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

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

Газоразрядная Пеннинговская система [1] , состоящая из полого анода и торцевых катодов и находящаяся в магнитном поле, создаваемом соленоидом или постоянными магнитами, обеспечивает горение разряда при пониженных давлениях, что делает возможным ее использование при разработке ионных источников. Однако значительная пространственная неоднородность плазмы, генерируемой в этой системе, затрудняет ее использование для получения пучков большого сечения. Как правило, эту систему используют для получения узких сфокусированных пучков, извлекаемых через центральное эмиссионное отверстие в одном из катодов, так как радиальное распределение концентрации плазмы имеет резкий максимум в центре системы.

Известный плазменный эмиттер такого типа содержит полый анод и два торцевых катода, в центре одного из которых выполнено эмиссионное отверстие, через которое извлекается ионный пучок [2].

Задачей изобретения является получение в Пеннинговской системе однородной плазмы, что обеспечит возможность ее использования для получения пучка с большим поперечным сечением.

Для этого в плазменном эмиттере ионов, содержащем полый анод и торцевые катоды, один из катодов был выполнен из двух частей - центрального диска и периферийного кольца, причем напряжение между анодом и диском было меньше, чем напряжение между анодом и кольцом. В этом случае электроны, стартующие с поверхности диска, приобретали в области катодного падения потенциала меньшую энергию, и интенсивность ионизационных процессов в центральной части системы уменьшалась. В результате резконеоднородное распределение концентрации плазмы с максимумом в центре трансформировалось к однородному. Величина напряжения U₁ между анодом и диском зависела от диаметра диска, величины магнитного поля, а также от рода и давления рабочего газа и составляла в различных разрядных условиях
U₁ = (0,1-0,6)U₂, (1)
где U₂ - напряжение между анодом и кольцом. Диаметр диска d мог варьироваться в широких пределах, что не препятствовало достижению нужного эффекта, однако было необходимо выполнение следующего условия:
d < D - R_L, (2)
где D - диаметр анода, R_L - Ларморовский радиус для электронов, стартующих с поверхности кольца, определяемый следующим соотношением:

где e и m - заряд и масса электрона, В - индукция магнитного поля в анодной полости. При больших значениях d, нарушающих условие (2), уменьшение интенсивности ионизации происходило не только в центральной части системы, но и на периферии, и форма распределения не менялась.

На чертеже представлен предложенный плазменный эмиттер ионов. Эмиттер содержит полый цилиндрический анод 1, торцевой катод 2, диск 3, кольцо 4 и соленоид 5, установленный соосно с анодом с внешней стороны и создающий в анодной полости магнитное поле.

Плазменный эмиттер работает следующим образом. В анодную полость напускается газ и при приложении напряжения зажигается разряд, причем напряжение, подаваемое между анодом и центральным диском, меньше, чем напряжение между анодом и кольцом. Из плазмы разряда через эмиссионное окно, выполненное в катоде 2 или в диске 3, производится отбор ионов.

Испытания плазменного эмиттера ионов проводились в непрерывном режиме. Диаметр анода составлял 150 мм, а его длина составляла 200 мм. Диаметр центрального диска варьировался в пределах от 50 до 100 мм. Зажигание и поддержание разряда обеспечивалось двумя источниками питания. Отрицательный полюс одного из источников питания подключался к диску, а отрицательный полюс другого источника питания подключался к торцевому катоду и кольцу. Положительные полюса обоих источников подключались к аноду. Для получения однородного распределения эмиссионного тока от первого источника подавалось меньшее напряжение, чем от второго. В зависимости от диаметра диска, рода и давления газа, а также от величины магнитного поля, напряжение первого источника изменялось в пределах 100-300 В, а напряжение от второго источника изменялось в пределах 400-1000 В.

Использование предлагаемого изобретения делает возможным применение Пеннинговских газоразрядных систем в технологических ионных источниках для получения пучков большого сечения.

Литература
1. F.М. Penning // Physica 4, 71 (1937).

2. G. N. Nassibian, J.R.J. Bennet, D. Broodbent, S. Devons, R. W.R. Hoisington, and V. E. Miller // Rev. Sci. Instrum. 32, 1316 (1961).

Использование: при получении плазмы и генерации ионных пучков с большим поперечным сечением. Сущность изобретения: в системе, содержащей полый анод и торцевые катоды, в одном из которых выполнено эмиссионное окно, один из торцевых катодов выполнен из кольца и центрального диска, диаметр которого d удовлетворяет следующему условию: d < D-R_L, где D - диаметр анода, R_L - Ларморовский радиус для электронов, стартующих с поверхности кольца, причем напряжение U₁ между анодом и центральным диском меньше, чем напряжение U₂ между анодом и кольцом, и составляет для различных разрядных условий U₁= (0,1-0,6)U₂. В анодную полость напускается газ, и при приложении напряжения зажигается разряд, из плазмы которого через эмиссионное окно производится отбор ионов. Техническим результатом изобретения является получение в Пеннинговской газоразрядной системе однородной плазмы, что обеспечит возможность ее использования для получения пучка с большим поперечным сечением. 1 ил.

Плазменный эмиттер ионов, содержащий полый анод и торцевые катоды, в одном из которых выполнено эмиссионное окно, отличающийся тем, что один из торцевых катодов выполнен из кольца и центрального диска, диаметр которого d удовлетворяет следующему условию:
d < D - R_L,
где D - диаметр анода;
R_L - Ларморовский радиус для электронов, стартующих с поверхности кольца,
причем напряжение U₁ между анодом и центральным диском меньше, чем напряжение U₂ между анодом и кольцом, и составляет для различных разрядных условий
U₁ = (0,1 - 0,6)U₂.