ДУОПЛАЗМАТРОННЫЙ ИСТОЧНИК ГАЗОВЫХ ИОНОВ Российский патент 2018 года по МПК H01J27/10 H01J3/04 H01J37/08 

Изобретение относится к источникам ионов, применяемым на ускорителях заряженных частиц, и может использоваться в областях, где требуются ускоренные ионы.

Широко известны источники ионов дуоплазматронного типа, содержащие катод, промежуточный электрод, анод с отверстием эмиссии и магнитопровод с электромагнитной катушкой для формирования аксиального магнитного поля между анодом и промежуточным электродом. (Габович М.Д. Плазменные источники ионов. Киев.: Наукова думка, 1964). Недостаток - низкая фазовая плотность тока пучка, генерируемого источником, вызванная наличием аксиального магнитного поля в области анода, разогревающего плазму и большого потока остаточного газа на выходе источника ионов, способствующего рассеянию и перезарядке ионов на молекулах газа.

Известны источники ионов дуоплазматронного типа, в которых для уменьшения потока остаточного газа на выходе дуоплазматрона установлен электромагнитный клапан, его подвижная заслонка открывает отверстие эмиссии только на время экстракции ионов из источника (Баталии В.А., Кондратьев Б.К., Коломиец А.А. и др. Дуоплазматрон с холодным катодом. // ПТЭ, 1975, №2. С. 21-13 и Баталии В.А., Коломиец А.А., Кондратьев Б.К. и др. // ПТЭ. 1978, №3. С. 35). Недостаток, низкая фазовая плотность тока пучка, извлекаемого из ионных источников из-за наличия аксиального магнитного поля в области между анодом и промежуточным электродом.

Наиболее близким техническим решением, принятым за прототип, является дуоплазматрон, содержащий соосно расположенные: катод, промежуточный электрод с отверстием, анод с отверстием эмиссии и полый безнакальный катод, размещенный между анодом и промежуточным электродом и электрически соединенный с промежуточным электродом (Патент на изобретение №2045103. Турчин В.И., Кондратьев Б.К, Дуоплазматрон).

Техническая проблема заключается в малой величине фазовой плотности тока ионного пучка на выходе источника из-за низкой эффективности ионизации молекул газа электронами и большого потока остаточного газа на выходе источника ионов.

Целью изобретения является повышение фазовой плотности тока пучка ионов на выходе источника.

Сущность изобретения - использование электронов плазмы, образующейся в зазоре анод - промежуточный электрод, для ионизации молекул газа вблизи отверстия эмиссии в аноде.

Поставленная цель достигается предложенной конструкцией дуоплазматронного источника газовых ионов, состоящего из соосно расположенных: катода, промежуточного электрода с отверстием, анода с отверстием эмиссии и трубчатого металлического цилиндра, размещенного между анодом и промежуточным электродом, один торец которого закреплен на промежуточном электроде, а противоположный торец перекрыт диафрагмой с отверстием, площадь которого выбирают меньше площади внутренней поверхности трубчатого металлического цилиндра как отношение корня квадратного удвоенной массы электрона к корню квадратному массы иона рабочего газа.

В прототипе плазма, заполняющая область между промежуточным электродом и анодом, может только контрагироваться электрическим полем полого катода и ее электроны не обладают достаточной энергией для ионизации газа в области анода. В предлагаемом изобретении трубчатый металлический цилиндр с диафрагмой является электростатической ловушкой для электронов, эмитируемых стенками его внутренней поверхности, что наряду с наличием потока электронов, поступающих из отверстия промежуточного электрода способствует увеличению плотности плазмы, образованной внутри его полости. Когда плотность электронов в этой плазме начинает превышать пропускную способность отверстия диафрагмы, ограниченную действием закона Кулона, вблизи отверстия диафрагмы образуется двойной слой. Электрическое поле которого ускоряет плазменные электроны в сторону анода (Никулин С.П. Влияние размеров анода на характеристики тлеющего разряда с полым катодом. Журнал технической физики. 1997. Т. 67. Вып. 5. С. 43-47. Гречаный В.Н., Метель А.С. Тлеющий разряд с полым катодом в вакуумном режиме катодной полости. Теплофизика высоких температур. 1984. Т. 22. Вып. 6. С. 444-448). Ускоренные в двойном слое плазменные электроны приобретают дополнительную энергию, позволяющую им ионизировать рабочий газ в области анода (А.С. Метель. Особенности установления квазистационарного состояния сильноточного разряда с полым катодом при пониженных давлениях газа. Журнал технической физики. 1986. Т. 56. Вып. 12. С. 2329-3239).

