ИСТОЧНИК ИОНОВ С ПЕРИФЕРИЙНЫМ МАГНИТНЫМ ПОЛЕМ Российский патент 1998 года по МПК H01J27/02 H05H3/02 

Изобретение относится к источникам ионов и может использоваться в областях народного хозяйства там, где требуются пучки заряженных частиц.

Аналогами изобретения являются источник ионов, в котором для сепарации электронов, обладающих большой энергией, от областей вытягивания используется магнитный фильтр (Ehlers K.W., Leung K.N., "Effect of magnetic filter on hudrogen ion species ina multicusp ion source". Rev Scints Instrum., 52, 1452 (1981) и источник ионов (Limpaecher R., Mackenze K.R., "Magnetic Multipole containment of Large Uniform Collisions Quiescent plasmas". Rev. Sei. Instrum., 44, 726 (1973).

Эти источники использовались для увеличения выхода однозарядных ионов водорода, для повышения однородности плазмы в области вытягивания и для увеличения ее плотности в этой области.

Известен источник ионов с периферийным магнитным полем, который содержит вытягивающую систему, камеру ионизации с апертурой вытягивания, плазменным электродом, катодами, расположенными по кругу на противоположной от апертуры вытягивания торцевой стенке вблизи от боковой поверхности камеры, магниты, размещенные снаружи камеры ионизации и создающие в ней периферийное мультипольное остроугольное магнитное поле, величина которого равна нулю на центральной продольной оси камеры и резко возрастает в области ее боковых стенок (Форрестор А.Г. Интенсивные ионные пучки. - М.: Мир, 1992, с. 317 - 318).

Недостатком конструкции прототипа является то, что он не используется для получения пучков положительно заряженных ионов с малой температурой, а также то что, в силу конструктивного расположения магнитов в прототипе, для эффективного предотвращения диффузии электронов с большой энергией в область вытягивания, катоды следует располагать на значительном удалении от области вытягивания, чтобы существующее в камере магнитное поле могло полностью их отклонить. Но в этом источнике ионы образуются у задней стенки разрядной камеры и должны проходить значительный путь, как и электроны, до отверстия вытягивания, разрушаясь в результате процессов перезарядки и рекомбинации, что уменьшает плотность плазмы и ток пучка.

Задачей изобретения является создание интенсивного по току ионного источника, формирующего пучки с малым углом расхождения.

Технический результат изобретения - уменьшение фазового объема пучка -достигается тем, что в источнике ионов с периферийным магнитным полем, который содержит вытягивающую систему, камеру ионизации с апертурой вытягивания, плазменный электрод, магниты, установленные таким образом, что они создают в камере ионизации остроугольное мультипольное магнитное поле, величина которого равна нулю на центральной продольной оси камеры и резко возрастает в области их полюсов, катоды размещены относительно центральной продольной оси источника на расстояниях больших, чем полюса этих магнитов.

В результате предложенных конструкционных изменений по сравнению с прототипом, возникло положительное достижение, выражающееся в том, что удалось повысить плотность магнитного поля, препятствующего проникновению электронов с большой энергией в зону вытягивания, и стало возможным приблизить катоды к области вытягивания без уменьшения сепарации электронов с большой энергией, а следовательно, повысить плотность ионной составляющей плазмы в зоне отбора и увеличить ток пучка на выходе источника.

Применение же технического решения, использующего магнитный фильтр, препятствующий проникновению электронов с большой энергией в области вытягивания, для целей понижения температуры ионов в пучке не выходе источника в технике ионных источников не обнаружено.

Перечисленные выше отличительные особенности и возникающие в результате этого положительные достижения с учетом факта использования известного технического решения по новому назначению позволяют сделать вывод о соответствии заявленного технического решения критерию "существенные отличия".

На фиг. 1 дано устройство (схематически), вид сбоку; на фиг. 2 - со стороны апертуры вытягивания, показан источник ионов с периферийным магнитным полем.

