Ионный источник (ионная пушка) Российский патент 2021 года по МПК H01J3/04 

Изобретение относится к области получения электронных и ионных пучков и может быть использовано в технике в технологических целях, например, при модификации поверхности материалов.

Известен / патент РФ 2209483 Белюк С.И., Дураков В.Г. / электронно-ионный источник с продольным извлечением частиц из отражательного разряда с холодными катодами, содержащий эмиттерный катод с эмиссионным отверстием и расположенный против него второй катод, анод, систему вытягивания и систему электропитания, отличающийся тем, что он снабжен двумя керамическими элементами с отверстиями, при этом один из элементов установлен в устье полого катода, а другой - в эмиттерном катоде в области эмиссионного отверстия, оба элемента установлены соосно с остальными электродами. В этом случае только два элемента устройства являются диэлектриками, способствующими улучшению параметров пушки. Однако эти элементы и другие диафрагмы ионной оптики снижают величину ионного тока. Металлические элементы ионной пушки нейтрализуют попавшие на них электроны и ионы, что снижает характеристики и экономичность. В этой и подобных пушках имеются электромагниты, которые потребляют энергию и снижают общую энергетическую эффективность (Вт/ион). В мощных пушках имеется система водяного охлаждения. Магнитная фокусировка создает большую плотность в центре пучка.

Известна / патент РФ 2128381 Матвиенко В.М., Потемкин А.В. /ионная пушка, содержащая расположенные в корпусе катод, выполненный в виде витка, подключенного к источнику тока и имеющего отверстия для вывода пучка, анод со скруглениями на торцах, расположенный внутри катода и имеющий плазмообразующие участки напротив отверстий катода, и поверхности анода и катода со стороны вывода ионного пучка изогнуты в виде части соосных цилиндрических поверхностей, отличающаяся тем, что содержит второй источник тока, виток катода выполнен составленным из двух пластин, при этом катодная пластина, имеющая отверстия для вывода ионного пучка, с обеих своих концов соединена с корпусом ионной пушки посредством штыревых гребенок, а вторая катодная пластина подсоединена к выводам двух источников тока разной полярности посредством штыревых гребенок, встречных к штыревым гребенкам первой пластины, вторые выводы источников тока соединены с корпусом пушки. Такая сложная и энергоемкая конструкция предназначена для направления ионов в определенном направлении без использования магнитной фокусировки. Предлагаемое ниже техническое решение позволяет получить потоки ионов также без магнитной фокусировки, но в большем диапазоне токов и напряжений ионного источника.

Наиболее близким к заявляемой ионной пушке является ионный источник /Гольдштейн 1879 г Большая Советская Энциклопедия т.19, с. 598 изд. второе 1953 г. / состоящий из анода, катода с отверстием, помещенных внутри стеклянного корпуса, высоковольтного источника питания, вакуумной и газовой системы. Устройство позволяло получать «каналовые лучи» (ионные пучки с энергией до 30 кВ). Однако стеклянный корпус ограничен в увеличении мощности, так как стекло не выдерживает тепловой нагрузки как из-за невысокой температуры плавления, так и может растрескаться из-за коэффициента термического расширения при локальных нагреваниях катода или анода. Величина ионного тока и потока быстрых нейтральных частиц ограничена размерами отверстий. Пучки ионов загрязняются материалом распыленного катода.

Задачей изобретения является повышение характеристик работы источника: ионного тока, а также прохождения высокоскоростных нейтральных частиц, что важно для увеличения дозы и производительности оборудования, надежности работы, повышения мощности, возможность создания пучков большой площади, повышение однородности распределения потока ионов и нейтральных частиц по площади, простота настройки и обслуживания. При ионно-лучевой обработке с целью легирования полупроводников требуются экспозиционные дозы порядка 10¹⁵-10¹⁶ см^-2, для изменения трибологических, механических, свойств поверхности металлов и конструкционных материалов на их основе необходимы дозы 10¹⁷-10¹⁹ см^-2.

Технический результат при осуществлении заявляемого изобретения достигается за счет отсутствия диафрагм, уменьшающих апертуру, и других препятствий ионному потоку и нейтральным частицам в конструкции источника, формирование направления потока осуществляется самой геометрией трубы. Вынос катода источника за пределы канала трубы устраняет возможность снижения потока ионов. Отражение высокоскоростных частиц под скользящими углами происходит, как правило, без потерь энергии /Г.П. Похил, В.П. Петухов, К.А. Вохмянина, Л.А. Жиляков, В.Б. Фридман, А.Ф. Тулинов, Транспортировка и фокусировка пучков заряженных частиц с помощью диэлектрических каналов // Изв. РАН, серия Физическая, 2006. Том 70, №6, с. 828-833./. Нами также были проверены и подтверждены возможности формирования направленных пучков частиц с помощью диэлектрической кварцевой или стеклянной трубы. Кварцевая труба является отличным диэлектриком, что важно для высоковольтного прибора, сохраняет механические свойства до температур 1200 С и может рассеивать значительную энергию и при менее напряженных режимах.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается таким образом: п. 1. Ионный источник, состоящий из анода, катода с отверстием, помещенных внутри стеклянного корпуса, высоковольтного источника питания, вакуумной и газовой системы, отличающийся тем, что корпус выполнен из диэлектрического вакуумного материала (преимущественно кварца), а катод выполнен в виде кольца и расположен в конце корпуса внутри вакуумной камеры