В результате предложенных конструктивных изменений, выразившихся в установке между промежуточным электродом и анодом трубчатого металлического цилиндра предложенной конструкции, в дуоплазматронном источнике газовых ионов возникает новое физическое свойство. А именно становится возможным использовать электроны плазмы, образующейся в полости металлического цилиндра для ионизации газа вблизи отверстия эмиссии в аноде, способствуя увеличению эффективности ионизации молекул рабочего газа и увеличению плотности ионов плазмы в этой области, уменьшению потока остаточного газа и повышению фазовой плотности тока пучка на выходе источника ионов (технический результат).

Анализ отличительных существенных признаков и проявленных благодаря им физических свойств, связанных с достижением неожиданного технического результата, позволяет считать данную заявку соответствующей критерию изобретения.

На рисунке показана схема дуоплазматронного источника газовых ионов согласно настоящему изобретению.

Дуоплазматронный источник газовых ионов состоит из соосно расположенных: газовой магистрали 1, разрядной камеры 2, внутри которой установлен промежуточный электрод 3 с апертурой в конусной части, установленного на газовой магистрали катода 4, трубчатого металлического цилиндра 5, один торец которого закреплен на внешней стороне конуса промежуточного электрода, а противоположный торец перекрыт диафрагмой 6 с отверстием 7, анода 8 с отверстием эмиссии 9.

Дуоплазматронный источник газовых ионов предназначен для использования в ускорителях и импланторах заряженных частиц. Увеличение фазовой плотности инжектируемого ионного пучка обеспечивается в нем установкой между анодом и промежуточным электродом трубчатого металлического цилиндра, конструкция которого позволяет использовать поверхность его внутренней полости в качестве катода, а саму полость в качестве электростатической ловушки для электронов, эмитируемых стенками полости. При определенной конструкции данного металлического цилиндра, вблизи отверстия диафрагмы перекрывающей его торец со стороны анода образуется двойной слой. Увеличение потока плазменных электронов, ионизирующих газ на выходе данного источника ионов за счет плазменных электронов, ускоренных электрическим полем двойного слоя, способствует повышению эффективности ионизации газа. Это увеличивает плотность плазмы в области анода и величины тока ионов в пучке на выходе данного источника ионов. Использование электронов плазмы, образованной в области промежуточный электрод - анод для ионизации газа так же способствует уменьшению давления рабочего газа в источнике. Перечисленные выше факторы приводят к увеличению тока и фазовой плотности ионного пучка на выходе дуоплазматронного источника газовых ионов.

Фазовая плотность тока пучка заряженных частиц определяется формулой

где: I - ток ионного пучка, V_p - эмиттанс пучка, зависящий от величины фазового сдвига, возникающего при рассеянии ионов в результате столкновений с молекулами остаточного газа на выходе источника ионов (ИИ) (И.М. Капчинский, Теория линейных резонансных ускорителей. М. Энергоиздат. С. 42-75. 1982 г.).

Максимальная величина тока заряженных частиц, который можно извлечь из плазмы, зависит от плотности плазмы. Величина плотности плазмы, образующейся при ионизации газа электронами, возрастает с увеличением потока электронов. Увеличение интенсивности потока ионизирующих газ электронов позволяет уменьшать плотность газа в ИИ, сохраняя неизменной величину плотности образующейся плазмы. Уменьшение потока остаточного газа на выходе ИИ способствует уменьшению углового рассеяние ионов в экстрагируемом пучке, уменьшая величину эмиттанса пучка V_p.Перечисленные факторы, увеличения I и уменьшения V_p приводят к росту фазовой плотности J в ионном пучке (1).