Экспериментальный образец содержит цилиндрическую камеру ионизации 1, восемь независимых друг от друга катодов 2, плазменный электрод 3 с апертурой вытягивания 4, которая соосна с продольной аксиальной осью источника, вытягивающую систему 5, восемь магнитов 6, которые продольно расположены внутри камеры ионизации на расстояниях от аксиальной оси источника меньших, чем расположены катоды. Полюса магнитов ориентированы таким образом, что создают в камере ионизации остроугольное мультиполное поле с чередующейся полярностью. Величина поля равна нулю на центральной оси источника и резко нарастает в области ближайших к ней полюсных оконечностей магнитов 6. Это поле отделяет области катодной плазмы 7 от области вытягивания 8.

Источник работает следующим образом.

Рабочее вещество, газ или пары металлов заполняют камеру ионизации, создавая необходимое для возникновения электрического разряда давление. В экспериментальном образце анодом служат стенки камеры 1 (фиг. 1). Электрический разряд с катодов 2 ионизирует рабочее вещество. Поскольку катоды отдалены друг от друга и соединены каждый с отдельным блоком питания, этим обеспечивается эффект независимого горения разряда с каждого катода, и повышается надежность работы источника. Вблизи катодов 2, между магнитами 6 и боковой стенкой камеры ионизации возникают области горячей катодной плазмы 7, в которых содержится большое количество электронов с большой энергией (быстрых электронов). В этих областях происходит эффективная ионизация рабочего вещества. Образовавшиеся ионы, ввиду своей большой массы, свободно диффундируют к центру камеры в область вытягивания 8, через щели между магнитами. Но это же магнитное поле эффективно отражает быстрые электроны, препятствуя их проникновению в область 8, из которой производится вытягивание ионов в пучок. Как видно из конструкции источника, предложенное расположение магнитов ближе к центральной оси камеры, чем катодов, позволяет более эффективно использовать создаваемое ими поле для отражения быстрых электронов, чем в аналогичных источниках (в частности и в прототипе), у которых взаимное расположение магнитов и катодов носит обратный характер. В данном источнике величина магнитного поля не обязана достигать максимума в области боковых стенок, как это имеет место в известных конструкциях источников с периферийным мультиполем, что позволяет более широко использовать различные типы разрядов в областях, в которых производится эффективная ионизация рабочего вещества.

Электроны, обладающие малой энергией (медленные электроны), согласно экспериментальным данным работы, принятой за аналог (раб. Ehlers K.W., Leung K. N. , et. all. ..), под влиянием микронеустойчивостей и столкновительных процессов в плазме легко диффундируют через магнитную завесу поперек силовых линий поля, заполняя область 8 в центре камеры. В этой области образуется плазма, не содержащая электронов с большой энергий, плазма, обладающая рядом особенностей. Как известно из теории дальних взаимодействий в силу закона падающего трения, эффективное сечение взаимодействия медленных электронов с ионами будет значительно большим, чем электронов, обладающих большой энергией, а это способствует более быстрому выравниванию температур электронной и ионной компонент в плазме, у которой нет быстрых электронов, делая ее более спокойной и однородной, снижая уровень самосогласованных полей в плазме, являющийся, как известно, одним из основных факторов, который определяет температуру ее ионной компоненты. Согласно результатам работы, принятой за аналог (раб. Ehlers K.W., Leung K.N., et. all...), при взаимодействии медленных электронов с атомами и молекулами рабочего газа образуются преимущественно ионы одного типа. Плазма характеризуется однородным распределением плотности частиц, меньшим уровнем шумов, в ней подавляются различного рода плазменные неустойчивости, что также способствует снижению температуры ионов в плазме. Таким образом, в центральной части камеры ионизации удалось создать плазму с малой температурой, однородную по составу и плотности, спокойную. Температура электронов в ней для экспериментального образца не превышала 0,4 эВ. Именно из этой плазмы с помощью плазменного электрода 3 (фиг. 1), находящегося под заданным электрическим потенциалом, через апертуру вытягивания 4 производятся экстракция ионов и формирование их в пучок при помощи вытягивающей системы 5. Известно, что (например, Молоковский С.И., Сушков А. Д. Интенсивные электронные и ионные пучки. -М.: Энергоатомиздат, 1991, с. 286) величина эмиттанса пучка зависит от температуры эмиттера, как

