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

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

Известны источники широких ионных пучков, в которых используется тлеющий разряд низкого давления с осциллирующими в катодной полости электронами [1]. Однако эффективность извлечения ионов из плазмы такого разряда, определяемая отношением площади эмиссионной поверхности плазмы к общей площади поверхности катода, невелика, так как для того, чтобы обеспечить горение разряда при низких давлениях, необходимо использовать полый катод больших размеров [2]. Наложение магнитного поля позволяет поддерживать тлеющий разряд низкого давления при меньших размерах катодной полости, что способствует повышению эффективности извлечения ионов с плазменной поверхности фиксированного размера.

Известный плазменный эмиттер ионов такого типа [3] содержит полый катод, имеющий форму цилиндра, вдоль оси которого установлен стержневой анод, а с внешней стороны полого катода установлен соленоид, причем длина анода составляет (0,5-0,8)L. В такой электродной системе быстрые электроны, эмиттированные цилиндрической поверхностью катода и ускоренные в катодном слое, осциллируют в плазме, совершая замкнутый азимутальный дрейф. Ионы извлекаются из плазмы вдоль направления магнитного поля через отверстия, выполненные в торцевой поверхности катода. Однако эффективность извлечения ионов в рассматриваемом устройстве типа обращенный магнетрон также определяется геометрическим фактором, то есть соотношением площадей отверстий и рабочей поверхности катода и обычно не превышает нескольких процентов от тока разряда.

Задачей изобретения является увеличение эффективности извлечения ионов из плазмы тлеющего разряда при сохранении однородного распределения плотности тока по сечению пучка.

Для этого в плазменном эмиттере ионов, содержащем осесимметричный полый катод, в торце которого выполнено эмиссионное окно, стержневой анод, установленный вдоль оси катода, и соленоид, установленный соосно катоду с его внешней стороны, полый катод выполнен в виде конуса, в основании которого выполнено эмиссионное окно, причем D≈L, D≈2·r=2(1/B)·(2mU/e)^1/2, где r - радиус траектории электронов с массой m и зарядом e, ускоренных в катодном слое до энергии, соответствующей напряжению горения разряда U в магнитном поле с индукцией В, создаваемом соленоидом, D - диаметр основания конуса, L - высота конуса.

Сущность изобретения: конструкция плазменного эмиттера включает полый катод в виде конуса, плоскость основания которого выполнена перфорированной, а вдоль его оси закреплен на вершине конуса стержневой анод. С наружной стороны полого катода соосно установлен соленоид. В катодную полость напускается газ, по обмотке соленоида пропускается электрический ток, создающий в электродной системе тлеющего разряда магнитное поле. При подаче напряжения между катодом и анодом зажигается тлеющий разряд в магнитном поле. Катодная полость заполняется плазмой, из которой через отверстия в основании конического катода производится отбор ионов внешним электрическим полем. Диаметр основания конуса определяется требуемым сечением ионного пучка. Используются минимальные значения индукции магнитного поля, при которых обеспечивается существование разряда при относительно низких давлениях и электрическая прочность ускоряющего промежутка, а также равномерное распределение плотности плазмы по радиусу. Такие условия выполняются, если радиус основания катода сопоставим по величине с ларморовским радиусом быстрых электронов r, то есть, выполняется соотношение D≈2·r=2(1/B)·(2mU/e)^1/2, где r - радиус траектории электронов с массой m и зарядом e, ускоренных до энергии, соответствующей напряжению горения разряда U в магнитном поле с индукцией В, создаваемом соленоидами. При больших значениях магнитного поля В и, соответственно, меньших r область преимущественной ионизации локализуется вблизи поверхности катода, что приводит к неравномерности радиального распределения эмиттирующей плазмы, при меньших В возрастает скорость потерь быстрых электронов на анод, что приводит к необходимости повышения давления и/или росту напряжения горения разряда [4].

Изменение формы катода с цилиндрической на коническую форму приводит к тому, что угол между векторами электрического поля катодного слоя Е и магнитного поля В становится меньше 90°. В результате быстрые электроны, покидающие катодный слой, приобретают компоненту скорости, направленную вдоль магнитного поля В. В этом случае характер движения быстрых электронов в катодной полости представляет собой сочетание азимутального дрейфа и колебательного движения параллельно оси полого катода. Таким образом, быстрые электроны принудительно направляются в область вблизи эмиссионного окна, что обеспечивает повышенную частоту ионизации газа в этой области и рост тока эмиссии ионов. Дополнительный вклад в повышение эмиссионного тока ионов дает и уменьшение общей площади поверхности конического катода по сравнению с цилиндрическим катодом. Уменьшение угла раствора конуса ослабляет суммарный эффект, а увеличение угла затрудняет горение разряда. Близким к оптимальному является вариант, когда высота конуса L равна диаметру его основания D. Механизм электронного дрейфа основан на возврате быстрых электронов магнитным полем из плазмы в катодный слой, в котором они тормозятся, а затем вновь поступают в плазму. Поэтому изменение сечения конического катода вдоль оси приводит к соответствующему изменению длины пробега электронов в плазме между отражениями от слоя и амплитуды осцилляций электронов в данном сечении. В результате эффект влияния магнитного поля на характер распределения плотности плазмы в области вблизи эмиссионного окна сохраняется тем же, что и в системе с цилиндрическим катодом. Предложенный плазменный эмиттер ионов благодаря указанным отличительным признакам обладает повышенной эффективностью извлечения ионов и обеспечивает равномерное радиальное распределение плотности эмиссионного тока ионов.

