ГЕНЕРАТОР ОБЪЕМНОЙ ГАЗОРАЗРЯДНОЙ ПЛАЗМЫ Российский патент 2001 года по МПК H05H1/00 H05H1/24 

Изобретение относится к плазменной эмиссионной электронике, в частности к конструкциям плазменных ионных и электронных эмиттеров непрерывного действия с большой поверхностью на основе объемного разряда с холодными электродами, и может быть использовано для термической обработки в вакууме: при спекании изделий из металлических порошков, пайке, закалке, а также в технологических процессах, например обезгаживания деталей с последующей активизацией и нанесением покрытий, когда требуется комбинация электронных и ионных пучков, решаемая в едином цикле путем переключения полярности ускоряющего частицы напряжения.

Известны плазменные эмиттеры с большой поверхностью на основе вакуумного дугового разряда [1. Визирь А.В., Оке Е.М., Щанин П.М., Юшков Г.Ю. Широкоапертурный ионный источник на основе несамостоятельного тлеющего разряда с полым катодом // Тез. докл. IV Всероссийской конф. по модификации свойств конструкционных материалов пучками заряженных частиц. Томск, 1996. С. 50-52. 2. Берсенев В. В., Гаврилов Н.В., Радковский Г.В. Источник для ионного распыления материалов // Тез. докл. IV Всероссийской конф. по модификации свойств конструкционных материалов пучками заряженных частиц. Томск, 1996. С. 66 - 68.]. Недостатком таких плазменных эмиттеров является низкая эффективность извлечения заряженных частиц, а меры, принимаемые для улучшения однородности эмиссии, значительно усложняют схему и конструкцию всего эмиттера.

Наиболее близкой по технической сущности к заявляемому изобретению является конструкция плазменного эмиттера [The physics and technology of ion sources. /Edit by Brown I.G.//New York.: John Wiley, 1989] (Mevva-ll), выбранная в качестве прототипа, которая состоит из разрядной камеры вспомогательного разряда, инициируемого по поверхности диэлектрика, соленоида, камеры основного разряда, содержащей эмиссионную сетку, торец которой перекрыт эмиссионным электродом в виде перфорированного диска. На оси формирователя устанавливается система извлечения. Продольное магнитное поле создается соленоидом.

Недостатком известной конструкции является интенсивное разрушение диэлектрика при пробое в области катодного пятна и металлизация из-за запыления его поверхности материалом катода. Это приводит к тому, что ресурс подобных систем инициирования оказывается ограничен величиной 10⁵-10⁶ импульсов.

Уменьшение рабочего давления осуществляется с помощью магнитного поля, создаваемого соленоидом, то есть для зажигания объемного (основного) разряда требуется ввод дополнительного оборудования, что усложняет конструктивную схему в целом, увеличивает металлоэнергоемкость.

Цель изобретения - устранение вышеуказанных недостатков, а также повышение надежности, экономичности и эффективности эмиттера с возможностью стабильно зажигать объемный сильноточный разряд при низких давлениях, не используя вспомогательный разряд повышенного давления.

Указанная цель достигается тем, что устройство выполнено с пространственно не раздельными катодной и анодной полостями. Конструкция представляет собой трубчатую полость с решетчатой стенкой из катодных и анодных стержней. Так, в отмеченном варианте торцевой диск полости и катодные стержни, установленные на периферии диска, являются элементами полого катода гребенчатой структуры. Аналогичная гребенчатая структура из анодных стержней и торцевого сетчатого электрода устанавливается соосно с катодной структурой и образует в целом с торцевыми катодным и анодным электродами схему типа squirrel cage - type ("беличье колесо") без магнитного поля.

На чертеже показана схема заявляемого устройства, где 1 - стержневые катоды, 2 - стержневые аноды, 3 - плоский катод, 4 - сетчатый анод, 5 - изолятор, 6 - корпус.

Устройство работает следующим образом. Сначала вакуумируется камера последовательно включенными насосами: вращательным (НВПР-16-066) и паромасляным Р-160/700 до остаточного давления ~3•10^-3 Па). Затем устанавливается рабочее давление газа в пределах (3•10^-2 Па). Приложение напряжения, как показано на чертеже, между катодами 2 и 3 анодами 1 и 4 приводит к зажиганию разряда с растущей вольтамперной характеристикой, с током разряда до 2А.

