ПЛАЗМЕННЫЙ ЭМИТТЕР ИОНОВ Российский патент 1999 года по МПК H01J27/04 

Изобретение относится к технике получения плазмы и генерации интенсивных ионных пучков с большим поперечным сечением.

Известны плазменные эмиттеры заряженных частиц на основе тлеющего разряда низкого давления, в которых для понижения рабочего давления газа используются сильные магнитные поля с индукцией примерно 10^-2 - 10^-1 Тл. Такие плазменные эмиттеры используются для получения узких сфокусированных пучков заряженных частиц в системах на основе отражательного разряда [1] и для получения кольцевых пучков в системах на основе магнетронного разряда [2].

Однако наложение сильных магнитных полей приводит к значительной пространственной неоднородности генерируемой плазмы, что затрудняет использование таких систем для получения пучков большого сечения.

Генерация в больших объемах однородной плазмы при низких давлениях газа обеспечивается с помощью разряда в коаксиальной электродной системе с полым катодом и стержневым анодом при наложении относительно слабого магнитного поля. Такое поле улучшает удержание быстрых электронов и способствует формированию плоского радиального профиля плазмы.

Известный плазменный эмиттер ионов такого типа [3] содержит полый цилиндрический катод с многоапертурным эмиссионным окном, выполненным на одном из торцов полого катода, и размещенный внутри катода стержневой анод. С наружной стороны катода соосно с ним размещен соленоид, причем L = D; l = (0,5-0,8)L, где L, D - длина и диаметр полого катода, l - длина стержневого анода.

Однако увеличение магнитной индукции свыше некоторого оптимального значения и соответствующее уменьшение рабочего давления газа ниже значений ~ 10^-2 Па при использовании данной разрядной системы в плазменном эмиттере ионов невозможно из-за того, что рост индукции не только приводит к быстрому росту радиального градиента концентрации плазмы в объеме, но и к появлению анодного слоя отрицательного пространственного заряда, росту напряжения горения разряда и возникновению плазменных колебаний, приводящих к значительной модуляции плотности плазмы.

Задачей изобретения является повышение газовой экономичности и стабильности параметров устройства в работе при сохранении плотности тока ионной эмиссии и однородности ее распределения по поверхности эмиттера.

Плазменный эмиттер ионов содержит полый катод, имеющий форму цилиндра с выполненными в одном из торцов эмиссионными отверстиями, и выполненный в виде стержня анод, установленный на противоположном катодном торце соосно с катодом, с внешней стороны которого соосно размещен соленоид, при этом размеры катода выбраны из условий: l = (0,5-0,8)L, L = D, где l - длина анода, L - длина полого катода, D - диаметр полого катода.

Согласно изобретению соленоид содержит четное число секций, причем обмотки соседних секций соленоида включены встречно.

В предложенной конструкции эмиттера в результате встречного включения соседних секций соленоида формируется многополюсное магнитное поле. Радиальное распределение продольной составляющей индукции такого поля имеет максимумы у поверхности катода в плоскости симметрии секций и минимум на оси системы, возникающий в результате взаимной компенсации полей противоположного направления, создаваемых отдельными секциями соленоида. В таких условиях обеспечивается эффективная ионизация газа и поддержание разряда при более низких давлениях без ухудшения радиальной однородности распределения плотности плазмы, поскольку более сильное поле у катода обеспечивает эффективное удержание быстрых электронов, а слабое магнитное поле в объеме полости не оказывает существенного влияния на движение плазменных электронов к аноду.

Экспериментально установлено, что плотная, спокойная и однородная плазма в разряде с многополюсным магнитным полем генерируется в условиях, когда величина продольной составляющей индукции магнитного поля у катода в несколько раз превышает поле, при котором в системе с однородным полем в объеме степень радиальной неоднородности и модуляции плотности плазмы становятся неприемлемыми для использования в плазменном эмиттере ионов. Однако предложенная магнитная система даже при четном числе секций соленоида обеспечивает полную компенсации поля только в центре разрядной системы, тогда как вблизи катодных торцов поле на оси может достигать ~0,2 от величины поля у поверхности катода. Поэтому значительное увеличение магнитного поля на периферии системы для снижения давления газа в разряде оказывается невозможным в силу тех же причин, что и в прототипе, однако из-за улучшения условий энергетической релаксации быстрых электронов и увеличения скорости дрейфа плазменных электронов на анод достигается существенное улучшение характеристик плазменного эмиттера ионов. Эти условия обеспечиваются соответствующей конфигурацией магнитного поля, которая создается при использовании секционированного соленоида со встречным включением соседних секций. Предложенный плазменный эмиттер ионов благодаря указанным отличительным признакам обладает повышенной газовой экономичностью и стабильностью параметров.

