МАТЕРИАЛ КАТОДА ДЛЯ СИЛЬНОТОЧНОГО ИОННОГО УСКОРИТЕЛЯ Российский патент 1998 года по МПК H01J1/146 H05H5/02 C23C14/00 

Изобретение относится к области получения мощных ионных пучков (МИП) и может быть использовано в ускорителях, работающих в непрерывном и импульсном режимах.

Известен материал катода следующего состава, мас.%: медь 20, кремний 0,5, вольфрам - остальное [1]. Недостатком данного материала катода является достаточно высокий ток горения дуги - 200 А.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности и достигаемому результату является материал катода для сильноточного ионного ускорителя (СИУ), выполненный из графита [2]. Такой катод позволяет получить пучки ионов углерода плотностью тока 60 А/см² при среднем напряжении по диоду 300 кВ/см и длительности импульса 60 H•c (на полувысоте).

Недостатками такого катода являются высокий энергетический порог плазмообразования и ограничение функциональных возможностей ускорителей при использовании их для имплантации. Последнее связано с применением ускорителей в технологии модификации поверхности материалов. Облучение поверхности материалов ионами углерода с целью повышения служебных характеристик целесообразно только для определенных типов сталей. В большинстве случаев, когда объектами являются сплавы на основе никеля или меди, а также полупроводники, внедрение ионов углерода не является предпочтительным.

Целью настоящего изобретения является снижение энергетического порога плазмообразования и расширение функциональных возможностей ускорителей.

Поставленная цель достигается тем, что катод изготавливается методом порошковой металлургии из композиционного материала, в состав которого входят, мас.%:
Алюминий (ПА - 4) - 17 - 20
Кремний (ПК - 30) - 2 - 4
Бор (ОЧ - 4) - 16 - 19
Графит (ПГ - 1) - 27 - 31
Титан (ПТОМ) - Остальное
Такая композиция позволяет получить рабочую поверхность катода с высокими электрофизическими характеристиками, необходимыми для возбуждения разряда и образования приповерхностной плазмы плотностью, достаточной для быстрого однородного заполнения диода и извлечения больших токов. Определяющим физическим параметром рабочей поверхности материала катода является работа выхода. Снижение работы выхода обеспечивает снижение тока - I₀(I₀ - ток, ниже которого самоподдерживающееся состояние дугового разряда невозможно), повышение эмиссии и соответственно плотности тока на более низком уровне энергии, т. е. при более низком пороговом напряжении. Последнее определяется величиной первого импульса отрицательной полярности, служащего для создания плазмы в диоде. Снижение порога плазмообразования необходимо для более однородного заполнения диода плазмой, что обеспечивает стабильно высокую интенсивность тока в импульсе при снижении энергоемкости процесса.

Расширение функциональных возможностей ускорителей обеспечивается тем, что элементы, входящие в состав композиции, широко используются в технологии ионно-плазменной модификации поверхности материалов, под которой подразумевается улучшение физико-механических, оптических, коррозионных свойств материала. Используя связь эксплуатационные характеристики - физико-химическое состояние поверхности, можно качественно прогнозировать изменение этого состояния, а следовательно, и эксплуатационных характеристик поверхности детали при имплантации теми или иными ионами. Так для быстрорежущих сталей и твердых сплавов желательно осуществлять дисперсное упрочнение за счет образования новых фаз боридов, карбидов и боросилицидов [3, 4]. В связи с этим использование предлагаемого композиционного катода в укорителях позволяет расширить их технологическое применение, поскольку расширяется круг материалов и изделий, которые могут обрабатываться пучками ионов с целью повышения эксплуатационных характеристик.

Таким образом, использование многоэлементного композиционного катода в укорителях открывает возможности многоцелевого их применения и в то же время обеспечивает значительное снижение энергозатрат на образование плазмы.

Пример. Катод, представляющий по форме сектор внутренней поверхности цилиндра, с радиусом 140 мм, высотой 40 мм изготавливали гидродинамическим прессованием порошков титана, бора, графита, кремния и алюминия с последующим спеканием в вакуумной печи типа СНВЭ. Температура спекания была выбрана такой, чтобы обеспечить появление жидкой фазы для ускорения процесса спекания. Присутствие элементов твердой фазы титана и бора создает каркас их этих частиц, который не позволяет заготовке катода усаживаться или менять свою форму в процессе спекания. После токарной обработки катоды использовали в сильноточном ускорителе для получения мощных ионных пучков сложного состава наносекундной длительности. Испытания на пороговое напряжение плазмообразования проводили на ускорителе "Тонус" [2].

Измерение плотности осуществлялось при одном и том же ускоряющем напряжении 300 кВ. Наилучшие результаты, достигнутые при использовании графитового катода по прототипу, следующие: амплитуда напряжения в первом импульсе 150 кВ, плотность тока 50 - 60 А/см². Из приведенных данных следует, что многокомпонентный катод предложенного состава позволяет снизить амплитуду напряжения в первом импульсе до 86 - 90 кВ при незначительном снижении плотности тока. В результате величина коэффициента выхода (отношение плотности тока к напряжению в первом импульсе) возрастает в 1,5 раза по сравнению с соответствующей величиной коэффициента выхода при использовании графитового катода.

Список литературы:
1. Патент США N 1477794, C 23 C 15/00, 1967.

2. Исаков И. Ф. , Лопатин В.С., Пушкарев А.И., Ремнев Г.Е. Модифицированный источник мощных ионных пучков "Темп". Труды "IV Всероссийской конференции по модификации свойств конструкционных материалов пучками заряженных частиц", Томск, 1996, с. 105 - 106.

3. Шулов В.А. Выбор имплантируемых ионов и оптимальных режимов ионного легирования металлов и сплавов. // Труды конф. "Модификация свойств конструкционных материалов пучками заряженных частиц", Томск, 1994, т.1, с. 64 - 67.

4. Х. Риссел, И. Руге. Ионная имплантация. - М.: Наука, 1983, 359 с.

Материал предназначен для изготовления катода сильноточного ионного ускорителя. Материал содержит, мас.%: алюминий 17 - 20, кремний 2 - 4, бор 16 - 19, графит 27 - 31, титан - остальное. Катод позволяет снизить порог плазмообразования и повысить ток в импульсе.

Материал катода для сильноточного ионного ускорителя, содержащий графит, отличающийся тем, что он дополнительно содержит алюминий, кремний, бор, титан при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Алюминий - 17 - 20
Кремний - 2 - 4
Бор - 16 - 19
Графит - 27 - 31
Титан - Остальноея