ЛЕНТОЧНЫЙ ПЛАЗМЕННЫЙ ЭМИТТЕР ИОНОВ Российский патент 2001 года по МПК H01J27/04 H01J27/00 

Изобретение относится к технике получения плазмы и генерации ионных пучков с большим током.

Известны плазменные эмиттеры ионов на основе такой разновидности разряда низкого давления с ненакаливаемым катодом в скрещенных электрическом и магнитном полях, как разряд в электродной системе типа "обращенный магнетрон". Использование магнитного поля в такой системе приводит к возникновению замкнутого азимутального дрейфа электронов, что обеспечивает горение разряда при низких давлениях. Такие системы с отбором ионов вдоль направления магнитного поля используются для получения ионных пучков с большим поперечным сечением [1] . Системы с отбором ионов поперек магнитного поля используются для генерации ленточных ионных пучков [2].

Для обработки поверхностей в виде широких лент значительной длины наиболее целесообразным является использование ленточного пучка, ось которого перпендикулярна направлению движения материала. Трудность создания эффективного источника ленточного пучка заключается в необходимости создания концентрированного разряда с высокой пространственной неоднородностью плазмы, максимум плотности которой расположен вблизи плазменной эмиссионной поверхности, что обеспечивает высокую плотность эмиссионного тока и возможность отбора значительной доли ионного тока из плазмы, но при этом в определенном заданном направлении эта плазма должна быть однородной на значительной длине.

Известные источники ленточных пучков не обеспечивают требуемой совокупности таких параметров, как высокая эффективность отбора ионов из плазмы, высокая плотность тока эмиссии и ее равномерное распределение по длине ленточного эмиттера. Известный плазменный эмиттер содержит цилиндрический катод, в котором параллельно образующей цилиндра выполнено эмиссионное окно, расположенный на торце катода плоский анод или параллельный поверхности катода стержневой анод, а также соленоид, устанавливаемый снаружи катода [2]. В такой системе доля извлекаемого тока ионов пропорциональна отношению ширины щели к диаметру катода и не может быть достаточно большой из-за ухудшения условий горения разряда при уменьшении диаметра полого катода [3]. Наличие продольной эмиссионной щели затрудняет создание в протяженной системе однородного магнитного поля, что приводит к ограничению предельно достижимой длины сечения ионного пучка, так как следствием неоднородности магнитного поля является неоднородное распределение плотности тока ионной эмиссии плазмы по длине щели.

Задачей изобретения является увеличение длины ленточного плазменного эмиттера ионов при сохранении высокой однородности эмиссионных свойств и снижение цены извлеченного иона. Для этого в ленточном плазменном эмиттере ионов [2], содержащем полый цилиндрический катод, в котором выполнено эмиссионное отверстие в форме щели, анод и магнитную систему, катод в поперечном сечении выполнен в форме овала с различной длиной осей, эмиссионная щель расположена параллельно большой оси сечения, анод состоит из нескольких стержней, установленных параллельно образующей катода в плоскости симметрии, включающей большую ось сечения, а магнитная система состоит из постоянных магнитов, установленных на внешних торцовых поверхностях катода таким образом, что оси намагниченности магнитов параллельны образующей катода и имеют одинаковое направление, причем L = (1 + х), r = 1/2 • l, l ≅ h, h/y = (3-5), где L, l - длина большой и малой осей поперечного сечения катода, x, y - длина и ширина эмиссионной щели, r - расстояние между анодами, h - длина образующей катода.

Сущность изобретения: эмиттер содержит полый цилиндрический катод 1, несколько стержневых анодов 2 и магнитную систему 3. В одной из плоских частей катода выполнено эмиссионное отверстие в форме щели 4. Магниты, установленные снаружи на торцах катода, создают в разрядном промежутке магнитное поле. В катодную полость напускается газ и при приложении напряжения между катодом 1 и анодами 2 зажигается разряд, из плазмы которого через щель 4 в катоде производится отбор ионов. Поле постоянных магнитов и электрическое поле катодного слоя пространственного заряда приводят к возникновению замкнутого дрейфа быстрых ионизирующих электронов и их локализации вблизи катода, что обеспечивает высокую плотность тока эмиссии ионов и ее равномерное распределение по длине эмиссионной щели. Приведенные соотношения размеров элементов электродной системы обеспечивают максимально возможные значения эффективности извлечения ионов из плазмы, плотности тока эмиссии ионов и однородности распределения плотности тока по длине эмиссионной щели.

