ЛЕНТОЧНЫЙ ПЛАЗМЕННЫЙ ЭМИТТЕР ИОНОВ Российский патент 2004 года по МПК H01J27/04 

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

Известны различные разновидности источников ленточных ионных пучков, в которых для достижения равномерного распределения плотности эмиссионного тока ионов используются разряды с дрейфом электронов, направленным вдоль эмиссионной щели [1-3].

Однако протяженность эмиттера в этих системах составляет не более 100 мм, доля извлекаемых из плазмы ионов невелика, следовательно, ограничен и ток ионного пучка. Известные источники ленточных пучков не обеспечивают требуемой совокупности таких параметров как высокая эффективность отбора ионов из плазмы, значительная протяженность ионного эмиттера, большой ток пучка и равномерное распределение плотности тока по сечению пучка.

Проблема создания эффективного источника ленточного пучка заключается в необходимости концентрации разряда вблизи плазменной эмиссионной поверхности, что создает условия для достижения высокой плотности эмиссионного тока и отбора значительной доли ионного тока из плазмы, при этом однородность плазмы на значительной длине должна обеспечиваться созданием условий для замкнутого электронного дрейфа.

Для повышения степени концентрации разряда вблизи эмиссионной поверхности плазмы используется тлеющий разряд с замкнутым дрейфом электронов в протяженной электродной системе типа обращенный магнетрон. В такой системе при сокращении ее размера в направлении вектора магнитного поля удается повышать плотность тока на боковую цилиндрическую поверхность катода.

Известный ленточный плазменный эмиттер ионов такого типа содержит полый цилиндрический катод овального сечения, в плоской части которого выполнено эмиссионное отверстие в форме щели, анод в виде нескольких стержней, установленных в плоскости симметрии катода вдоль направления магнитного поля, и магнитную систему, образованную постоянными магнитами [4], прототип.

Однако расположение анодных стержней вблизи оси такой системы ограничивает возможность концентрации разряда на боковой цилиндрической поверхности катода посредством сокращения длины катода в направлении магнитного поля [5]. Плотность тока эмиссии ионов возрастает лишь до тех пор, пока длина катода не сократится до ~1/3 от его поперечного размера. Затем разряд начинает концентрироваться в приосевой области, что ограничивает возможность повышения эффективности извлечения ионов из плазмы.

Задачей изобретения является увеличение эффективности извлечения ионов из плазмы и длины эмиттера при сохранении высокой однородности распределения плотности тока в ленточном пучке.

Для этого в ленточном плазменном эмиттере ионов, содержащем магнитную систему, анод и полый цилиндрический катод, в котором выполнена эмиссионная щель, длинная ось которой перпендикулярна, а короткая параллельна вектору магнитной индукции, внутри полого катода в плоскости его симметрии перпендикулярно вектору магнитной индукции установлен плоский анод с центральным прямоугольным или овальным отверстием, по обе стороны от которого параллельно аноду установлены имеющие потенциал катода экраны с центральными прямоугольными или овальными отверстиями, эмиссионная щель выполнена в виде двух прорезей, расположенных на одинаковом расстоянии от экранов и параллельных им сторон полого катода, а магнитная система состоит из двух включенных согласно и расположенных симметрично относительно анода соленоидов, причем D=L, d=l-2•r, l/s=8-10, B•l=0,5-1 (Тл мм), r=(1/B)•(2mU/e)^1/2, где r -радиус траектории электронов с массой m и зарядом е, ускоренных до энергии, соответствующей напряжению горения разряда U, в магнитном поле с индукцией В, создаваемом соленоидами, D - размер большой оси отверстий в экранах и аноде, L - длина эмиссионной щели, d - длина малой оси отверстий, l - размер стороны катода в его поперечном сечении, s - ширина эмиссионной щели.

Сущность изобретения: эмиттер содержит магнитную систему и электродную систему тлеющего разряда, включающую полый прямоугольный цилиндрический катод, внутри катода в плоскости его симметрии, перпендикулярной вектору индукции магнитного поля, установлен плоский анод, по обе стороны от которого установлены имеющие потенциал катода экраны. В центральной части анода и экранов выполнены отверстия, через которые ток разряда замыкается на торцевую поверхность анодного отверстия. На одинаковом расстоянии между экранами и параллельными им сторонами катода в одной из сторон катода, параллельной вектору индукции магнитного поля, выполнены две эмиссионные щели. Включенные согласно соленоиды магнитной системы установлены снаружи катода симметрично относительно анода, причем размеры поперечного сечения соленоидов равны размерам катода в его продольном сечении. В катодную полость напускается газ, по обмоткам соленоидов пропускается электрический ток, создающий в электродной системе тлеющего разряда близкое к однородному магнитное поле. При подаче напряжения между катодом и анодом зажигается тлеющий разряд в магнитном поле, особенностью которого является замкнутый дрейф электронов поперек магнитного поля вдоль длинных осей эмиссионных щелей. Катодная полость заполняется плазмой, из которой через эмиссионные щели производится отбор ионов внешним электрическим полем. Размер большой оси отверстий в экранах и аноде определяется длиной эмиссионной щели, которая может составлять от долей метра до нескольких метров. Размеры сторон катода в его поперечном сечении определяются условиями существования разряда при относительно низких давлениях и в слабых магнитных полях с индукцией В, при которых обеспечивается электрическая прочность ускоряющего промежутка в ионном источнике. Такие условия выполняются в диапазоне значений произведения В•l=0,5-1 (Тл мм). Длина малой оси отверстий в электродах определяется разницей величин l и 2r, где r= (l/B)(2mU/e)^1/2 - радиус траектории электронов с массой m и зарядом е, ускоренных до энергии, соответствующей напряжению горения разряда U, в магнитном поле с индукцией В, создаваемом соленоидами.

