ИОННЫЙ УСКОРИТЕЛЬ Российский патент 2006 года по МПК H05H1/54 F03H1/00 

Изобретение относится к ионному ускорителю с признаками, соответствующими родовому понятию пункта 1 формулы изобретения.

Ионные ускорители используются, например, для обработки поверхностей, в частности, в технике полупроводников или в качестве привода для космических аппаратов. При использовании в приводах ионы обычно вырабатываются из нейтрального рабочего газа, в частности, из инертного газа и ускоряются. Для выработки и ускорения ионов получили распространение, в частности, два конструктивных принципа.

В сеточных ускорителях из плазмы получают положительно заряженные ионы посредством сеточного устройства, в котором первая сетка, граничащая с плазменной камерой, находится под потенциалом анода, а смещенная в направлении вывода пучка вторая сетка находится под более отрицательным катодным потенциалом. Подобное устройство известно, например, из патента США 3613370. За счет эффекта пространственного заряда плотность ионов в таком ускорителе ограничена низкими значениями.

Другое конструктивное выполнение предусматривает плазменную камеру, которую, с одной стороны, пересекает электрическое поле для ускорения положительно заряженных ионов в направлении отверстия для вывода пучка, а с другой стороны, - магнитное поле для направления электронов, служащих для ионизации нейтрального рабочего газа. Уже длительное время широко применяются, в частности, ускорительные устройства с кольцевой плазменной камерой, в которой магнитное поле проходит преимущественно радиально, и электроны под влиянием электрического и магнитного полей движутся по замкнутым траекториям дрейфа. Подобное ускорительное устройство известно, например, из патента США 5847493.

В новом типе устройств ионных ускорителей с электрическим и магнитным полями в плазменной камере магнитное поле проявляет особую структуру с направлением поля на продольных участках второго вида, преимущественно параллельным продольному направлению, и с направлением поля на продольных участках первого вида, преимущественно перпендикулярным продольному направлению, которые характеризуются формой магнитного поля с так называемой точкой перегиба (возврата). Устройство предпочтительно строится многоступенчатым, с попеременно следующими друг за другом продольными участками первого и второго вида. Подобные ионные ускорители известны, например, из DE 10014033 А1 или из DE 19828704 А1. В известном из DE 10014033 А1 плазменном ускорителе на внутренней стенке предусмотрены электроды, выступающие радиально внутрь.

Из JP 61066868 А известен радиочастотный (РЧ) генератор ионов с катушкой возбуждения, размещенной на боковых стенках плазменной камеры. Устройство постоянного магнита вырабатывает магнитное поле с силовыми линиями, искривленными вокруг витков катушки, чтобы удерживать плазму на расстоянии от витков катушки. В патенте США 6060836 А описан генератор плазмы с аксиально выступающим в плазменную камеру полым волноводом, в который закачивается РЧ мощность магнетрона и на внутреннем проводнике которого на конце, выступающем в камеру, расположено устройство постоянного магнита.

В основе изобретения лежит задача повысить коэффициент полезного действия ионного ускорителя. Изобретение представлено в пункте 1 формулы изобретения. Зависимые пункты содержат предпочтительные варианты выполнения и дальнейшее развитие изобретения.

Изобретение исходит из известной из DE 10014033 F1 структуры магнитного поля, которая в ионизационной (или плазменной) камере в продольном направлении устройства на участке второго вида имеет направление поля, преимущественно параллельное продольному направлению, а на участке первого вида имеет более высокую, в частности, преобладающую составляющую поля, перпендикулярную продольному направлению. Магнитное поле переходит непрерывно и монотонно от участка первого вида на смежный с ним участок второго вида и наоборот, причем соседние участки первого и второго вида могут быть разнесены на некоторое расстояние друг от друга в продольном направлении или могут непосредственно примыкать друг к другу. Продольное направление ионного ускорителя совпадает по существу со средним направлением движения ускоренных ионов или с осью симметрии ионизационной камеры.

За счет сокращения расстояния между расположенными напротив друг друга перпендикулярно продольному направлению поверхностями ограничивающих ионизационную камеру стенок на продольном участке второго вида имеющийся для рабочего газа на этом участке объем сокращается по сравнению с вариантом выполнения с остающимся одинаковым расстоянием между стенками, и к тому же рабочий газ концентрируется в середине между противолежащими поверхностями стенок.

Неожиданным образом было обнаружено, что тем самым заметно повышается коэффициент полезного действия устройства, состоящий из коэффициента полезного действия ионизации и электрического коэффициента полезного действия.