где c - коэффициент, зависящий от доли тока, которая использована при определении радиуса пучка;
k - постоянная Больцмана;
e - заряд частицы;
ε_p - эмиттанс пучка;
U - вытягивающее напряжение;
r_k - радиус поверхности эмиттирующей частицы;
T - температура эмиттера,
следовательно, уменьшение температуры ионов в плазме, служащей эмиттером, ведет к уменьшению эмиттанса пучка, снижает его угловую расходимость, улучшая качество пучка на выходе источника. Хотя использование магнитного фильтра, сепарирующего быстрые электроны от области вытягивания для снижения температуры ионов пучка, в технике ионных источников не обнаружено. Но по сравнению с источником без магнитного фильтра, в котором для удержания электронов в области плазмы использовано аналогичное мультипольное магнитное поле (раб. Limpaecher R, Machenzie K.R., "Magnetic Multipоle Containment of Large Uniform Cоllisivnless Quiescent Plasmas". Rev. Sci. Instrum., 44, 726 (1973), величина эмиттанса извлекаемого пучка, а следовательно, и температура ионов в пучке была уменьшена в несколько раз для изобретения.

Поскольку в предлагаемой конструкции уход электронов из плазмы в области вытягивания затруднен наличием отражающего их мультипольного магнитного поля, создаваемого магнитами 6 (фиг. 2), а ионы удерживаются от ухода из области 8 (фиг. 2) электрическим полем, возникающим из-за увеличения плотности электронов, отраженных магнитным полем на периферии области вытягивания 8 (фиг. 2) и катоды удалось максимально приблизить к области вытягивания, так как между полюсами магнитов можно создавать отражающее электроны магнитное поле, значительно большей плотности, чем в прототипе, а электронам приходится преодолевать как бы двойную завесу, создаваемую различными полюсами магнитов, то в изобретении удалось без снижения эффективности отражения быстрых электронов уменьшить область дрейфа до вытягивающего отверстия тех ионов, которые образовались в прикатодных областях, снизив вероятность их разрушения в процессе диффузии, что привело к увеличению плотности ионов в области вытягивания. В результате этого в изобретении удалось в десятки раз повысить ток ионов на выходе источника по сравнению с прототипом.

В предлагаемой конструкции, в отличие от прототипа, регулируя положение катодов, можно изменять плотность плазмы в регионе отбора, не опасаясь появления там быстрых электронов, что расширяет функциональные возможности источника. Приближение катодов к области отбора позволило уменьшить габариты источника, его вес сравнительно с прототипом. Он не сложен в изготовлении, надежен в работе и удобен в эксплуатации. Подобные источники целесообразно использовать для получения прецизионных ионных пучков с высокой конгруэнтностью, например в медицине или в технологических установках микролитографии и тонких технологий ионной имплантации.

Использование: в ионной технике. Сущность изобретения: в источнике ионов, содержащем ионизационную камеру с апертурой вытягивания, плазменный электрод, магниты, создающие периферийное образование, мультипольное магнитное поле, катоды устанавливающиеся за полюсами магнитов, относительно центральной продольной оси источника. Это приводит к сепарации электронов большой энергии от области формирования пучка и понижает температуру ионов в плазме, из которой извлекается ионный пучок. 2 ил.

Источник ионов с периферийным магнитным полем, содержащий вытягивающую систему, камеру ионизации с апертурой вытягивания, плазменный электрод, магниты, создающие в камере ионизации остроугольное мультипольное магнитное поле, величина которого равна нулю на центральной продольной оси камеры и резко возрастает в области их полюсов, и катоды, расположенные по кругу, отличающийся тем, что катоды размещены относительно центральной продольной оси источника за полюсами магнитов.