ИОННЫЙ ИСТОЧНИК С ХОЛОДНЫМ КАТОДОМ Российский патент 2004 года по МПК H01J27/18 

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

Известны источники ионов, в которых плазма генерируется в анодной полости, на поверхности которой установлены ряды постоянных магнитов с переменной полярностью для создания многополюсного магнитного поля. Такое поле максимально у поверхности анода и быстро спадает по направлению к центру системы, что обеспечивает удержание быстрых электронов в плазме и генерацию однородной малошумящей плазмы в свободном от магнитного поля объеме анодной полости. В таких источниках корзиночного типа обычно используется накаливаемый катод [1], недостатком которого является ограниченный срок при работе с химически активными газами. Известны ионные источники, в которых используется плазменный катод на основе микроволнового [2] или радиочастотного [3] разрядов, что обеспечивает увеличение ресурса, но существенно усложняет и удорожает ионный источник.

Известен источник ионов, основанный на инжекции электронов из плазмы тлеющего разряда через затянутое мелкоструктурной сеткой малое отверстие в полость генератора плазмы, в которой установлен основной тонкопроволочный анод [4]. В полости генератора в результате ионизации газа инжектируемыми электронами развивается несамостоятельный тлеющий разряд с полым катодом, из плазмы которого извлекаются ионы. Такой разряд с осциллирующими внутри катодной полости быстрыми электронами способен обеспечивать генерацию однородной плазмы при очень низких давлениях газа, однако создаваемые в генераторе плазмы ионы примерно равномерно распределяются по поверхности катода несамостоятельного разряда, поэтому доля извлекаемых из плазмы ионов невелика и составляет около 4% от тока разряда. В результате эффективность такого простого, надежного и имеющего высокий ресурс ионного источника оказывается невысокой.

Задачей изобретения является увеличение эффективности ионного источника при сохранении высокой однородности эмитирующей плазмы, простоты, надежности и высокого ресурса ионного источника. Для этого в источнике ионов, содержащем плазменный катод, электродная система которого включает полый катод тлеющего разряда, поджигающий электрод и мелкоструктурную анодную сетку, установленную напротив выходного отверстия полого катода, и генератор плазмы, включающий основной анод и экранную сетку с отверстиями для извлечения ионов, электрически соединенную с анодной сеткой и находящуюся под отрицательным потенциалом относительно основного анода, основной анод выполняется в форме полого электрода, снаружи которого устанавливается система магнитов для формирования многополюсного периферийного магнитного поля.

Сущность изобретения: плазменный катод ионного источника содержит полый катод тлеющего разряда, поджигающий электрод и анодную сетку, установленную напротив выходной апертуры полого катода. Генератор плазмы источника ионов содержит экранную сетку, электрически соединенную с анодной сеткой, и основной полый анод, на поверхности которого установлена магнитная система, создающая многополюсное магнитное поле. В катодную полость напускается газ и при приложении напряжения между катодом и поджигающим электродом зажигается тлеющий разряд, ток которого через выходную апертуру катода замыкается на анодную и экранную сетки. При подаче положительного относительно сеток потенциала на основной анод электроны, инжектированные в полость генератора плазмы, приобретают энергию, достаточную для ионизации газа. С ростом разности потенциалов между основным анодом и сетками увеличивается ток инжектируемых из катодной полости электронов и растет их ионизирующая способность, в результате в полости основного анода генерируется плотная плазма. Периферийное поле, создаваемое постоянными магнитами, отражает быстрые электроны, обеспечивая их эффективную энергетическую релаксацию в плазме и генерацию однородной плазмы в свободном от магнитного поля пространстве полости. Ионы извлекаются из плазмы через отверстия в экранном электроде полем слоя пространственного заряда или полем ускоряющего промежутка ионной оптики, в случае, если необходимо ускорение ионов до более высоких энергий.

В предложенной конструкции ионного источника электронная эмиссия обеспечивается холодным полым катодом, ресурс которого определяется ионным распылением, зависит от площади рабочей поверхности и массы катода и может быть при необходимости увеличен до значений ≥10³ ч. Поскольку весь ток ионов, создаваемых в генераторе плазмы, собирается поверхностью экранной сетки, это позволяет достичь высоких значений энергетической эффективности ионного источника.

На чертеже представлен предложенный плазменный эмиттер ионов. Ионный источник состоит из плазменного катода и генератора плазмы. Электродная система плазменного катода содержит полый катод тлеющего разряда 1, поджигающий электрод 2 и анодную сетку плазменного катода 3, генератор плазмы содержит полый основной анод 5 и экранную сетку 4, которая электрически соединена с анодной сеткой 3. На поверхности основного анода 5 установлена магнитная система 6.