Пример 1.

Дуоплазматронный источник газовых ионов работает следующим образом. Рабочий газ по газовой магистрали 1 поступает в разрядную камеру 2, заполняя ее. На промежуточный электрод 3 и катод 4, установленный на газовой магистрали1, от блоков электропитания (на рисунке они не показаны) подается импульсное электрическое напряжение отрицательной полярности относительно анода 8. Величина амплитуды импульсов на катоде 4 меньше амплитуды импульсов, поступающих на промежуточный электрод 3. После подачи на эти электроды электрического напряжения между промежуточным электродом 3 и катодом 4 зажигается электрический разряд, образуется катодная плазма (рисунке). Электронную компоненту этой плазмы составляют быстрые электроны, эмитированные катодом, и плазменные электроны, образовавшиеся при ионизации молекул газа быстрыми электронами.

Из-за наличия плазменных электронов, плотность потока электронов, инжектируемых образованной катодной плазмой через апертуру промежуточного электрода 3, многократно превосходит плотность электронов, эмитируемых катодом 4. Электроны, экстрагированные из катодной плазмы, проходя через отверстие в конусной части промежуточного электрода 3, ионизируют газ в области между анодом 8 и промежуточным электродом 3. Образованная ими плазма, контрагируется в аналогах или прототипе магнитным или электрическим полями, заполняя пространство между анодом и промежуточным электродом источника. Ионы из этой плазмы эмитируются источниками в пучок через отверстие эмиссии 9 (Габович М.Д. Плазменные источники ионов. Киев.: Наукова думка, 1964).

В аналогах и прототипе движение плазменных электронов в области между анодом и промежуточным электродом носит диффузионный характер, они не обладают энергией, достаточной для ионизации газа. Плотность плазмы в области анода, и величина тока ионов, экстрагируемых из такой плазмы, зависит от интенсивности потока быстрых электронов, экстрагируемых из катодной плазмы.

В предлагаемом изобретении кроме электронов катодной плазмы из промежуточного электрода 3 в ионизации газа в области отверстия эмиссии 9 участвуют электроны плазмы, образованной в трубчатом металлическом цилиндре 5, установленном в пространстве между промежуточным электродом 3 и анодом 8. В результате, между анодом 8 и промежуточным электродом 3 возникают два плазменных сгустка различной плотности, разделенные двойным слоем. Они показаны на рисунке.

В плазменном сгустке внутри трубчатого металлического цилиндра 5 плазма создается в результате ионизации газа как электронами, инжектируемыми через апертуру в конусе промежуточного электрода 3 катодной плазмой, так и за счет ионизации газа электронами, которые эмитируются стенками внутренней полости трубчатого металлического цилиндра 5 под действием электрического поля, существующего между анодом 8 и промежуточным электродом 3. Трубчатый металлический цилиндр 5 является эмиттером дополнительных электронов, обладающих достаточной энергией для ионизации молекул газа. В результате суммарного действия этих электронов и электронов, экстрагированных из катодной плазмы, плотность плазмы внутри трубчатого металлического цилиндра 5 превосходит плотность катодной плазмы в промежуточном электроде 3.

Заряженные частицы плазмы из трубчатого металлического цилиндра 5 могут свободно диффундировать к аноду 8 через отверстие 7 в диафрагме 6 в том случае, когда его пропускная способность соответствует плотности заряженных частиц в плазме. Когда плотность заряженных частиц, например, электронов, в этой плазме начинает превосходить пропускную способность апертуры 7, ограниченную действием закона Кулона, вблизи апертуры 7 образуется двойной слой, показанный на рис.

Электрическое поле этого слоя, стремясь выровнять плотности заряженных частиц по обе стороны диафрагмы 6, ускоряет плазменные электроны в сторону анода 8, сообщая им способность ионизировать газ и формировать плазменный сгусток с еще большей плотностью заряженных частиц в районе отверстия эмиссии 9.

