Источник ионов Советский патент 1990 года по МПК H01J3/04 

.1

Изобретение относится к источникам ионов и может найти применение в ускорительной технике, в радиационной физике для улучшения физико- химических свойств полупроводников, диэлектриков и металлов путем имплан тации в нриг различных примесей в виде ускоренных ионов. . . ,.,.

Целью изобретения является упрощение конструкции и повышение надеж-j ности работы источника ионов.

10

15

20

25

На чертеже схематично изобЕ а кен источник ионов.

Источник ионов содер|сит цапивдри ческий катод 1, анод 2, мелкострукг турку сетку 3, поджигаюп электрод Б 4, изолятор 5, коллектор 6 ионов, . высоковольтный импульсный трансфера матор 7 с дополнительной )ткoй, систему 8 питания резисторы 9 м 10, емкости 11 и 2, диод 13.

На цшшндрнческом катоде 1 коаксн ально расположен поджигакщий электрод А. Электрическая изоляция между като- дон 1 и поджигающим электродом 4 ч: ;обеспечивается с помощью изоля тора 5« |Соаксиально с катодом расположен Iанод 2, торцовая поверхность которого со стороны, противоположной катоду il, закрыта мелкоструктурной сеткой 3 Коллектор 6 ионов расположен параллельно мелкоструктурной сетке 3 на некотором расстоянии от нее. Система 8 пита1шя подключена к выводам первичной обмотки трансформатора 7. Высоковольтный вывод трансформатора 7 подключен через резистор 9 к катоду 1 , а вывод дополнительной обмотки высоковольтного трансформатора 7 подключен к аноду 2. Между анодом 2 и подткигающим электродом 4 последовательно включены емко.сть 12 и диод 13, Параллельно емкости 12 подкпюче- :на емкость 11.

Устройство работает следующим образом. I При включении системы питания на J первичной обмотке импульсного трансформатора вьщеляется импульс напряжения и, На вторичных обмотках им- ;пуль,сного трансформатора 7 с .учетом соотношения витков в первичной обмотке W и вторичных (основной Wj, и дополнительной Wj) и коэффициента

использования трансформатора К форми- руются напряжения Uj. Or дополнительной обмотки импульсного трансформатора 7 заряжаются емкости И и 12 через резистор 9 (с сопротивлегаем) ,R) с постоянной времени зарядки i,(C, +€ ,,) , Выбранное соотноше- ;ние eMKOcTei i См-7/10 С... обеспечивает

30

35

40

5

50

11

условие преимущественного выдел1ения зарядного напряжения на емкости И. Отношение напряжений UG u выделяющихся на емкостях 11 и 12 при зарядке, обратно пропорциойш:ьно соотношению емкостей, т.е. MC.. С it/С 11 о

1-1

5

5

0

5

0

5

0

5

При достижении напряжением и с , на емкости 11 величины, соответствующей пробивному напряжению Upp по поверхности изолятора 5 происходит про бой зазора между катодом I и поджигающим электродом 4. В результате пробоя между электродами I и 4 формируется низковольный дуговой разряд с катодным пятном на катоде 1, Плазма дугового разряда начинает расширяться в сторожу анода. 2. Напряжение Uc., : на емкости С.,, падает до величины, соответствующей падению напряжения на дуговом разряде. Емкость С, продолжает заряжаться по плазменному каналу через резнстор R с постоянной времени ,C,j. Плазма дугового разряда при расширении достигает анода 2. Между катодом 1 и анодом 2 зажигается дуговой разряд. Учитывая, что напряжение горения Ua дугового вакуумного разряда в зависимости от ; материала катода и анода, а также геометрических размеров изменяется в пределах ио 5-150 В, горение дугового разряда между катодом 1 и поджигающим электродом 4 прекратится, ког да величина падения напряжения на емкости С 4 превысит величину напряжения на дуговом разряде между катодом 1 и анодом 2. Таким образом, необходимо, чтобы к моменту достиже-. кия плазлой анода 2 емкость C/i зарядилась до напряжения, превышающего падение напряжения на дуге Ua между анодом 2 и катодом I,

Соотношение, определяющее данное условие, можно получить исходя из следующих соображений. После пробоя промежутка между катодом 1 и-поджигающим электродом 4 плазма, фор1(шруе- мая катодным пятном вакуумной дуги, достигнет анода 2 за время

,(О

V ПЛ

где L - расстояние от катода 1 до

аиода 2; Vf,A - скорость распространения

плазмы от катода к аноду. Исходя из условия, что за .время, распространения плазмы ut емкость должна зарядиться дЬ напряжения Up,j превышающего напряжение горения дуги

Uc,.

С в линейном

la между катодом И анодомj .получаем

at --

и,

(2)

прибл1:жении заряда

емкости Сл1 в начальный период получаем с учетом, что I

KWaUiL

С„ откуда следует

г . KWjU.L

- 17 .1 . тт

KWiU

V,-R;

w,R,v,Ug

(3)

(4)

где К - коэффициент использования

трансформатора;

К. Wj - число витков в первичной и дополнительной обмотках, трансформатора, соответственно;

и, - напряжение в первичной обмотке трансформатора. В этом случае, при достижении плазмой анода 2 формируется основно дуговой разряд между катодом 1 и анодом 2, Ток дуги определяется Соотношением

I

1

R.

Учитывая, что V это время пре вьшает падение напряжения на основно дуговом разряде, .разряд между катодо 1 и поджигающим электродом 4 прекращается .

В то я(е время диод 13 препятствуе уменьшению разности потенциалов на емкости С j до величины, соответст- . вующей падению напряжения на дуге между катодом и анодом 2. Обрыв тока разрядной емкости С через поджигающий электрод исключает возможг ность формирования катодного пятна на его поверхности, что, в свою очередь, обеспечивает генерацию чистого ионного пучка только из материала катода.

