ИОННАЯ ПУШКА Российский патент 1999 года по МПК H01J3/04 H01J27/02 H05H5/00 

Изобретение относится к ускорительной технике и может быть использовано для генерации мощных ионных пучков.

Практическое использование мощных ионных пучков в технологических целях часто предъявляет требования достижения максимально возможной плотности ионного пучка на поверхности мишени. Такие пучки необходимы при снятии покрытий и очистке поверхности деталей от нагара, нанесении пленок из материала мишени и т.д. При этом необходимо обеспечивать большой ресурс работы ионной пушки и стабильность параметров генерируемого пучка.

Известно устройство, предназначенное для получения сфокусированного на ось мощного ионного пучка (а.с. N 816316 "Ионная пушка для накачки лазеров" Быстрицкий В.М., Красик Я.Е., Матвиенко В.М. и др. "Магнитно - изолированный диод с B_θ полем", Физика плазмы, 1982, т.8, в.5, с 915-917). Это устройство состоит из цилиндрического катода, имеющего продольные прорези вдоль своей образующей и предназначенные для вывода ионного пучка во внутрикатодное пространство. К концам катода, выполненного в виде беличьего колеса, подключен источник тока, создающий изолирующее магнитное поле. Цилиндрический анод, имеющий плазмообразующее покрытие на своей внутренней поверхности, расположен коаксиально с катодом. При срабатывании источника тока и поступлении положительного высоковольтного импульса на анод образующиеся из материала анодного покрытия ионы ускоряются в анод-катодном зазоре и баллистически фиксируются на ось системы. Высокая степень фокусировки достигается благодаря отсутствию поперечного магнитного поля в закатодном пространстве и распространению ионного пучка в условиях, близких к бессиловому дрейфу. Недостатком этого устройства является невозможность получения сфокусированного ионного пучка, выходящего из пушки для облучения мишеней, расположенных вне ее.

Наиболее близкое к предлагаемому устройство по а. с. N 1102474 "Ионная пушка" выбрано за прототип. Эта ионная пушка содержит катод, выполненный в виде разомкнутого плоского витка с отверстиями для вывода ионного пучка и плоский анод, расположенный внутри катода и имеющий скругления на своих торцах. На аноде, напротив отверстий в катоде, располагаются плазмообразующие участки. К разомкнутым концам катода подключен источник тока и между этими же концами катода расположен тонкий проводящий экран, выполненный в виде полуцилиндра и имеющий электрический контакт с обоими концами катода. Этот тонкий экран задает цилиндрическую геометрию распределения электрического поля на этом участке ионной пушки, что снижает локальные потери электронов на анод в этом месте. Низкая механическая прочность тонкого экрана является недостатком данного устройства, что снижает ресурс непрерывной работы ионной пушки. Простое увеличение толщины экрана невозможно, поскольку в этом случае экран начинает существенно шунтировать источник тока и значительно искажать распределение магнитного поля вблизи себя. При срабатывании источника тока в анод-катодном зазоре создается изолирующее поперечное магнитное поле для электронного потока. Ионы пересекают ускоряющий зазор лишь с незначительным отклонением от прямолинейной траектории. Пройдя через катодные отверстия, ионный пучок нейтрализуется холодными электронами, вытягиваемыми из стенок катода. При выходе из катодных отверстий нейтрализованный по заряду пучок начинает распространятся в области, где существует поперечное магнитное поле. В ионной пушке используется быстрое магнитное поле (десятки микросекунд) и массивные электроды, "непрозрачные" для таких полей, что упрощает геометрическую юстировку системы и магнитную изоляцию (В.М. Быстрицкий, А.Н. Диденко "Мощные ионные пучки". - М.: Энергоатомиздат. 1984, с. 57-58). Поскольку силовые линии магнитного поля замкнуты и охватывают катод, не проникая в массивные электроды, то ионный пучок при своем движении от катодных щелей до заземленного корпуса (или соединенной с ним мишени) пересекает магнитный поток, по величине близкий потоку в анод-катодном зазоре. Наличие поперечного магнитного поля в закатодном пространстве резко ухудшает условия транспортировки, и углы расходимости ионного пучка достигают ≈10^o в закатодном пространстве.

Таким образом, остается актуальной задача создания ионной пушки, предназначенной для получения сфокусированного ионного пучка на внешней мишени, обладающей высокой надежностью и большим ресурсом работы.

Для решения этой задачи ионная пушка, как и прототип, содержит корпус, в котором размещены катод в виде витка с отверстиями для вывода ионного пучка, анод со скруглениями на торцах, расположенный внутри катода и имеющий плазмообразующие участки напротив отверстий катода. Разомкнутые концы катода подсоединены к источнику тока. Со стороны вывода ионного пучка поверхности анода и катода выполнены в виде части соосных цилиндрических поверхностей. В отличие от прототипа ионная пушка содержит второй источник тока, а виток катода выполнен составным из двух пластин. При этом первая катодная пластина с отверстиями для вывода ионного пучка с обеих своих концов соединена с корпусом ионной пушки посредством штыревых гребенок. Вторая катодная пластина также посредством штыревых гребенок, встречных к штыревым гребенкам первой пластины, с обеих своих концов соединяется с выводами двух источников тока разной полярности. Вторые выводы источников тока соединены с корпусом.

Такое выполнение катода позволяет отделить область анод-катодного зазора, где существует быстрое изолирующее магнитное поле, от области дрейфа ионного пучка, где поперечное магнитное поле должно отсутствовать. В этой конструкции катодная пластина с отверстиями для вывода мощного ионного пучка является своеобразным магнитным экраном для быстрого поля.