Предпочтительным образом расстояние между противолежащими поверхностями стенок на участке второго вида снижается не только по отношению друг к другу, но и относительно, в частности, параллельной продольному направлению средней линии или средней поверхности по сравнению с расстоянием между стенками на смежном продольном участке первого вида.

Минимальное расстояние между стенками на участке второго вида предпочтительно, по меньшей мере, на 15%, более предпочтительно, по меньшей мере, на 20% и, в частности, по меньшей мере, на 25% меньше, чем максимальное расстояние между стенками на смежном участке первого вида. Предпочтительным образом, по меньшей мере, одна, преимущественно обе из противолежащих поверхностей стенок на участке второго вида смещены к ионизационной камере, в частности, в форме выпуклости с поверхностью стенки, проходящей непрерывно в продольном направлении, предпочтительно монотонно изогнутой поверхности стенки.

Противолежащие поверхности стенок могут состоять из изолирующего диэлектрического материала или выполняться из металла или быть частично металлическими, в частности, таким образом, что на участке или участках второго вида имеется металлическая поверхность стенки, которая образует промежуточный электрод под постоянным или плавающим потенциалом и ограничена в продольном направлении изолирующими участками стенки, а поверхности стенки на участках первого вида электрически изолированы.

Предпочтительным образом ионный ускоритель в продольном направлении плазменной камеры выполнен многоступенчатым таким образом, что несколько участков первого вида чередуются с участками второго вида, при этом предпочтительно продольные составляющие на участках второго вида, разделенных участком первого вида, попеременно противоположны, тем самым продольная составляющая магнитного поля при прохождении участка первого вида изменяет направление на противоположное. Подобные многоступенчатые структуры магнитного поля известны сами по себе из уровня техники. Соответствующее изобретению уменьшение расстояния между стенками может осуществляться тогда только на одном, нескольких или всех участках второго вида. При условии уменьшения расстояния между стенками на нескольких или всех участках второго вида по сравнению со смежными участками первого вида можно при этом варьировать количественную степень относительного уменьшения от участка к участку. Предпочтительно уменьшение расстояния между стенками имеет место, по меньшей мере, на следующем в продольном направлении к аноду участке второго вида, и/или при количественном варьировании по нескольким участкам наиболее сильное уменьшение имеет место на этом участке.

Анод размещен предпочтительно на конце ионизационной камеры, противоположном в продольном направлении отверстию для вывода ионов. Катод предпочтительным образом выполнен как источник первичных электронов, из которого первичные электроны через отверстие для вывода ионов вводятся в плазменную камеру, и/или упомянутые электроны служат для нейтрализации исходящего из ионизационной камеры пучка ионов или плазмы, и расположен предпочтительно вне ионизационной камеры и сбоку по отношению к выходному отверстию.

В соответствии с изобретением ионный ускоритель может служить как для выдачи положительно заряженного пучка ионов, так и, особенно в предпочтительном применении в приводе космического аппарата, для выдачи нейтрального пучка плазмы. В другом применении ускоренные ионы могут использоваться, в частности, для обработки поверхностей твердых тел и близких к поверхностям слоев.

Изобретение поясняется ниже на примерах выполнения со ссылками на чертежи, на которых показано следующее:

фиг.1 - характер магнитного поля в ионизационной камере;

фиг.2 - многоступенчатая конструкция.

На фиг.1 схематично представлен предусматриваемый настоящим изобретением характер магнитного поля в ионизационной камере IK. Ионизационная камера предполагается кольцевой, осесимметричной относительно средней продольной оси SA, которая расположена в продольном направлении LR устройства. Расположенная радиально внутри относительно ионизационной камеры магнитная система MGi и расположенная радиально снаружи ионизационной камеры магнитная система MGe вырабатывают в ионизационной камере IK магнитное поле, которое имеет, по меньшей мере, один продольный участок MA1_N первого вида и, по меньшей мере, один смежный с ним в продольном направлении продольный участок MA2_N второго вида. Предпочтительно магнитное поле в ионизационной камере в продольном направлении имеет несколько чередующихся продольных участков первого и второго вида, как представлено на фиг.2 и как указано на фиг.1 посредством другого продольного участка MA2_N+1.

