Устройство источника плазмы несамостоятельного газового разряда с эффектом полого катода Российский патент 2020 года по МПК H01J27/02 

Изобретение относится к области ионно-лучевой вакуумной обработке материалов и может быть использовано в плазменных источниках заряженных частиц и в частности в машиностроении для упрочнения режущего инструмента, повышения эксплуатационных свойств деталей машин и механизмов.

Известно устройство источника плазмы [С.А. Линник, А.В. Гайдайчук, И.В.Шаманин. Источник плазмы тлеющего разряда с эффектом полого катода для модификации свойств поверхности и нанесения покрытий. - Известия Томского политехнического университета. 20П. Т.318. №2. с. 86], включающее вакуумную камеру, полый катод, анод, крышку с отверстием для подачи газа, разделительную переборку с отверстием, источник напряжения.

Недостатком прототипа является малая апертура (действующее отверстие) источника плазмы.

Наиболее близким аналогом заявленного изобретения является устройство источника плазмы [А.В. Визирь, Е.М. Окс, П.М. Щанин, Г.Ю. Юшков. Несамостоятельный тлеющий разряд с полым катодом для широкоапертурных источников. - Журнал технической физики, 1997, том 67, №6. с. 27] несамостоятельного газового разряда с эффектом полого катода, содержащее полый катод основного разряда, анод основного разряда, полый катод вспомогательного разряда, устройство для подачи газа, ускоряющий электрод, коллектор, эмиссионное окно в виде сетки.

Недостатком аналога является малая апертура источника плазмы.

Задачей настоящего изобретения является увеличение апертуры источника плазмы.

Техническим результатом является повышение равномерности обработки крупногабаритных изделий и скорости процесса.

Технический результат достигается тем, что в устройстве источника плазмы несамостоятельного газового разряда с эффектом полого катода, содержащем полый катод основного разряда, анод основного разряда, полый катод вспомогательного разряда, устройство для подачи газа, ускоряющий электрод, коллектор, эмиссионное окно выполнено в виде коаксиальных полых цилиндров радиусы которых связаны соотношением

R_n=n⋅R₁,

где n - порядковый номер цилиндра, начиная с первого, а длина L цилиндров связана с радиусом первого цилиндра соотношением

В последнее время в связи с постепенным внедрением ионных и электронных технологий в производство возрастает интерес к получению пучков с большим поперечным сечением [Бугаев С.П. Электронные пучки большого сечения / С.П. Бугаев, Ю.Е. Крейедель, П.М. Щанин. М.:Энергоатомиздат, 1984. 112 с.], которые дают возможность быстрой обработки крупных деталей без сканирования по поверхности образца или без его перемещения, а также одновременной обработки большой партии мелких деталей. Эффектом полого катода является большая величина тока, протекающего через разряд, по сравнению с системой с плоскими электродами, имеющей геометрические размеры того же порядка. Такой тип разряда реализуется в полости, когда ее диаметр (2R₁ примерно соответствует длине отрицательного свечения. Электроны производят эффективную ионизацию за счет осцилляции между катодным падением потенциала противоположных стенок полости при этом характерный размер катодной полости (2R₁) должен быть меньше длины свободного пробега электронов. В разряде с полым катодам происходит резкое падение напряжения горения разряда и увеличение его тока. Экспериментально установлено, что минимум напряжения или максимум разрядного тока (при поддержании заданного напряжения) наблюдается при отношении длины L цилиндрического полого катода к его диаметру (2R₁) примерно равным 10 (Крейндель Ю.Е. Плазменные источники электронов / Ю.Е. Крендель. М.: Атомиздат, 1977. 145 с.). Для функционирования разряда в сильноточном низковольтном режиме горения необходимо обеспечить давление в разрядном промежутке порядка 1 Па. Для сохранения же электрической прочности ускоряющего промежутка и транспортировки ускоренного пучка на значительные расстояния давление в этих областях должно быть ниже 10^-2 Па. Снижение давления в разрядном промежутке приводит к быстрому росту напряжения разряда, и он переходит в высоковольтную слаботочную форму либо обрывается при недостаточном напряжении источника питания. Инжекция электронов позволяет понизить минимальное давление, при котором существует разряд в полом катоде до значения <10^-2 Па [А.В. Визирь, Е.М. Окс, П.М. Щанин, Г.Ю. Юшков. Несамостоятельный тлеющий разряд с полым катодом для широкоапертурных источников. - Журнал технической физики, 1997, том 67, №6. с. 27]. Для стабилизации эмиссионной поверхности плазмы эмиссионное окно перекрывают мелкоструктурной сеткой. Замена мелкоструктурной сетки на совокупность коаксиальных полых цилиндров позволяет, при одинаковом характеристическом размере(одинаковом размере ячеек сетки и диаметре цилиндров (2R₁)) примерно в 5 раз увеличить выходную аппретуру(при одинаковом геометрическом размере эмиссионного окна) эмиссионного окна. Увеличение ионного потока с единицы площади свидетельствует об повышении плотности плазмы, что интенсифицирует (ускоряет) процессы обработки деталей. Поскольку зазоры между коаксиальными цилиндрами являются кольцевыми полыми катодами, то это позволяет создавать источники плазмы с любыми требуемыми поперечными сечениями пучков, а также дополнительно повысить плотность плазменного потока. Увеличение поперечного сечения пучка ионов, а также повышение плотности потока ионов, позволяют повысить равномерность обработки крупногабаритных изделий и скорость процесса.