На фиг. 1 приведена предлагаемая ионная пушка. Устройство содержит катод, выполненный в виде двух пластин 1 и 2. Пластина 1 имеет отверстия 3 для вывода пучка и соединена с обеих своих сторон с корпусом 4 ионной пушки посредством двух штыревых гребенок 5. Вторая катодная пластина 2 соединена с выводами двух разнополярных источников тока 6 посредством встречно-направленных к гребенкам 5 штыревых гребенок 7. Вторые выводы источников тока 6 соединены с корпусом ионной пушки 4. Поверхность катодной пластины 1 изогнута в виде части цилиндрической поверхности так, что в области 8 находится ось цилиндра. Внутри составного катодного витка находится плоский анод 9, имеющий скругления на своих торцах и плазмообразующия покрытие 10, расположенные напротив отверстий 3 в пластине 1. Анод 10 также изогнут в виде части цилиндрической поверхности и имеет с катодом общую ось, являющуюся в данном случае фокусом 8 системы. На фиг. 2 приведена конструкция встречных штыревых гребенок 5 и 7, соединяющих катодные пластины 1 и 2 с корпусом 4 и источниками тока 6.

Устройство работает следующим образом. Включаются разнополярные источники тока 6, выводы которых соединены с корпусом пушки 4 и пластиной 2 через штыревые гребенки 7. По цепи - корпус 4, первый источник тока 6, штыревая гребенка 7, катодная пластина 2, вторая штыревая гребенка 7, второй источник тока 6, корпус 4 - протекает ток, создающий изолирующее поле в анод-катодном зазоре. Магнитное поле, создаваемое током, протекающим по катодной пластине 2, ограничено катодной пластиной 1, соединенной своими обеими концами с корпусом ионной пушки 4 посредством штыревых гребенок 5, встречно-направленных к гребенкам 7. В этом случае катодная пластина 1 является экраном для быстрого поля, которое не проникает в закатодную область, расположенную от щелей 3 до фокального пятна 8. При этом по поверхности электрода 1, обращенной к аноду, протекает наведенный ток, поверхностная плотность которого близка к поверхностной плотности тока по пластине 2, и в области встречно-направленных штыревых гребенок 5 и 7, расстояние между соседними штырями которых выбирается меньше анод-катодного зазора, создается магнитное поле, близкое к полю в области расположения выводных отверстий 3. Симметрия схемы ионной пушки приводит к тому, что в области транспортировки ионного пучка от щелей 3 до фокального пятна 8 имеются только слабые рассеянные поля по сравнению с магнитными полями в анод-катодном зазоре. В момент максимума магнитного поля в анод-катодном промежутке на анод 9 от генератора высоковольтных импульсов (на чертеже не показан) подается импульс положительной полярности. Плотная плазма, образованная на плазмообразующих участках 10 поверхности анода, служит источником ускоряемых ионов. Ионы, ускоряясь в анод-катодном промежутке, проходят через отверстия 3 в катоде и транспортируются в закатодном пространстве к области фокального пятна 8. По сравнению с прототипом, где величина поперечного магнитного поля вблизи катода за щелями достигает ≈40% от амплитуды поля в анод-катодном зазоре, в данном устройстве остаточное поле может быть легко снижено до долей процента. При этом реализуется дрейф ионного пучка к мишени, близкий к бессиловому. Поскольку поверхности анода 9 и катода 1 со стороны вывода ионного пучка имеют цилиндрическую геометрию, то ионы, выходящие из щелей 3, будут баллистически фокусироваться на ось 8. Степень фокусировки будет в основном ограничиваться аберрациями пучка на катодных щелях и температурой анодной плазмы. По сравнению с прототипом, в несколько раз увеличивается достижимая плотность ионного пучка на мишени при одинаковых параметрах высоковольтного генератора.

Изобретение относится к технике получения импульсных мощных ионных пучков. Ионная пушка позволяет получать пучки с большой плотностью ионного тока на внешней мишени. Катод пушки выполнен в виде витка с отверстиями для вывода ионного пучка. Внутри катода расположен анод со скруглениями на своих торцах и плазмообразующими участками напротив отверстий в катоде. Поверхности анода и катода со стороны вывода ионного пучка выполнены в виде части соосных цилиндрических поверхностей. Катод выполнен составным из двух пластин. Катодная пластина, имеющая отверстия для вывода пучка, с обеих своих концов соединена с корпусом посредством штыревых гребенок. Вторая катодная пластина с обеих своих концов подсоединена к выводам двух источников тока разной полярности также посредством штыревых гребенок, встречных к штыревым гребенкам первой пластины. Вторые выводы источников тока соединены с корпусом пушки, и расстояние между соседними штырями в штыревых гребенках выбирается меньшим, чем анод-катодный зазор. Такое выполнение ионной пушки позволяет значительно ослабить поперечное магнитное поле в закатодном пространстве и получить баллистически сходящийся мощный ионный пучок. 2 ил.

Ионная пушка, содержащая расположенные в корпусе катод, выполненный в виде витка, подключенного к источнику тока и имеющего отверстия для вывода пучка, анод со скруглениями на торцах, расположенный внутри катода и имеющий плазмообразующие участки напротив отверстий катода, и поверхности анода и катода со стороны вывода ионного пучка изогнуты в виде части соосных цилиндрических поверхностей, отличающаяся тем, что содержит второй источник тока, виток катода выполнен составленным из двух пластин, при этом катодная пластина, имеющая отверстия для вывода ионного пучка, с обеих своих концов соединена с корпусом ионной пушки посредством штыревых гребенок, а вторая катодная пластина подсоединена к выводам двух источников тока разной полярности посредством штыревых гребенок, встречных к штыревым гребенкам первой пластины, вторые выводы источников тока соединены с корпусом пушки.