Ионный источник работает следующим образом.

В катодную полость напускается газ. Между катодом 1, поджигающим электродом 2 и анодной сеткой 3 прикладываются напряжения и зажигается тлеющий разряд. Ток разряда замыкается через выходную апертуру полого катода на анодную сетку 3, причем часть электронов поступает в полость основного анода 5 и уходит на экранную сетку 4. При подаче на основной анод 5 положительного относительно сеток 3 и 4 потенциала электроны, инжектированные в полость генератора плазмы, приобретают дополнительную энергию и начинают ионизовать газ. В результате в полости генерируется плотная плазма, из которой через отверстия в экранном электроде извлекаются ионы.

Испытания опытного образца плазменного эмиттера ионов проводились с использованием электродной системы, длина и диаметр полого катода которой были равны и составляли 130 мм, диаметр полого основного анода составлял 130 мм, длина равнялась 100 мм. Диаметр выходной апертуры полого катода составлял 10 мм. Индукция магнитного поля на полюсах магнитной системы составляла 0,1 Тл. Поток аргона, напускавшегося в катодную полость, составлял 20 см³/мин. Ток разряда в непрерывном режиме горения разряда достигал 1 А, напряжение горения разряда составляло около 400-500 В. Неравномерность распределения плотности ионного тока по поверхности экранной сетки, оцененная зондовым методом по величине тока насыщения ионов из плазмы, не превышала 10% на диаметре 80 мм. Ток ионов на экранную сетку составил 250 мА при токе плазменного катода 600 мА и отрицательном напряжении на сетке 200 В. Соответственно, эффективность разряда, оцененная исходя из величины ионного тока на экранную сетку в области однородной плазмы, составила около 0,5-0,7 А/кВт, энергетическая эффективность источника с учетом прозрачности экранной сетки примерно вдвое ниже. Расчетные значения эффективности, полученные с учетом потерь мощности в плазменном катоде, по величине сопоставимы с характерными значениями эффективности для технологических источников широких пучков на основе термокатодов, если при расчете эффективности последних учитывать энергетические затраты на нагрев катодов.

Простота и надежность предлагаемого источника ионов позволяет эффективно использовать его в ионно-лучевых технологиях, в частности, основанных на использовании пучков химически активных газов. Повышение 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.R.Kaufman, J.J.Cuomo, and J. M.E.Harper, J.Vac. Sci. Technol. 21, 725 (1982).

2. Y.Oka, T.Shoji, Т.Kuroda, О.Kaneko, and A.Ando, Rev. Sci. Instrum. 61, 1256 (1990).

3. Y.Hakamata, T.Iga, К.Natsui, and T.Sato, Nucl. Instrum. Methods В 37/38, 143(1989).

4. E.Oks, A.Vizir, and G.Yushkov, Rev. Sci. Instrum. 69, 853 (1998).

Использование: в технике получения плазмы и генерации ионных пучков с большим током. Сущность изобретения: ионный источник содержит полый катод, поджигающий электрод, анодную сетку, расположенную напротив выходной апертуры полого катода, электрически соединенную с ней экранную сетку и полый основной анод, на поверхности которого установлена магнитная система. В катодную полость напускается газ. При подаче напряжения между катодом и поджигающим электродом зажигается тлеющий разряд, электроны из плазмы которого через анодную сетку поступают в полость основного анода и дополнительно ускоряются разностью потенциалов, приложенной между сеткой и основным анодом. Периферийное магнитное поле удерживает инжектированные электроны в полости основного анода, обеспечивая генерацию плотной однородной плазмы в свободном от магнитного поля объеме. Через отверстия в экранном электроде производится отбор ионов из плазмы. Техническим результатом изобретения является увеличение эффективности ионного источника при сохранении высокой однородности эмитирующей плазмы, простоты, надежности и ресурса ионного источника. 1 ил.

Ионный источник с холодным катодом, содержащий плазменный катод, электродная система которого включает полый катод тлеющего разряда, поджигающий электрод и мелкоструктурную анодную сетку, установленную напротив выходного отверстия полого катода, и генератор плазмы, включающий основной анод и экранную сетку с отверстиями для извлечения ионов, электрически соединенную с анодной сеткой и находящуюся под отрицательным потенциалом относительно основного анода, отличающийся тем, что основной анод имеет форму полого электрода, на поверхности которого установлена система магнитов для формирования многополюсного периферийного магнитного поля.