Критерий образования двойного слоя зависит от конструкции электростатической ловушки. Параметры конструкции трубчатого металлического цилиндра 5, необходимые для возникновения в нем двойного слоя, можно определить согласно работе (А.С. Метель. Тлеющий разряд с электростатическим удержанием электронов для генерации плазмы и пучков ускоренных частиц. Диссертация на соискание ученой степени д. ф-м. н. С. 154, 162-185. Москва. 2005 г.) по формуле

где: S - площадь диафрагменного отверстия 7, Sk - площадь внутренней поверхности металлического цилиндра 5, m - масса электрона, М - масса иона рабочего газа.

Согласно данной работе, плазменные электроны, ускоренные электрическим полем в двойном слое приобретают энергию, величина которой достигает 20% от значений разности электрических потенциалов между анодом 8 и трубчатым металлическим цилиндром 5. В дуоплазматронах величина электрического напряжения между анодом и промежуточным электродом варьируется от нескольких сотен Вольт (Габович М.Д. Плазменные источники ионов. Киев.: Наукова думка, 1964), до 1,5-2,0 кВ (Баталии В.А., Коломиец А.А., Кондратьев Б.К. и др. // ПТЭ. 1978. №3. С. 35). Что позволяет этим электронам ионизировать молекулы газа в прианодной области.

Как показано выше, интенсивность потока электронов, экстрагируемых из плазмы трубчатого металлического цилиндра 5, превосходит плотность потока электронов, эмитированных катодной плазмой. В результате ионизации газа этими электронами вблизи анода 8 образуется плазма, плотность заряженных частиц в которой превосходит плотность зарядов в плазме существующей в аналогах и прототипе. Что позволяет извлекать из нее через отверстие эмиссии 9 ионный пучок с большей, чем в прототипе величиной ионного тока I и фазовой плотности тока J (2).

Наряду с увеличением тока I ионного пучка, извлекаемого из дуоплазматронного источника газовых ионов, повышенная эффективность ионизации газа электронами в области отверстия эмиссии 9 позволяет уменьшать давление рабочего газа в ИИ. Уменьшение вероятности столкновений экстрагируемых из ИИ ионов пучка с молекулами остаточного газа способствуя уменьшению величины эмиттанса V_p извлекаемого пучка.

Перечисленные выше факторы, согласно (1), увеличивают фазовую плотность тока J в пучке ионов на выходе дуоплазматронного источника газовых ионов.

Предлагаемый источник ионов прост по конструкции, надежен и удобен в эксплуатации. Отличается невысокой стоимостью и удовлетворяет требованиям инжекции в разнообразные виды линейных и кольцевых ускорителей. Он может успешно применяться при разработке импланторов и других технологических устройств.

Изобретение относится к источникам газовых ионов, применяемых в ускорителях заряженных частиц. Дуоплазматронный источник газовых ионов состоит из соосно расположенных: катода, промежуточного электрода с отверстием и анода с отверстием эмиссии. Между анодом и промежуточным электродом размещен трубчатый металлический цилиндр, один торец которого закреплен на промежуточном электроде, а противоположный торец перекрыт диафрагмой с отверстием, площадь которого выбирают меньше площади внутренней поверхности трубчатого металлического цилиндра как отношение корня квадратного удвоенной массы электрона к корню квадратному массы иона рабочего газа. Технический результат - увеличение фазовой плотности тока инжектируемого ионного пучка. 1 ил.

Дуоплазматронный источник газовых ионов, состоящий из соосно расположенных: катода, промежуточного электрода с отверстием и анода с отверстием эмиссии, отличающийся тем, что между анодом и промежуточным электродом размещен трубчатый металлический цилиндр, один торец которого закреплен на промежуточном электроде, а противоположный торец перекрыт диафрагмой с отверстием, площадь которого выбирают меньше площади внутренней поверхности трубчатого металлического цилиндра как отношение корня квадратного удвоенной массы электрона к корню квадратному массы иона рабочего газа.