На продольном участке MA2_N второго вида магнитное поле имеет направление, предпочтительно параллельное продольной оси SA, в противоположность чему на продольном участке MA1_N первого вида магнитное поле имеет более высокую по сравнению с ним радиальную, то есть направленную перпендикулярно продольной оси составляющую. Продольный участок MA1_N первого вида в данном примере выбран таким образом, что радиальная составляющая поля является заметно преобладающей. Продольные участки первого и второго вида могут быть определены как непосредственно примыкающие друг к другу, но в показанном на чертеже примере для четкого разграничения преобладающей продольной составляющей на участке MA2_N и преобладающей радиальной составляющей на продольном участке MA1_N разнесены на расстояние перехода, отдельно не обозначенное на чертеже. На продольном участке MA2_N второго вида вклад магнитного потока убывает от боковых стенок камеры к середине, в то время как на продольном участке первого вида магнитный поток на стенках камеры больше, чем в середине между противолежащими поверхностями стенок. Описанная структура магнитного поля сама по себе известна, например, из DE 10014033 А1, как и магнитные системы для формирования такой структуры магнитного поля. Распределение магнитного поля на фиг.1 приведено лишь схематично и не должно интерпретироваться количественным образом.

Существенным для настоящего изобретения является то, что в области продольного участка MA2_N второго вида радиальное расстояние между расположенными противоположно друг другу перпендикулярно продольной оси SA поверхностями WF2i_N, WF2e_N стенок меньше, чем радиальное расстояние между поверхностями WF1i_N, WF1e_N стенок на продольном участке MA1_N первого вида. Тем самым радиальное расстояние в свету ионизационной камеры на продольном участке MA2_N второго вида уменьшено по отношению к продольному участку MA1_N первого вида. Предпочтительным образом на участке MA2_N обе противолежащие поверхности WF2i_N, WF2e_N стенок по отношению к смежным в продольном направлении поверхностям WF1i_N, WF1e_N стенок сдвинуты радиально к середине ионизационной камеры. Благодаря этому, в противоположность геометрии камеры с одинаковым на участках первого и второго вида радиальным расстоянием до стенок, на участке MA2_N концентрация рабочего газа, и в особенности неионизированных атомов, обеспечивается в радиальной внутренней области, где ввиду незначительного магнитного потока имеет место более высокая плотность электронов и тем самым более высокая вероятность ионизации.

Форма поверхности стенки в продольном направлении на обоих участках может соответственно быть параллельной продольной оси SA со ступенькой или уступом в качестве перехода. Но предпочтительной является, по меньшей мере, на продольном участке MA2_N второго вида не параллельная продольной оси SA форма стенки, которая лучше аппроксимирует форму силовых линий магнитного поля на этом продольном участке, чем форма стенки, параллельная продольной оси SA. В частности, поверхность WF2i_N и/или WF2e_N стенки может быть выпуклой к радиальной середине ионизационной камеры с минимальным расстоянием D2L между стенками, которое увеличивается в продольном направлении к смежному участку MA1_N первого вида. Форма поверхности WF2i_N и/или WF2e_N стенки может, в частности, иметь непрерывную монотонно изменяющуюся кривизну или аппроксимировать такую форму за счет использования, например, множества прямолинейных дискретных участков.

Соответствующим образом поверхности WF2i_N и/или WF2e_N стенок могут иметь в продольном направлении прямую или изогнутую форму, причем для простейшего изготовления этих поверхностей в типовом случае, как правило, наиболее благоприятной является параллельная продольной оси форма.

Радиальное расстояние между стенками на продольном участке MA2_N второго вида или, в случае формы стенки, не параллельной оси SA, имеющееся минимальное радиальное расстояние D2L между стенками предпочтительно, по меньшей мере, на 15%, более предпочтительно, по меньшей мере, на 20% и, в частности, на 25% меньше, чем расстояние между стенками на смежном продольном участке первого вида, или, в случае формы, не параллельной оси SA, чем имеющееся в этом случае максимальное расстояние D1M между стенками, то есть D2L≤0,85D1M, или 0,80D1M, или 0,75D1M.

Поверхности стенок камеры могут быть выполнены из электроизолирующего материала, или из электропроводящего материала, или частично из электропроводящего материала, в частности, из ненамагничиваемого металла. В предпочтительном варианте осуществления поверхности WF2i_N, WF2e_N стенок являются металлическими, а поверхности WF1i_N, WF1e_N стенок являются изолирующими. Металлические поверхности стенок могут при этом предпочтительно образовывать части промежуточных электродов электродной системы под электрическими промежуточными потенциалами между потенциалами анода и катода, причем промежуточные потенциалы могут быть предварительно заданными или, в случае изолированных, не контактирующих промежуточных электродов, могут устанавливаться в процессе работы под плавающим потенциалом. В случае металлических поверхностей WF2i_N или WF2e_N стенок, в частности, может быть предусмотрено, что металлические электроды нанесены на по существу цилиндрическую изолирующую оболочку камеры и закреплены на ней и своими плоскостями, обращенными от оболочки камеры и повернутыми к ионизационной камере и противолежащей плоскости стенки, образуют поверхности WF2i_N или WF2e_N стенок.