На чертеже представлен предложенный плазменный эмиттер ионов.

Эмиттер содержит полый цилиндрический катод 1, в одном из торцов которого выполнено многоапертурное эмиссионное окно 2, а на другом с помощью проходного изолятора 3 соосно с катодом установлен стержневой анод 4. С внешней стороны катода соосно с ним установлен соленоид, имеющий четное число секций 5.

Плазменный эмиттер ионов работает следующим образом.

Через обмотки секций 5 соленоида пропускается ток, создающий в катодной полости неоднородное магнитное поле с индукцией на оси не свыше 10^-3 Тл. Направление протекания тока в соседних секциях соленоида обеспечивает создание полей противоположной направленности. В катодную полость напускается газ, и при приложении между катодом 1 и анодом 4 напряжения зажигается разряд, из плазмы которого через отверстия в плоскости эмиссионного окна 2 производится отбор ионов.

Испытания опытного образца плазменного эмиттера ионов проводились в импульсно-периодическом режиме при непрерывном напуске газа (аргона) в катодную полость диаметром 150 мм. Диаметр анода составлял 3 мм, длина 100 мм. Длительность импульса составляла 10^-3 с, частота следования импульсов - 25 Гц. Получен импульсный ток эмиссии ионов 0,4 A с плазменной поверхности 200 см². Давление в газоразрядной камере составляло ~5 • 10^-3 Па, в то время как в прототипе при таких же размерах газоразрядной камеры для устойчивого горения разряда необходимо давление ~10^-2 Па. Статическое напряжение зажигания разряда составляло ~1500 В. Напряжение горения разряда в зависимости от рода газа и его давления, а также тока разряда и частоты повторения импульсов изменялось в пределах 500-900 В. Неоднородность радиального распределения плотности эмиссионного тока составляла 5-10% на диаметре 100 мм. Модуляция тока насыщения ионов на помещенный в плазму разряда зонд не наблюдалась, тогда как в используемом в прототипе разряде с однородным магнитным полем степень модуляции тока при соответствующей однородному распределению индукции магнитного поля ~1,5 мТл и минимальном давлении аргона 10^-2 Па составляла десятки процентов.

Использование предлагаемого плазменного эмиттера ионов в технологических источниках заряженных частиц позволит снизить давление газа и обеспечить постоянство эмиссионных свойств плазмы, что сделает возможным достижение более высоких ускоряющих напряжений и облегчит формирование ионных пучков и повысит стабильность их параметров, что существенно улучшит функциональные и эксплуатационные характеристики эмиттера ионов газов.

Литература
1. Ю.Е. Крейндель. Плазменные источники электронов, М.: Атомиздат, 1977.

2. Оке Е.М., Чагин А.А., Журнал технической физики, 1988, т. 58, в. 6, с. 1191.

3. Гаврилов Н. В., Никулин С.П., Плазменный эмиттер ионов. Патент РФ N 2045102. Приоритет от 27 июля 1993 г. Зарегистрирован 27 сентября 1995 г.

Изобретение относится к технике получения плазмы и генерации интенсивных ионных пучков с большим поперечным сечением. Плазменный эмиттер содержит полый цилиндрический катод, в одном из торцов которого выполнено многоапертурное эмиссионное окно, а на другом соосно с катодом установлен стержневой анод. С внешней стороны катода соосно с ним установлен имеющий четное число секций соленоид, обмотки соседних секций которого включены встречно. Соленоид создает в полости катода неоднородное магнитное поле, индукция которого максимальна вблизи катода, а на оси разрядной системы не превышает ~ 10^-3 Тл. Изобретение позволяет повысить газовую экономичность и стабильность параметров плазменного эмиттера при сохранении плотности тока ионной эмиссии и однородности ее распределения по поверхности эмиттера. 1 ил.

Плазменный эмиттер ионов, содержащий полый катод, имеющий форму цилиндра с выполненными в одном из торцов эмиссионными отверстиями, и выполненный в виде стержня анод, установленный на противоположном катодном торце соосно с катодом, с внешней стороны которого соосно размещен соленоид, при этом размеры катода выбраны из условий
l = (0,5 - 0,8)L, L = D,
где l - длина анода;
L - длина полого катода;
D - диаметр полого катода,
отличающийся тем, что соленоид содержит четное число секций, причем обмотки соседних секций соленоида включены встречно.