Магнитное поле в плазме и электрическое поле в катодном слое 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 эмиссионных щелей. Расположение анода с центральным отверстием в средней плоскости электродной системы между катодными торцами обеспечивает осцилляцию электронов вдоль магнитного поля, что облегчает зажигание разряда. В то же время, местонахождение анода вблизи периферии электродной системы, а не на ее оси, облегчает локализацию разряда в области эмиссионной щели. Выполнение приведенного соотношения между геометрическими размерами катода, экранов и параметрами магнитного поля и тлеющего разряда обеспечивает удержание быстрых электронов, эмитированных катодом под действием ионной бомбардировки, предотвращая их быстрый уход на анод и обеспечивая максимальную энергетическую релаксацию электронов в плазме. В результате обеспечиваются максимально возможные значения эффективности извлечения ионов из плазмы, плотности тока эмиссии ионов и однородности распределения плотности тока по длине эмиссионной щели, а также устойчивое горение разряда при давлениях газа и значениях индукции магнитного поля, не приводящих к нарушению электрической прочности ускоряющего промежутка в ионном источнике.

Длина пути электрона в направлении дрейфа определяется скоростью его энергетической релаксации в плазме. В характерных для предлагаемого плазменного эмиттера условиях работы основным механизмом релаксации являются одночастичные соударения. В результате, средняя длина ионизационного пробега быстрого электрона составляет несколько метров, а полная длина энергетической релаксации оказывается на порядок больше, поэтому использование предложенного устройства делает возможным получение ленточных пучков с длиной до нескольких метров при сохранении высокой равномерности распределения параметров плазмы вдоль эмиссионной щели. Требуемый размер пучка определяет длину эмиссионной щели и соответственно размер полого катода в направлении, перпендикулярном вектору магнитной индукции.

При уменьшении длины малой оси отверстий в аноде и экранах эффективность извлечения ионов уменьшается вследствие роста потерь тока ионов на увеличенную поверхность экранов. Напротив, увеличение длины малой оси приводит к резкому увеличению скорости ухода быстрых электронов на анод. Как показали эксперименты, оптимальным является такой размер малой оси отверстий, при котором высота экрана близка к радиусу траектории в магнитном поле быстрых электронов, ускоренных в катодном слое. Эффективность извлечения ионов также зависит и от соотношения между поперечным размером катода l и шириной эмиссионной щели s, причем для повышения эффективности извлечения это соотношение должно быть минимально возможным. Однако уже при отношении l/s, равном 5, горение разряда в условиях отбора ионов внешним полем затрудняется. Разряд горит устойчиво при минимальных значениях l/s=8-10.

На чертеже представлен предложенный плазменный эмиттер ионов в трех сечениях: а - в плоскости симметрии эмиттера, параллельной вектору индукции магнитного поля и перпендикулярной плоскости эмиссионной щели, б - в плоскости, параллельной вектору индукции магнитного поля и к эмиссионной щели, в - в плоскости, перпендикулярной вектору индукции магнитного поля. Электродная система эмиттера содержит полый катод 1 (а, б), в котором выполнены две эмиссионные щели 4 (а, б), анод 2 (а, б, в), экраны 3 (6) и соленоиды 5 (а, б, в) магнитной системы, устанавливаемые снаружи катода.

Плазменный эмиттер ионов работает следующим образом.

В катодную полость напускается газ. Между катодом 1 и анодом 2 прикладывается напряжение. При горении разряда полость заполняется плазмой, из которой через эмиссионные щели 4 в плоской поверхности катода производится отбор ионов.

В целях увеличения плотности тока эмиссии ионов из плазмы при фиксированном токе разряда один из экранов 3 выполняется в виде цилиндра высотой l/2, имеющего в плоскости, перпендикулярной вектору индукции магнитного поля, прямоугольное сечение с размером осей (d+r)х(L+r), и электрически соединяется с анодом, экранируя часть поверхности катода, параллельной вектору магнитной индукции, и обеспечивая локализацию разряда в области неэкранированного катода. На четеже эта модификация эмиттера не показана.