На фиг. 1 изображена схема устройства источника плазмы несамостоятельного газового разряда с эффектом полого катода. Схема содержит полый катод основного разряда 1, анод основного разряда 2, полый катод вспомогательного разряда 5, отверстие для подачи газа 7, эмиссионное окно выполненное в виде коаксиальных полых цилиндров 4, керамические кольца 3, 6, сетка для ослабления провисания потенциала 8, ускоряющий электрод 9, коллектор 10.

На фиг. 2 изображено эмиссионное окно выполненное в виде коаксиальных полых цилиндров радиусы которых связаны соотношением

R_n⋅R₁,

где n - порядковый номер цилиндра, начиная с первого, а длина L цилиндров связана с радиусом первого цилиндра соотношением

Пример конкретной реализации устройства.

Источник плазмы несамостоятельного газового разряда с эффектом полого катода помещаем в вакуумную камеру, где создается давление 5⋅10^-3 Па. В отверстие 7 подаем рабочий газ понижающий давление во вспомогательном полом катоде 5(длиной и диаметром 12,5 см) до 2 Па. На торце полого катода 5 имеется центральное отверстие диаметром 5 мм, которое расположено соосно с отверстием 7 мм в полом катоде 1. Из-за перепада давления при протекании газа через отверстия в электродах 1 и 5 давление газа в полом катоде основного разряда 1 (длиной, шириной и высотой 40 см.) составит примерно 10^-2 Па. Вспомогательный разряд инициируется разрядом на поверхности керамического кольца 6 и возникает в начальный момент приложения напряжения от регулируемого выпрямителем с напряжением до 3 кВ и током до 0,3 А между полым катодом 5 и электродом 1, являющегося анодом вспомогательного разряда. Для ослабления провисания потенциала в катодную полость вспомогательного разряда отверстие в торцевом электроде закрывается вольфрамовой сеткой с размером ячейки 0,2 мм 8. Дополнительная инжекция электронов в катодную полость основного разряда осуществляется при их отборе из плазмы вспомогательного разряда, зажигаемого между полым катодом 5 и электродом 1. Основной разряд зажигаем между полым катодом основного разряда 1 и размещенным внутри анодом 2, представляющим стержень диаметром 8 мм, включив регулируемый выпрямитель с напряжением до 2 кВ и током до 1 А. При токе электронов в вспомогательном разряде 50 мА основной разряд стабильно зажигается при давлении вплоть до 5×10^-3 Па. Включаем ускоряющее ионы напряжение величиной до 5 кВ, приложенное между катодом 1 и ускоряющим электродом 9, находящимся при отрицательном относительно коллектора 10 потенциалом.

Отбор ионов из плазмы основного разряда осуществляем через круглое эмиссионное окно 4 представляющее собой коаксиальные цилиндры круглого сечения, радиусы которых связаны соотношением

R_n=nR₁,

где n - порядковый номер цилиндра, начиная с первого, R₁=4 мм, расположенное на боковой поверхности полого катода основного разряда 1. Длина L цилиндров, определенная из выражения L/2R₁=10, равна 80 мм. При данных размерах число полых катодов в эмиссионном окне равно 24(n=24).

Предлагаемое устройство позволяет:

1. получать пучки ионов с требуемым поперечным сечением,

2. повысить равномерность ионной обработки за счет применения пучков ионов с большим поперечным сечением,

3. сократить время технологического процесса за счет увеличения плотности ионного пучка и применения пучков с большим поперечным сечением.

Изобретение относится к области ионно-лучевой вакуумной обработке материалов и может быть использовано в плазменных источниках заряженных частиц и, в частности, в машиностроении для упрочнения режущего инструмента, повышения эксплуатационных свойств деталей машин и механизмов. Устройство источника плазмы несамостоятельного газового разряда с эффектом полого катода, содержащее полый катод основного разряда, анод основного разряда, полый катод вспомогательного разряда, устройство для подачи газа, ускоряющий электрод, коллектор, эмиссионное окно в виде сетки отличается тем, что эмиссионное окно выполнено в виде коаксиальных полых цилиндров, радиусы которых связаны соотношением R_n=nR, где n - порядковый номер цилиндра, начиная с первого, а длина L цилиндров связана с радиусом первого цилиндра соотношениемТехнический результат - повышение равномерности обработки крупногабаритных изделий и скорости процесса. 2 ил.

Устройство источника плазмы несамостоятельного газового разряда с эффектом полого катода, содержащее полый катод основного разряда, анод основного разряда, полый катод вспомогательного разряда, устройство для подачи газа, ускоряющий электрод, коллектор, эмиссионное окно в виде сетки, отличающееся тем, что эмиссионное окно выполнено в виде коаксиальных полых цилиндров, радиусы которых связаны соотношением

R_n=n⋅R,

где n - порядковый номер цилиндра, начиная с первого, а длина L цилиндров связана с радиусом первого цилиндра соотношением