На чертеже представлен предложенный плазменный эмиттер ионов.

Электродная система эмиттера содержит полый конический катод 1, в основании которого выполнено эмиссионное окно 2, стержневой анод 3 и соленоид 4, установленный снаружи катода.

Плазменный эмиттер ионов работает следующим образом:

В катодную полость напускается газ. Через обмотку соленоида пропускается ток. Между катодом 1 и анодом 3 прикладывается напряжение. При горении разряда полость заполняется плазмой, из которой через отверстия в эмиссионном окне 2 производится отбор ионов внешним электрическим полем.

Испытания опытного образца плазменного эмиттера ионов проводились с использованием электродной системы, диаметр и высота конуса в которой составляли 150 мм, длина стержневого анода - 100 мм, общая площадь отверстий эмиссионного окна - 70 см². Индукция магнитного поля, создававшегося соленоидом, изменялась в пределах 1-4 мТл. Поток аргона, напускавшегося в катодную полость, составлял 30-40 см³/мин. Ток разряда регулировался в пределах 0,1-0,5 А. Напряжение горения разряда составляло 600-800 В. Пучок ионов аргона с энергией 10-30 кэВ формировался двухэлектродной многоапертурной ионно-оптической системой. Эффективность извлечения ионов определялась отношением тока в цепи высоковольтного источника к току разряда в условиях, когда потери в цепи ускоряющего электрода ионно-оптической системы минимальны. В экспериментах с цилиндрическим катодом, высота которого равнялась диаметру и была равна 150 мм, эта величина составляла 7-7,5%, причем большие значения были получены при более высоких ускоряющих напряжениях. При использовании конического катода эффективность извлечения ионов при той же суммарной площади отверстий возросла до 18-20%. Согласно проведенным оценкам, сокращение площади поверхности катода обеспечивает рост эффективности извлечения ионов до 2 раз. Дополнительное повышение эффективности на 4-5% от тока разряда обусловлено изменением характера осцилляции быстрых электронов в разрядном промежутке. Таким образом, в предлагаемом устройстве достигнута примерно в 2,5 раза более высокая, чем в прототипе, эффективность извлечения ионов. Измеренная неоднородность радиального распределения плотности эмиссионного тока не превышала 10% на диаметре 100 мм, то есть, оказалась не выше, чем в прототипе.

Использование предлагаемого плазменного эмиттера ионов в технологических ионных источниках обеспечит формирование однородного широкого ионного пучка с большим током при существенно меньших энергетических затратах на поддержание разряда. Кроме экономии энергии и удешевления блоков электрического питания разряда, повышение эффективности извлечения ионов также облегчает решение проблем теплоотвода от электродов, находящихся под высоким потенциалом, что ведет к упрощению конструкции ионного источника. Конечным итогом является существенное улучшение функциональных и эксплуатационных характеристик ионных источников.

Источники информации

1. Метель А.С. Источники пучков заряженных частиц большого сечения на основе тлеющего разряда с холодным полым катодом. Сб. Плазменная эмиссионная электроника, Улан-Удэ, 1991, с. 77-81.

2. Метель А.С. Расширение рабочего диапазона давлений тлеющего разряда с полым катодом. //Журнал технической физики, 1984, т. 54, №2, с. 241-247.

3. Гаврилов Н.В., Никулин С.П. Патент РФ №2045102 на изобретение “Плазменный эмиттер ионов” от 27 сентября 1995 г.

4. Гаврилов Н.В., Никулин С.П., Радковский Г.В. Источник интенсивных широких пучков ионов газов на основе разряда с полым катодом в магнитном поле, ПТЭ, 1996, №1, стр. 93-98.

Изобретение относится к технике получения плазмы и генерации широких ионных пучков с большим током. Эмиттер содержит электродную систему тлеющего разряда, включающую полый катод, выполненный в форме конуса с эмиссионным окном в торце, стержневой анод, расположенный на оси системы, и соленоид, расположенный соосно катоду с его наружной стороны. Технический результат - генерируемая в устройстве газоразрядная плазма обеспечивает формирование плазменного эмиттера ионов с высокой однородностью эмиссии на поверхности большого размера. Эффективность извлечения ионов из плазмы разряда увеличивается до 20% от тока разряда, что обеспечивает повышенную энергетическую эффективность ионного источника в целом. 1 ил.

Плазменный эмиттер ионов, содержащий осесимметричный полый катод, в торце которого выполнено эмиссионное окно, стержневой анод, установленный вдоль оси катода, и соленоид, установленный соосно катоду с его внешней стороны, отличающийся тем, что катод выполнен в виде конуса, причем L≈D, D≈2·r=2(1/В)·(2mU/e)^1/2, где r - радиус траектории электронов с массой m и зарядом е, ускоренных в катодном слое до энергии, соответствующей напряжению горения разряда U в магнитном поле с индукцией В, создаваемом соленоидом, D - диаметр основания конуса, L - высота конуса.