Источник ионов Советский патент 1991 года по МПК H01J27/00 

Изобретение относится к газоразрядным устройствам для получения интенсивных пучков ионов различных газов и предназначено к использованию в ионно-лучевой технологии и для научных исследований в вакууме.

Целью изобретения является повышение эффективности путем увеличения интенсивности пучка ионов различных газов, включая химически активные, в отсутствие принудительного охлаждения источника ионов.

Устройство поясняется чертежом, на котором схематично изображен источник ионов. Источник ионов содержит анод 1, полый катод 2 из тугоплавкого материала, линейный размер которого Н. В стенке катода, обращенной к аноду, выполнено контрагирующее отверстие 3 диаметром d и высотой h. Через отверстия в противоположной стенке катода производится токоотбор ионов в пучок извлекающим электродом k. Металлоке- рамические узлы 5, вакуумноплотно проваренные по швам, служат для электрической развязки электродов разрядной камеры. Напуск рабочего газа производится со стороны анода 1, а его откачка - через отверстия в электродах 2 и 4.

Источник ионов работает следующий образом.

О1

О

в М

Разряд возбуждается импульсным напуском газа после установления между катодом 2 и анодом 1 напряжения Ир%.400 В и расхода газа см /ч х 5 хатм. На начальной стадии разряда в полости катода генерируется плазма, экранируемая от стенок катода слоем катодного падения потенциала величиной UR 300 В, а с катодной стороны ю контрагчрующего отверстия 3 образуется двойной слой с напряжением Ut в несколько потенциалов ионизации. Электроны плазмы в полом катоде, попадая на границу двойного слоя, уско- fs ряются до энергии е Uc и инжектируются в виде пучка плотностью ng в область контрагирующего отверстия 3. Проходя сквозь нейтральный газ, электронный пучок создает в результате пар-20 ных соударений начальную плазму с плотностью пе порядка плотности пучка в области контрагирующего отверстия 3. Цри взаимодействии пучка с этой плазмой начинают развиваться неустой-25 чивости, и в электрических полях колебаний, возбуждаемых при неустойки- востях, электроны плазмы приобретают энергию, достаточную для ионизации |и подключаются к процессу ионизации 30 jрабочего газа в контрагирующем отвер- (стин 3. Плотность пе плазмы растет до тех пор, пока релаксация пучка по энергии не начнет происходить только за счет коллективных взаимодействий. 35 Последнее реализуется при выполнении в контрагирующем отверстии 3 условий h, где -Л - длина свободного пробега электронов пучка, ah- высота контрагирующего отверстия 3, соответ- ДО ствующая характерному размеру плазмы в направлении оси и толщине слоя рабочего газа в этой области, и J1 еа где К - инкремент плазменно-пучковой неустойчивости, eq - частота электрон-4 атомных столкновений плазменных электронов. Кроме того, высота h должна превышать длину квазилинейной релаксации при коллективных взаимодействиях .5

г - дебаевский радиус плазмы в контрагирующем отверстии 3, что обеспечивает передачу до 70% энергии пучка плазменным электронам. Ионы плотной плазмы в контрагирующем отверстии 3, поступая на границу двойного слоя, ускоряются его полем и в виде расходящегося направленного потока движутся к границе отбора в пучок. Таким образом, происходит формирование в .источнике ионс/в предуско- ренной компоненты. Кроме нее в пучок отбираются ионы из плазмы в полом катоде и, в общей сложности, ток пучка ионов достигает 0,1 части тока разряда.

. Организация разряда в источнике ионов по двухкаскадной схеме, когда объемная генерация заряженных частиц происходит как в полом катоде У - электронами со стенок катодной полост осциллирующими в ней после ускорения в слое катодного падения потенциала, п так и при плазменно-пучковых взаимодействиях в контрагирующем отверстии 3, с коэффициентом размножения больше двух в каждой области (каскаде), поддерживает затраты энергии на генера-, цию одного иона в разряде не выше 340 эВ. За счет эт-ого в совокупности с эффективным токоотбором в пучок электрическая экономичность источника ионов составляет 0,3 мА/Вт.

Учитывая, что у : (dpe (ng/ne)1r , гдеСОпе- плазменная частота в контрагирующем отверстии 3, a veq nq Ue Gea гДе na плотность газа, - -сечение электрон-атомных столкновений и na Q(KTQAd2) (Q - расход газа, Ta - температура газа, А

9,17-|Та/М, М - молекулярная масса газа, К- - постоянная Больцмана), получим для диаметра d из условия ограничение снизу

, ъ xQ Vetfea J

d (йта-5;тпв7й;у)

Изобретение относится к газоразрядным устройствам для получения интенсивных пучков ионов различных газов и предназначено к использованию в ионно-лучевой технологии и для научных исследований в вакууме. Целью изобретения является повышение эффективности источника ионов путем увеличения интенсивности пучка ионов в отсутствии принудительного охлаждения. Она достигается в источнике ионов, включающем анод, полый катод с кон- трагирукщим отверстием со стороны анода, извлекающий электрод, тем, чть диаметр d и высота h контрагирующего отверстия выбираются из соотношений d 0,1Н, 6.(dAJl) h Ј 34(d2/b- |M),где М - относительная атомная масса;Н - линейный размер полого катода;1 - полный ионный ток. 1 ил. СО

- ПР VP 1 , пв , Vbx, г--Ј (---(-гг-)г) ,

В Пв Va П„ Vo

В

где V$ (eUc/2m) - скорость электнов пучка;

V - скорость плазменных электронов;

где ... - знак среднего.значения. Сверху диаметр ограничен условием возникновения двойного слоя при конт- рагировании отверстием разряда с по-. лым катодом без магнитного поля: d -С 0,1Н. Из условия h для высоты h, с учетом fl (no CTeq ), верхний предел примет вид:

5

h OJKT )

156174/4

-Q w uea /электрод, отличающийся

тем, что, q целью повышения эффектнвПриведенные соотношения для диа- иости источника ионов за счет увели- метра d и высоты h контрагирующего j чения интенсивности пучка ионов, диа- отверстия могут быть выражены через метр d и высота h контрагирующего фиксированные, легко измеряемые веля- отверстия выбираются из соотношений

чины

i

5-10 V|7Tl7 d -с 0,1Н б-Ю- -Й- h Ј

10

34

d1

где H - относительная атомная масса; 15

Ij - полный ионный ток.

5 1(ГМм ; d 0,1Н

б-Ю- -Дг h , 4

где М - относительная атомная масса/

d - диаметр контрагирующего отверстия, М{

Формула изобретения

Источник ионов, включающий анод, 20 полый катод с контрагирующим отверстием со стороны анода, извлекающий

5 1(ГМм ; d 0,1Н

б-Ю- -Дг h , 4

где М - относительная атомная масса/

d - диаметр контрагирующего отверстия, М{

h - высота контрагирующего отверстия, м;

Н - линейный размер полого катода}

1 - полный ионный ток на выходе из источника.

/ 5 2