На фиг.2 представлено многоступенчатое в продольном направлении устройство, в котором известным, например, из DE 100 14 033 А1 способом в продольном направлении друг за другом поочередно следует множество продольных участков первого и второго вида, причем два участка второго вида (MA2_N, MA2_N+1 на фиг.1), смежные по отношению к расположенному между ними участку первого вида (MA1_N на фиг.1), имеют противоположные продольные составляющие магнитного поля. В то время как на фиг.1 представлена кольцевая геометрия камеры относительно центральной средней продольной оси SA и внутренняя и внешняя магнитные системы Mgi, Mge в варианте по фиг.2, за основу взята предпочтительная геометрия камеры с просто взаимосвязанной поверхностью поперечного сечения ионизационной камеры IKZ, которая содержит среднюю продольную ось SAZ и которая может быть, в частности, по существу осесимметричной относительно параллельной продольному направлению средней оси SAZ. Магнитная система образована вновь известным образом только из внешней магнитной системы MG, окружающей оболочку камеры. Обе противолежащие поверхности стенок принадлежат тогда одной и той же стенке камеры, замкнутой вокруг средней продольной оси SAZ и окружающей в боковом направлении ионизационную камеру. Ионизационная камера имеет отверстие для вывода пучка, из которого, как правило, выводится слегка расходящийся пучок ионов или плазмы РВ с усредненным движением ионов в продольном направлении LR. Вне ионизационной камеры около выходного отверстия AU и со смещением в сторону от него в качестве части электродной системы размещен катод КА, который находится под потенциалом катода и эмитирует электроны. Часть IE этих электронов вводится под действием электрического поля электродной системы в ионизационную камеру и служит там известным образом для ионизации рабочего газа и при этом, в частности, для формирования вторичных электронов. Другая часть NE эмитированных катодом электронов может служить для нейтрализации пучка положительно заряженных частиц РВ.

В другом предпочтительном варианте осуществления не предусматривается внешний источник электронов для формирования первичных электронов для ионизации газа и/или для нейтрализации пучка плазмы с избыточным положительным зарядом. Катод может тогда быть образован, в частности, окружающей выходное отверстие ионизационной камеры частью корпуса, находящейся под потенциалом катода.

Анод А0 в качестве части электродной системы размещен на конце ионизационной камеры, противоположном в продольном направлении LR выходному отверстию AU, и находится под потенциалом анода. Нейтральный рабочий газ (в применении для привода предпочтительно используется тяжелый инертный газ), например, ксенон (Хе), вводится в ионизационную камеру, что показано на фиг.2 центральным подводом со стороны анода. Типовое распределение плазмы, состоящей из электронов и положительных ионов газа, показано на чертеже штриховкой в ионизационной камере.

Магнитная система образует в ионизационной камере IKZ магнитное поле, которое в продольном направлении имеет чередующиеся последовательно друг за другом продольные участки МА11, МА12 первого вида и продольные участки МА21, МА22, МА23 второго вида. Предполагается, как показано на чертеже, что в этом случае расстояние между противолежащими поверхностями стенок, равное диаметру ионизационной камеры, на всех продольных участках первого вида, как и, в необходимом случае, на имеющихся переходных участках является постоянным и равно DZ.

В показанном на чертеже примере, где для наглядности совместно показано несколько вариантов выполнения для продольных участков МА21, МА22, МА23 второго вида, ионизационная камера на продольном участке МА21 сужена за счет кольцеобразно окружающей центральную продольную ось выпуклости с поверхностью WF21 стенки до минимального диаметра D21L. Поверхность WF21 стенки предполагается электрически изолирующей. На продольном участке МА22 диаметр ионизационной камеры сокращен до значения D22L, причем за счет увеличения размера D22L по отношению к D21L следует принимать во внимание соответственно проявляющееся расширение плазмы во второй ступени по сравнению с первой ступенью, и можно поддерживать минимальными обусловленные стенками потери, приводящие к снижению электрического коэффициента полезного действия. Поверхность WF22 стенки или весь участок сужения диаметра на этом расстоянии выполнен металлическим и образует первый промежуточный электрод А1, находящийся под постоянным промежуточным потенциалом. Наконец, на участке МА23 предусмотрен электрод А2 меньшей радиальной толщины, диаметр D23L которого на этом участке по существу не уменьшен или уменьшен пренебрежимо мало по сравнению с DZ и который бесконтактным способом в процессе функционирования приобретает плавающий промежуточный потенциал. Электродная система и в распределении в продольном направлении может отличаться от распределения магнитного поля на продольных участках первого и второго вида.

