ПЛАЗМЕННЫЙ ЭЛЕКТРОННЫЙ ИСТОЧНИК ЛЕНТОЧНОГО ПУЧКА Российский патент 2004 года по МПК H01J37/77 

Изобретение относится к области плазменной техники и может быть применено при разработке электронно-лучевых устройств и использовано в электронно-лучевой технологии, экспериментальной физике, плазмохимической технологии.

Известны устройства, предназначенные для генерации ленточных электронных пучков путем эмиссии электронов из газоразрядной плазмы с протяженной границей (а.с. СССР № 764769). В этих устройствах плазма создается путем инициирования разряда в газе. Разряд, т.е. ток, в газе поддерживается напряжением, прикладываемым между электродами разрядной системы. Плазменная эмиссионная граница создается в пределах окна, выполняемого в одном из электродов разрядной системы. В электронно-ионном источнике с плазменным катодом, включающем протяженные катод, антикатод, плоский анод с эмиссионным окном, расположенный параллельно катоду и антикатоду, эмиссионное окно устроено вдоль зазора между катодом и антикатодом. Разряд зажигается в газе, напускаемом в зазор между электродами. Ускоряющее напряжение прикладывается между анодом и ускоряющим электродом. Указанный источник позволяет получать ленточный пучок электронов длиной 30 мм с энергией 5-10 кэВ при давлении газа в ускоряющем промежутке 1,3·10^-2 Па - 1,3·10^-1 Па. При увеличении длины электродов для увеличения ширины пучка, а также при увеличении давления газа источник не теряет работоспособности, однако ухудшается однородность пучка из-за появления локальных максимумов плотности тока вследствие возникновения локальных сгустков разрядной плазмы. Это, в свою очередь, обусловлено характером разряда и, в частности, характером движения эмитированных катодом электронов. Отсутствие осцилляции электронов с неизбежностью приводит к различию плотностей разрядного тока на разных участках катода. Улучшение однородности пучка может быть достигнуто организацией осцилляции электронов в разряде, например, наложением поперечного разрядному промежутку магнитного поля. Однако извлечение электронов поперек магнитного поля (Крейндель Ю.Е. Плазменные источники электронов. - М.: Атомиздат, 1977 г.) с неизбежностью приводит к их “сносу”, что вызывает новые проблемы с достижением однородности тока по сечению пучка.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является источник ленточного электронного пучка (пат. 38310052, США), содержащий цилиндрический полый катод с продольной щелью в боковой стенке, анод с эмиссионным окном, перекрытым металлической сеткой, ускоряющий электрод с окном для пропускания электронного пучка. Повышение однородности пучка в указанном электронном источнике достигается использованием разряда с полым катодом, в котором однородность плазмы обеспечивается многократной осцилляцией электронов. Вместе с тем, наличие у катодной полости торцевых стенок вызывает различие в скорости образования ионно-электронных пар вблизи этих стенок и в остальной части полости. Это, в свою очередь, проявляется в возрастании концентрации плазмы вблизи торцевых стенок полости и в наличии максимумов плотности тока по краям пучка.

Техническим результатом настоящего изобретения является дальнейшее повышение однородности электронного пучка по его поперечному сечению за счет снижения краевых максимумов.

Указанный результат достигается тем, что в известном источнике электронов, содержащем цилиндрический полый катод со щелью в боковой стенке, анод с эмиссионным окном, перекрытым металлической сеткой, ускоряющий электрод, внутренние торцевые стенки катодной полости закрыты пластинами термостойкого неорганического диэлектрика.

Схема предлагаемого источника электронов представлена на фиг.1, на фиг.2 - распределение линейной плотности J электронного тока по ширине пучка в отсутствии (1) и при наличии (2) керамических пластин (давление газа 5 Па, ускоряющее напряжение 3 кВ). Цилиндрический полый катод 1 содержит щель в стенке, обращенной к аноду 2, эмиссионное окно в котором перекрыто сеткой 3. Ускоряющий электрод 4 служит для ускорения электронов. Новым элементом по сравнению с прототипом являются керамические пластины 5, закрывающие внутренние торцевые стенки полости.

Источник работает следующим образом. Вакуумную камеру, на фланце которой установлен источник, откачивают до давления 1,3-13 Па. При необходимости указанный диапазон давлений достигается напуском газа в вакуумную камеру. Затем к катоду 1 и аноду 2 источника прикладывают напряжение от блока питания разряда, плавным повышением которого добиваются зажигания разряда. После этого подают напряжение между анодом 2 и ускоряющим электродом 4 от блока ускоряющего напряжения, повышением которого добиваются формирования электронного пучка необходимой энергии. Размещение керамических пластин 5 позволяет снизить максимумы плотности тока на краях пучка, как представлено на фиг.2. Физическая причина эффекта состоит в том, что наличие керамических пластин ослабляет интенсивность ионизационных процессов в катодной полости вблизи ее торцевых стенок за счет ослабления потока вторичных электронов из торцевых стенок и снижения их энергии и как следствие позволяет избежать появления максимумов плотности плазмы. Это, в свою очередь, снижает максимумы плотности тока на краях электронного пучка. Возможность нагрева диэлектрических пластин излучением плазмы и бомбардировкой быстрыми частицами объясняет, почему необходимо, чтобы они были выполнены из термостойкого неорганического диэлектрика (керамика, кварц).

Предлагаемый электронный источник позволяет получить электронный пучок шириной до 30 см с током до 1 А при линейной неоднородности не более 10% при газовых давлениях до 15 Па, что превышает возможности наиболее близкого аналога. Это расширяет возможности применения электронного источника. В частности, источник может быть использован для инициирования плазмохимической реакции в газовой фазе при осаждении однородных покрытий на подложке площадью до 1500 см².

Использование: в области плазменной техники, при разработке электронно-лучевых устройств и в электронно-лучевой технологии, экспериментальной физике, плазмохимической технологии. Сущность изобретения: в известном электронном источнике, предназначенном для генерации непрерывного электронного пучка ленточной конфигурации и включающем цилиндрический полый катод с окном в боковой стенке, анод с эмиссионным окном, перекрытым металлической сеткой, ускоряющий электрод с окном для пропускания электронного пучка, внутренние торцевые стенки полого катода закрыты пластинами из термостойкого неорганического диэлектрика. Техническим результатом изобретения является повышение однородности электронного пучка по его поперечному сечению за счет снижения краевых максимумов плотности тока в пучке на его краях. 2 ил.

Плазменный электронный источник ленточного пучка, включающий в себя цилиндрический полый катод с продольной щелью в боковой стенке, анод с эмиссионным окном, перекрытым металлической сеткой, ускоряющий электрод, отличающийся тем, что внутренние торцевые стенки полости закрыты пластинами, выполненными из термостойкого неорганического диэлектрика.