При выходе плазмы за пределы мелкоструктурной сетки 3 в зазоре между электродом 6 и сеткой 3 анода 2 происходит ускорение ионов. Энергия ионон при этом определяется величиной потенциала анода 2.

Величина тока ускоренных ионов в такой системе источника достига1ет 10% от тока дуги.

Случайный обрыв дугового разряда между катодом 1 и анодом 2 приводит к резкому повьппенню напряжения между катодом 1 и анодом 2. При этом, снова начинается зарядка емкостей С и С, с последующим пробоем по поверхности изолятора и повторным инициированием дугового разряда между катодом 1 и анодом 2, Процесс многократного инициирования дугового разряда в случае

559266

его обрыва будет происходить до тех пор, пока величина напряжения на емкости С12 не станет равной

5 Uc,t-U5-Unp«( ).

. и.

Для того, чтобы процесс иницииро. , вания мог происходить в течение, всей длительности импульса ускоряющего IQ, напряжения , необходимо, чтобы ЕЫ- полнялось условиеI

,

15

0

Uc,, Учитьшая, что

и,

-i W,R,C,a

при условии dt fy получаем условие, ограничивающее С ц снизу

С 7/

KW3Uivn

w,R,(ejb-u.,)

или

30

40

25

5

с,-,7

5

0

р г.-JLnpWy- ч

1 щгг

в общем случае величина емкости С,г должна удовлетворять соотношению

KWjUiL liL

W,R,V,U5 .,:UnpW, i

KW,U,

После окончания импульса ускорякг щего напряжения происходит разрядка конденсатора С через резистор R /10/ с постоянной времени ), . Соотношение параметров выбирается таким образом, чтобы к моменту прихода следующего импульса при час-, тотном режиме работы, емкость С успела разрядиться. Дая этого необходимо выполнить Условие

RiC(2 J /

где f - частота следования импульсов. ,

Таким образом, в предлагаемом уст ройстве процесс инициирования- плазмы осуществляется не только в начале i импульса напряжения, но и по мере обрыва основного дугового разряда, что существенно повышает надежность устройства и увеличивает его КПД. Кроме того, самосогласованный режим , генерации плазмы и ускорения ионов от одного импульсного трансформатора с дополнительной обмоткой не требует систем синхронизации, что упрощает устройство и повьппает его надежность.

При малых токах дугл в несколько единиц -1лпи десятков ампер, когда вероятность обрыва тока оказывается

очбиь большой по сравнению с прототипом, в предлагаемом источнике ионов КПД может быть увеличен,более, чем . на порядок.

Формула и.зобретения

Исчгачник ионов, содержащий ципянд- ипеский катод, коаксиально распшю- .Ькенный с ним поджигающий электрод,, |мен5ду которыми помещен изолятор, вирду ;торцовая поверхность которого LCO TOpoHM, протиаопсЗложной катоду,. закрыта мелкоструктурной сеткой, кол|яек1чэр ионов, импульсиьй трансформа- тдр с системой питания, высоковольтный вывод которого соединен с катодом, отличаю щийся тем, что, с целью упрощения конструкции и повьшения надежности работы источи Нйка, импульсный трансформатор снаб- iжен дополнительной обмоткой и дополнительно введены два резистора, две емкости и диод, при этом высоковольт ньй выбрд трансформатора вместе с первым выводом дополнительной обм:от- ки подключен через резистор R; к ка- jтоду, второй вывод дополнительной об | мотки подключен к аноду, между кат о- дом и под гающим электродом В1шючен

емкость С , к поджигающему электроду подключен катод диода, анод которого через параллельно соединенные емкость и резистор иг соединен с анодом устройства, причем емкости С и С выбраны из условий

С, J RjCf il/f;

KWjU iL

7/ С 7/

u

W.V.RiU Я V KWjU, J

где f - частота следования импульсов; К - коэффициент использования

трансформатора; Wj - число витков в дополнительной

обмотке;

W, - число витков в первичной обмотке трансформатора; и., - напряжение на первичной обмотке;L - расстояние между катодом и

анодом; V. - скорость распространения

ПА

плазмы от катода к аноду; Uq - напряжение горения вакуумной дуги; - . : -Су - длительность импульса ускоряющего напряжения; . Uf.p - напряжение пробоя по поверхности изолятора между катодом и поджигакйцим электродом

Изобретение относится к источникам ионов и может найти применение в ускорительной технике, в радиационной физике, для улучшения физико-химических свойств полупроводников, диэлектриков и металлов путем имплантации в них различных примесей в виде ускоренных ионов. Целью изобретения является упрошение конструкции и повышение надежности работы уа. Источник ионов содержит цилиндрический катод, коаксиально расположенный с ним керамический изолятор, поджигающий электрод, анод, коллектор ионов, импульсный трансформатор, высоковольтный вывод которого электрически подсоединен к катоду. В отличие от известных устройств к высоковольтному выводу импульсного трансформатора подключена дополнительная, выполненная на том же сердечнике обмотка, и общий вывод основной и дополнительной обмоток подключен через резистор R₁ к катоду, а второй вывод дополнительной обмотки подключен к аноду, катод и поджигающий электрод соединены емкостью C₁, поджигающий электрод через диод и параллельно соединенные емкость C₂ и резистор R₂ соединены с анодом. Величин емкостей C₁ иС₂ определяется соотношениями между основными параметрами устройства. При этом процесс инициирования плазмы осуществляется не только в начале импульса напряжения, но и по мере обрыва основного дугового разряда. Самосогласованный режим генерации плазмы и ускорения ионов от одного импульсного трансформатора не требует систем синхронизации. 1 ил.