Описанные выше и приведенные в пунктах формулы изобретения, а также следующие из чертежей признаки могут быть реализованы предпочтительным образом как в отдельности, так и в различных комбинациях. Изобретение не ограничивается описанными примерами выполнения, а в рамках знаний специалистов в данной области техники допускает различные отклонения. В частности, поверхности стенок на участках второго вида могут быть выполнены различными другими способами и быть при этом изолирующими, электропроводящими или электропроводными только по части поверхности. Размеры отдельных продольных участков и/или промежуточных электродов могут изменяться от ступени к ступени. Признаки известных ионных ускорителей могут комбинироваться с признаками, существенными для изобретения. Поперечное сечение ионизационной камеры может также отклоняться от осесимметричной формы и принимать удлиненную форму.

Изобретение относится к ионным ускорителям и может быть использовано, в частности, для обработки поверхностей в технике полупроводников или в качестве привода для космических аппаратов. Ионный ускоритель содержит ионизационную камеру, электродную систему и магнитную систему, причем ионизационная камера в продольном направлении имеет отверстие для вывода ионов и поперечно продольному направлению ограничена, по меньшей мере, одной боковой стенкой, и расположенное на заданном расстоянии от выходного отверстия подводящее отверстие, через которое в ионизационную камеру вводится рабочий газ. Электродная система содержит, по меньшей мере, один катод и один анод, создающие в ионизационной камере электрическое поле для ускорения положительно заряженных ионов рабочего газа в направлении выходного отверстия. Магнитная система создает в ионизационной камере магнитное поле, которое в продольном направлении имеет, по меньшей мере, один продольный участок первого вида с более высокой составляющей поля, перпендикулярной продольному направлению, и смежный с ним, по меньшей мере, один продольный участок второго вида с направлением магнитного поля, по существу параллельным продольному направлению. Расстояние между противолежащими поверхностями стенок на продольном участке второго вида меньше, чем на продольном участке первого вида, а форма стенки на продольном участке второго вида в продольном направлении имеет монотонно изогнутую выпуклость в направлении к ионизационной камере. Технический результат - повышение коэффициента полезного действия устройства. 6 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Ионный ускоритель, содержащий ионизационную камеру, электродную систему и магнитную систему, причем ионизационная камера в продольном направлении имеет отверстие для вывода ионов и поперечно продольному направлению ограничена, по меньшей мере, одной боковой стенкой, и расположенное на заданном расстоянии от выходного отверстия подводящее отверстие, через которое в ионизационную камеру вводится рабочий газ, электродная система содержит, по меньшей мере, один катод и один анод, создающие в ионизационной камере электрическое поле для ускорения положительно заряженных ионов рабочего газа в направлении выходного отверстия, магнитная система создает в ионизационной камере магнитное поле, которое в продольном направлении имеет, по меньшей мере, один продольный участок первого вида с более высокой составляющей поля, перпендикулярной продольному направлению, и смежный с ним, по меньшей мере, один продольный участок второго вида с направлением магнитного поля, по существу параллельным продольному направлению, при этом расстояние между противолежащими поверхностями стенок на продольном участке второго вида меньше чем на продольном участке первого вида, отличающийся тем, что на продольном участке второго вида форма стенки в продольном направлении имеет монотонно изогнутую выпуклость в направлении к ионизационной камере.2. Ионный ускоритель по п.1, отличающийся тем, что минимальное расстояние между стенками на продольном участке второго вида, по меньшей мере, на 15%, предпочтительно, по меньшей мере, на 25% меньше чем максимальное расстояние между стенками на продольном участке первого вида.3. Ионный ускоритель по п.1, отличающийся тем, что продольные участки первого и второго вида расположены поочередно друг за другом.4. Ионный ускоритель по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что на продольном участке первого вида выполняется реверсирование направления продольной составляющей магнитного поля.5. Ионный ускоритель по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что стенка камеры на продольном участке второго вида, по меньшей мере, частично образована промежуточным электродом.6. Ионный ускоритель по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что анод расположен на конце ионизационной камеры, противоположном в продольном направлении выходному отверстию.7. Ионный ускоритель по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что катод выполнен в качестве источника первичных электронов и размещен вне ионизационной камеры со смещением в сторону относительно выходного отверстия.