Испытания опытного образца плазменного эмиттера ионов проводились с использованием электродной системы, длина полого катода которой в направлении поперек магнитного поля составляла 630 мм, а длина осей в поперечном сечении катода составляла 100 и 80 мм. Индукция магнитного поля, создававшегося соленоидами, составляла 5-7 10^-3 Тл. Поток аргона, напускавшегося в катодную полость, составлял 40 см³ атм/мин. Ток разряда в непрерывном режиме горения разряда достигал 1 А. Напряжение горения разряда составляло 400-500 В. Использовалась только одна эмиссионная щель, которая имела размеры 500х10 мм². Плотность тока эмиссии ионов составляла 2 мА/см² при токе разряда 1 А. Эффективность извлечения ионов, определяемая отношением тока эмиссии ионов к току разряда, составила в экспериментах около 10%, что примерно вдвое выше, чем в прототипе устройства. Неоднородность распределения плотности эмиссионного тока не превышала 10% на длине 600 мм.

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

Источники информации
1. В.А. Барлетов, В.Я. Порицкий. Источник ленточного ионного пучка. Авторское свидетельство на изобретение SU 1575826 А1 от 20.06.88.

2. В. А. Барлетов, В.Я. Порицкий. Источник ленточного пучка ионов. Авторское свидетельство на изобретение SU 1713384 А1 от 07.08.89.

3. И.С. Баликоев, В.Т. Барченко, С.Н. Заграничный и Кшиштоф Мерник. Авторское свидетельство на изобретение SU 1604078 А1 от 23.03.89.

4. Гаврилов Н.В., Кулешов С.В. Ленточный плазменный эмиттер ионов. Патент РФ 2176420 от 24.12.1999 г.

5. Kuleshov S.V., Gavrilov N.V. A source of ribbon gas ion beams. Proc. of 5^th Conf. on Modification of Materials with Particle Beams and Plasma Flows, 24-29 September 2000, Tomsk, Russia. Vol.1, p. 181-185.

Изобретение относится к технике получения плазмы и генерации ионных пучков с большим током. Эмиттер содержит магнитную систему и электродную систему тлеющего разряда, включающую полый прямоугольный цилиндрический катод, в одной из сторон которого выполнены эмиссионные отверстия в форме щелей, внутри катода в плоскости его симметрии, перпендикулярной вектору индукции магнитного поля, установлен плоский анод, по обе стороны от которого установлены имеющие потенциал катода экраны. В центральной части анода и экранов выполнены отверстия. Включенные согласно соленоиды магнитной системы установлены снаружи катода. В катодную полость напускается газ, по обмоткам соленоидов пропускается электрический ток, создающий в электродной системе магнитное поле. При подаче напряжения между катодом и анодом зажигается тлеющий разряд, ток которого замыкается на торцевую поверхность анодного отверстия через отверстия в экранах. При горении разряда эмитированные катодом электроны дрейфуют поперек магнитного поля вдоль эмиссионных щелей, эффективно ионизируя газ. Катодная полость заполняется плазмой, из которой через эмиссионные щели производится отбор ионов. Технический результат - генерируемая в устройстве газоразрядная плазма обладает высокой однородностью в направлении электронного дрейфа, что обеспечивает формирование ленточных ионных пучков значительной протяженности. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Ленточный плазменный эмиттер ионов, содержащий магнитную систему, анод и цилиндрический полый катод, в котором выполнена эмиссионная щель, длинная ось которой перпендикулярна, а короткая параллельна вектору магнитной индукции, поперечное сечение катода в плоскости, перпендикулярной эмиссионной щели и параллельной магнитному полю, имеет прямоугольную форму, близкую к квадратной, отличающийся тем, что в плоскости симметрии катода перпендикулярно вектору магнитной индукции установлен плоский анод с центральным прямоугольным или овальным отверстием, по обе стороны от которого параллельно аноду установлены имеющие потенциал катода экраны с центральными прямоугольными или овальными отверстиями, эмиссионная щель выполнена в виде двух прорезей, расположенных на одинаковом расстоянии от экранов и параллельных им сторон полого катода, а магнитная система состоит из двух включенных согласно и расположенных снаружи катода и симметрично относительно анода соленоидов, причем D = L, d = l – 2 · r, l/s = 8-10, В · l = 0,5-1 (Тл•мм), r = (l/B) · (2mU/e)^1/2, где r – радиус траектории электронов с массой m и зарядом е, ускоренных до энергии, соответствующей напряжению горения разряда U, в магнитном поле с индукцией В, создаваемом соленоидами, D – размер большой оси отверстий в экранах и аноде, L – длина эмиссионной щели, d – длина малой оси отверстий, l – размер стороны катода в его поперечном сечении, s – ширина эмиссионной щели.2. Ленточный плазменный эмиттер ионов по п.1, отличающийся тем, что один из экранов выполнен в виде экранирующего параллельную вектору индукции магнитного поля часть поверхности катода и электрически соединенного с анодом цилиндра высотой l/2, поперечное сечение которого в плоскости, перпендикулярной вектору магнитной индукции, составляет (d+r)•(L+r).