В предложенной конструкции плазменного эмиттера электронная эмиссия катода обусловлена воздействием ионов, образующихся в результате ионизации газа электронами, ускоренными в катодном слое пространственного заряда. Эмитированные цилиндрической частью катода и набравшие в катодном слое высокую энергию электроны дрейфуют в направлении, перпендикулярном векторам электрического поля катодного слоя и индукции магнитного поля, и смещаются в радиальном направлении в результате соударений с атомами газа. Замкнутый дрейф быстрых электронов в условиях, когда длина пути электрона, на которой обеспечивается его энергетическая релаксация в плазме, на 1-2 порядка превышает длину ионизационной щели, обеспечивает возможность достижения высокой однородности параметров плазмы вдоль эмиссионной щели.

Наряду с крупномасштабной неоднородностью ионно-эмиссионных свойств плазмы возможно возникновение локальных неоднородностей, обусловленных геометрией и расположением анода. Площадь поверхности анода должна быть достаточно малой, чтобы обеспечить минимальные потери быстрых электронов, при этом условия для ухода тепловых электронов из плазмы на анод должны быть одинаковы во всей системе. Это достигается использованием нескольких стержневых анодов, расстояние между которыми равно расстоянию между анодом и ближайшей точкой поверхности катода. Размер эмиссионной щели ограничен длиной плоской части поверхности катода.

Эффективность извлечения ионов в данной системе определяется отношением длин осей поперечного сечения катода, а также отношением длины образующей катода и ширины щели. Абсолютные значения длины малой оси 1, длины образующей катода h и индукции магнитного поля в совокупности определяют минимальное давление газа, при котором может существовать разряд. Усиление магнитного поля способствует снижению давления, но приводит к возрастанию амплитуды плазменных колебаний и шумов. Экспериментально установлено, что при длине 1 = h > 5 см и индукции магнитного поля ~0,01 Тл обеспечиваются устойчивое горение разряда с токами свыше 1A, уровень модуляции плотности плазмы не более 20% и поддержание электрической прочности ускоряющего промежутка. Отношение длин осей может составлять порядок величины, при этом длина эмиссионной щели будет намного меньше длины энергетической релаксации быстрых электронов, что обеспечит отсутствие крупномасштабной неоднородности линейного распределения плотности тока эмиссии ионов вдоль щели. Примерное равенство длин малой оси катода и его образующей l ≅ h обеспечивает высокую эффективность извлечения ионов. При сокращении длины образующей или увеличении длины малой оси разряд стремится локализоваться в центральной части разрядной системы вблизи анодов, при этом растет ток на торцовые поверхности катода и снижается ток на цилиндрическую часть катода, что приводит к уменьшению эффективности извлечения ионов из плазмы разряда. Отношение длины образующей катода к ширине щели h/y может составлять 3-5, при этом влияние отбора значительной доли генерируемых в плазме ионов, соответствующее снижение электронной эмиссии катода и возможное падение частоты ионизации вблизи эмиссионной границы плазмы компенсируются и усредняются во всем объеме в результате ионно-электронной эмиссии противоположной части катода и замкнутого дрейфа быстрых электронов. Увеличение отношения h/y свыше 5 существенно снижает эффективность извлечения ионов, а уменьшение этого соотношения до значений, меньших 3, не приводит к росту эффективности, но затрудняет горение разряда. Результирующий рост напряжения горения разряда снижает энергетическую эффективность эмиттера ионов. Предложенный плазменный эмиттер ионов благодаря указанным отличительным признакам обеспечивает практически однородную ионную эмиссию с имеющей значительную протяженность ленточной плазменной поверхности и обладает повышенной энергетической эффективностью.