В условиях технологического применения широкоапертурного плазменного эмиттера (извлекающее напряжение 5-10 кВ, ускоряющий промежуток 5 мм, давление аргона в промежутке 2•10^-2Па) сформирован пучок ионов поперечным сечением 76 мм, током 40-50 мА. При смене полярности извлекающего напряжения получен пучок ионов диаметром 76 мм, током 0,1-0,3 А. Возбуждаемая стационарная объемная плазма высокооднородна. Равномерность распределения плотности тока ~0,08.

К принципиальному достоинству такой пространственно регулярной структуры электродов относится возможность фиксирования параметра pd (p - давление плазмообразующего газа, d - длина газоразрядного промежутка), при котором достигается минимум пробивного потенциала в сравнительно широком диапазоне изменения давления, благодаря наличию коротких и длинных газоразрядных промежутков. Это позволяет стабильно зажигать объемный разряд при низких давлениях, не используя вспомогательный разряд повышенного давления.

Кроме того, катодные стержни 2 и торцевой катодный диск 3 трубчатой полости конструктивно образуют подобие полого катода с большой эмитирующей электроны поверхностью, что обеспечивает горение сильноточного разряда при низких давлениях. Торцевой, но уже анодный диск, перекрывающий эту полость и диафрагмированный широким отверстием, перекрывается мелкоструктурной анодной сеткой 4. Катодные 2 и 3 и анодные 1 и 4 электроды и разделяющий их изолятор 5 удерживаются корпусом 6.

Хотя образующая стенка полости выполнена из катодных и анодных стержней, процессы в ее торцевой катодной части, обеспечивающие преимущественно эмиссию холодного катода, и процессы, определяющие эмиссионные свойства анодной плазмы, пространственно разделены. Это позволяет в определенных пределах независимо оптимизировать условия горения разряда и эмиссию распыляющих ионов из плазмы, ослабляя влияние эмиссии на характеристики тлеющего разряда. Горение разряда при низких давлениях сохраняет электрическую точность ускоряющего ионы промежутка, а прогнозируемая одинаковая вероятность ионизации в объеме полости приводит к однородному радиальному распределению концентрации анодной плазмы у сетчатой стенки.

Использование устройства обеспечивает генерирование стационарной высокооднородной плотной плазмы. По конструктивному исполнению оно проще эмиттеров большой площади со вспомогательным разрядом с аксиальной инжекцией заряженных частиц в цилиндрический анод-формирователь (экспандер). Исключение дополнительных элементов, не влияющих на конечные параметры прибора, снижает металлоемкость и трудозатраты на изготовление.

Изобретение относится к плазменной эмиссионной электронике, в частности к конструкциям плазменных ионных и электронных эмиттеров непрерывного действия с большой поверхностью на основе объемного разряда с холодными электродами, и может быть использовано для термической обработки в вакууме: при спекании изделий из металлических порошков, пайке, закалке, а также в технологических процессах, например обезгаживания деталей с последующей активизацией и нанесением покрытий, когда требуется комбинация электронных и ионных пучков, решаемая в едином цикле путем переключения полярности ускоряющего частицы напряжения. Генератор выполнен с пространственно не раздельными катодной и анодной полостями. Конструкция представляет собой трубчатую полость с решетчатой стенкой из катодных и анодных стержней. Торцевой диск полости и катодные стержни, установленные на периферии диска, являются элементами полого катода гребенчатой структуры. Аналогичная гребенчатая структура из анодных стержней и торцевого сетчатого электрода устанавливается соосно с катодной структурой и образует в целом с торцевым и анодным электродами схему типа squirrel cage-type ("беличье колесо") без магнитного поля. Технический результат - использование устройства обеспечивает генерирование стационарной высокооднородной плотной плазмы, по конструктивному исполнению оно проще эмиттеров большой площади со вспомогательным разрядом с аксиальной инжекцией заряженных частиц в цилиндрический анод-формирователь (экспандер), а исключение дополнительных элементов, не влияющих на конечные параметры прибора, снижает металлоемкость и трудозатраты на изготовление. 1 ил .

Генератор объемной газоразрядной плазмы с электродной структурой, содержащий сегментированный полый катод и сегментированный полый анод, отличающийся тем, что гребенчатая структура из анодных стержней и торцевого сетчатого электрода установлена соосно с гребенчатой катодной структурой и образует в целом с торцевыми катодным и анодным электродами пространственно не раздельные катодную и анодную полости типа "беличье колесо" без магнитного поля.