуемого способа особенно эффективно при использовании в технологии производства оптических элементов для формирования оптических и защитных покрытий на поверхности стеклянных и пластмассовых линз.
В производстве микроэлектронных приборов ионный источник может быть использован в процессах избирательного ионного травления интегральных схем.
При описании рассматриваемых вариантов осуществления изобретения для ясности используются конкретная узкая терминология. Однако изобретение не ограничивается принятыми терминами и необходимо иметь в виду, что каждый такой термин охватывает все эквивалентные термины, используемые для решения тех же задач.
Хотя настоящее изобретение описано в связи с предпочтительным видом реализации, для компетентных в данной области лиц понятно, что могут иметь место изменения и варианты без отклонения от общей идеи и предмета изобретения.
Эти изменения и варианты считаются не выходящими за рамки сущности изобретения и защищаемого объема прав в соответствии с прилагаемыми пунктами формулы изобретения.
| название | год | авторы | номер документа |
|---|---|---|---|
| ПЛАЗМЕННЫЙ УСКОРИТЕЛЬ С ЗАМКНУТЫМ ДРЕЙФОМ ЭЛЕКТРОНОВ | 1996 |
|
RU2108692C1 |
| ГАЗОРАЗРЯДНОЕ УСТРОЙСТВО | 1996 |
|
RU2121729C1 |
| СПОСОБ МАГНЕТРОННОГО НАНЕСЕНИЯ ТОНКОПЛЕНОЧНЫХ ПОКРЫТИЙ ИЗ РАЗЛИЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ И ИХ СОЕДИНЕНИЙ | 1993 |
|
RU2064525C1 |
| СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ | 2023 |
|
RU2808774C1 |
| ПЛАЗМЕННЫЙ ИСТОЧНИК ИОНОВ С ЛЕНТОЧНЫМ ПУЧКОМ (ВАРИАНТЫ) | 1999 |
|
RU2151438C1 |
| Источник ионов | 2020 |
|
RU2749668C1 |
| ПЛАЗМЕННЫЙ ИСТОЧНИК ОТРИЦАТЕЛЬНЫХ АТОМАРНЫХ ИОНОВ | 1994 |
|
RU2076384C1 |
| Ионный ракетный двигатель космического аппарата | 2018 |
|
RU2682962C1 |
| ПЛАЗМЕННЫЙ РЕАКТОР И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ГЕНЕРАЦИИ ПЛАЗМЫ (ВАРИАНТЫ) | 2001 |
|
RU2196395C1 |
| Устройство для ионно-лучевой обработки деталей | 1990 |
|
SU1758086A1 |
Использование: ионная техника. Сущность изобретения: для получения пучка ионов в разрядном объеме осуществляют генерацию плазмы путем возбуждения в нем безвихревой электрической компоненты высокочастотного поля и аксиально симметричного стационарного магнитного поля, которое создают неоднородным, спадающим к оси симметрии разрядного объема. В генерируемой плазме возбуждают собственные электростатические волны путем выбора величины индукции стационарного магнитного поля в разрядном объеме, мощности и частоты высокочастотного поля при заданном значении плотности ионного тока. Выполнение данных условий определяет высокую эффективность получения пучка ионов, которая характеризуется энергетической и газовой эффективностью реализующего способ источника ионов, за счет наиболее полного использования вводимой в разрядную камеру высокочастотной мощности. 2 с. и 15 з.п. ф-лы, 7 ил.
| ЕПП, патент, 0474584, кл | |||
| Печь для непрерывного получения сернистого натрия | 1921 |
|
SU1A1 |
| Groh K.H | |||
| et al., Development statur of the RII Jon Jpginis., 21-st International Electric Propulsion Conference, A1AA, paper 90 - 2671, 1990, p | |||
| Разборный с внутренней печью кипятильник | 1922 |
|
SU9A1 |
| GB, патент, 1399603, кл | |||
| Печь для непрерывного получения сернистого натрия | 1921 |
|
SU1A1 |