На фиг. 1 и 2 представлен предложенный плазменный эмиттер ионов. Электродная система эмиттера содержит полый катод 1, стержневые аноды 2 и постоянные магниты 3, устанавливаемые снаружи электродной системы на торцовых частях катода.

Плазменный эмиттер ионов работает следующим образом.

В катодную полость напускается газ. Между катодом 1 и анодами 2 прикладывается напряжение. При горении разряда анодная полость заполняется плазмой, из которой через эмиссионную щель в катоде производится отбор ионов.

Испытания опытного образца плазменного эмиттера ионов проводились с использованием электродной системы, длина большой оси сечения катода в которой составляла L = 160 мм, а длина малой оси l = 60 мм. Индукция магнитного поля, создававшегося постоянными магнитами, составляла 10^-2 Тл. Поток аргона, напускавшегося в катодную полость, составлял 20 см³ атм/мин. Ток разряда в непрерывном режиме горения разряда достигал 1 А, в импульсно-периодическом с длительностью импульса 1 мс - до 20 А. Напряжение горения разряда составляло около 500 В. Эмиссионная щель в катоде имела площадь 70 х 10 мм². Плотность тока эмиссии ионов составляла от 2 до 50 мА/см². Эффективность извлечения ионов, определяемая отношением тока эмиссии ионов к току разряда, была близка к отношению площади щели к площади цилиндрической поверхности катода и составляла в экспериментах с разрядом постоянного тока около 5%. Оценки показывают, что при увеличении длины большой оси до 0,65 м, а длины щели до 0,5 м эффективность извлечения ионов может быть увеличена до 9%, что сопоставимо с характерными для источников широких пучков значениями эффективности извлечения ионов. Неоднородность распределения плотности эмиссионного тока не превышала 10% на длине 70 мм, равной длине щели.

Использование предлагаемого плазменного эмиттера ионов в технологических ионных источниках обеспечит формирование протяженного однородного ленточного пучка с большим током. Кроме того, улучшение эффективности извлечения тонов обеспечит уменьшение удельных энергетических затрат и снижение тепловой нагрузки на электроды. В результате, существенно улучшатся функциональные и эксплуатационные характеристики ионных источников.

Источники информации
1. Н. В. Гаврилов, С. П.Никулин. Плазменный эмиттер ионов. Патент РФ N 2045102. 1996 г.

2. А. Г. Николаев, Е.М.Окс, Г.Ю.Юшков. Источник непрерывного ленточного пучка на основе тлеющего разряда с полым катодом. Тезисы докладов 3 Всесоюзной конференции "Модификация свойств конструкционных материалов пучками заряженных частиц", 8-10 февраля 1994 г., г. Томск, T.1, с. 17-19.

3. А.С.Метель. Журнал технической физики, т. 54, N 2 (1984), с. 241.

Эмиттер содержит полый цилиндрический катод овального сечения, в одной из плоских частей катода выполнено эмиссионное отверстие в форме щели и стержневые аноды. Постоянные магниты установлены снаружи на торцах катода. В катодную полость напускается газ. При подаче напряжения между катодом и анодом зажигается тлеющий разряд в магнитном поле и анодная полость заполняется плазмой, из которой через эмиссионную щель в катоде производится отбор ионов. Техническим результатом является улучшение функциональных и эксплуатационных характеристик ионных источников. 2 ил.

Ленточный плазменный эмиттер ионов, содержащий полый цилиндрический катод, в котором выполнено эмиссионное отверстие в форме щели, анод и магнитную систему, отличающийся тем, что катод в поперечном сечении имеет форму овала с различной длиной осей, эмиссионная щель выполнена параллельно большой оси сечения, анод выполнен в виде нескольких стержней, установленных параллельно образующей катода в плоскости симметрии катода, включающей большую ось сечения, а магнитная система состоит из постоянных магнитов, установленных на внешних торцах катода таким образом, что оси намагниченности магнитов параллельны образующей катода и имеют одинаковое направление, причем L = l + х, r = 1/2 • l, l ≅ h, h/y = (3 - 5), где L, l - длина большой и малой осей поперечного сечения катода; x, y - длина и ширина эмиссионной щели; r - расстояние между анодами; h - длина образующей катода.