2. Источник ионов по п. 1, отличающийся тем, что корпус выполнен из кварцевой цилиндрической трубы, а катод закреплен снаружи цилиндрической трубы ионного источника и расположен внутри вакуумной камеры.

3. Источник ионов по п. 1, отличающийся, что для генерации (эмиссии) электронов на поверхности диэлектрика в месте касания катода нанесена островковая пленка.

4. Источник ионов по п. 2,отличающийся, что для генерации (эмиссии) электронов на поверхности диэлектрика в месте касания катода нанесена островковая пленка.

На рис. 1 изображен один из вариантов заявляемого ионного источника (ионной пушки).

1 - катод, 2 - кварцевая труба, 3 - анод, 4 - островковая пленка, 5 - вакуумная камера, 6 - трубка для соединения с натекателем газа газовой системы

Работа источника. При включении высокого напряжения и наличия газа источник начинает работать. Обрабатываемая деталь находится перед катодом и имеет потенциал катода. Деталь может поворачиваться при обработке. Источник может работать в диапазоне давлений от 10² Па до 10^-1 Па, Диапазон напряжений в котором проверялась работа источника от 400 В до 60 кВ. Диапазон токов до 1 А на низком напряжении. Для работы на высоком напряжении возможно использование импульсного режима. При давлении газа в диапазоне ниже 1 Па, при работе в режиме высоковольтных импульсов, целесообразно нанесение двумерной островковой пленки в месте касания катода стенки кварца, так чтобы протяженность островковой пленки от кольцевого катода по направлению к аноду составляла 3-7 миллиметров. В этом случае островковая структура пленки создает большие напряженности поля и является эмиттером электронов. Источник ионов как правило работает без магнитов. Для повышения ионного тока при низких давлениях при необходимости возможно размещение внешних магнитов. Источник создает направленный поток ионов и нейтральных частиц в с энергиями от максимальной, в зависимости от потенциала высоковольтного блока. Направление и размеры пучка ионов и нейтральных частиц осуществляется за счет необходимой геометрии кварцевого корпуса. Сепаратора по энергиям не предусмотрено с целью увеличения дозы. Имплантироваться в материал могут как ионы так и нейтральные частицы. Испытывались ионные источники с диаметром внутренней поверхности трубки 30 мм, и 60 мм.

В процессе использования ионных пушек заявляемой конструкции удавалось повысить микронанотвердость образцов стали, слоистых твердых покрытий карбонитридов титана-алюминия твердосплавных инструментов.

Изобретение относится к области получения электронных и ионных пучков и может быть использовано в технике в технологических целях например, при модификации поверхности материалов. Ионный источник состоит из стеклянного корпуса, анода с одной стороны корпуса, катода с отверстием с другой стороны корпуса, высоковольтного источника питания, вакуумной и газовой системы. Катод выполнен в виде кольца, обеспечивающего максимальную апертуру, и расположен в конце цилиндрического корпуса источника ионов со стороны вакуумной камеры, и внутри вакуумной камеры, а корпус выполнен из диэлектрического вакуумного материала. Технический результат - повышение производительности оборудования, надежности работы и однородности распределения потока ионов и нейтральных частиц по площади. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Ионный источник, состоящий из стеклянного корпуса, анода с одной стороны корпуса, катода с отверстием с другой стороны корпуса, высоковольтного источника питания, вакуумной и газовой системы, отличающийся тем, что катод выполнен в виде кольца, обеспечивающего максимальную апертуру, и расположен в конце цилиндрического корпуса источника ионов со стороны вакуумной камеры, и внутри вакуумной камеры, а корпус выполнен из диэлектрического вакуумного материала.

2. Источник ионов по п. 1, отличающийся тем, что корпус выполнен из кварцевой цилиндрической трубы, а катод закреплен снаружи цилиндрической трубы ионного источника и расположен внутри вакуумной камеры.

3. Источник ионов по п. 1, отличающийся тем, что для генерации (эмиссии) электронов на поверхности диэлектрика в месте касания катода нанесена островковая пленка.

4. Источник ионов по п. 2, отличающийся тем, что для генерации (эмиссии) электронов на поверхности диэлектрика в месте касания катода нанесена островковая пленка.