ИСТОЧНИК ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ Советский патент 1995 года по МПК H01J3/04 

Изобретение относится к технологическим газоразрядным источникам заряженных частиц и может быть использовано для обработки материалов в вакууме.

Целью изобретения является увеличение эффективности извлечения и равномерности распределения плотности тока по сечению пучка.

На чертеже схематично изображен продольный разрез источника заряженных частиц, в котором в качестве катода может быть использован любой тип, например горячий пол
ый катод, катод с подогревателем или холодный катод.

Источник содержит катод 1 из тугоплавкого материала с капиллярным выходным каналом 2. Внутренняя полость катода заполнена гексаборидом лантана. Катод 1 имеет стартовый подогреватель 3 и через изолятор 4 герметично соединен с промежуточным электродом 5, имеющим отверстие 6, соосное с катодом 1. В стенке промежуточного электрода 5, обращенной к катоду 1, выполнено дополнительное отверстие 7, соосно с которым со стороны катода 1 расположен анод 8, герметично соединенный с промежуточным электродом 5 через изолятор 9. С промежуточным электродом 5 соединен многоапертурный эмиссионный электрод 10, соосно с которым через изолятор 11 установлен многоапертурный ускоряющий электрод 12. Промежуточный электрод 5 электрически соединен с анодом 8 через резистор с сопротивлением R=200 Ом. Напуск рабочего газа производится раздельно через катод 1 и анод 8. Электрическое питание разряда осуществляется с помощью источника 13, включенного между катодом 1 и анодом 8. Анодов может быть несколько (на чертеже не показаны), при этом они равномерно размещены по окружности вокруг катода, расположенного, например, по оси источника заряженных частиц. В цепи каждого анода устанавливают регулировочный реостат. Все аноды через регулировочные реостаты подключены к источнику питания разряда, и каждый из них имеет раздельный регулируемый напуск газа. Для получения пучка ионов на промежуточный электрод 5 относительно ускоряющего электрода 12 подают высокий положительный потенциал, а для получения пучка электронов отрицательный с помощью источника питания 14.

Источник заряженных частиц работает следующим образом.

Устанавливается расход газа (аргона) раздельно в катод и в анод. После разогрева катода от стартового подогревателя 3 подачей напряжения от источника питания 13 зажигают дуговой разряд с током ≈ 2 А и напряжением 90 В между катодом 1 и анодом 8 через отверстия 6 и 7 промежуточного электрода 5. После зажигания разряда стартовый подогреватель 3 отключают. Сжатие разряда отверстиями 6 и 7 приводит к возникновению в них двойных электростатических слоев. В отверстие 6 двойной электростатический слой выгнут в сторону катода 1 и ускоряет электроны через отверстия 6 на плазменную эмиссионную границу, расположенную в плоскости отверстий эмиссионного электрода 10. Электроны, выходя на эмиссионную границу, приобретают высокую ионизирующую способность генерируют на своем пути ионы, которые за счет диффузии также попадают на эмиссионную границу.

В дополнительном отверстии 7 образуется второй двойной электростатический слой, выгнутый в сторону эмиссионной границы. Ионы, вышедшие из анодной области и ускоренные двойным электростатическим слоем, через дополнительное отверстие 7 выходят расходящимся потоком на эмиссионную границу. Оба двойных электростатических слоя расположены в разрядной цепи между катодом 1 и анодом 8 последовательно, поэтому при том же разрядном токе, что и в прототипе, на плазменную границу выходит не только ускоренный поток электронов, но и ускоренный поток ионов, что повышает эмиссионную способность плазмы, следовательно, и эффективность извлечения источника заряженных частиц. Каждый из ускоренных двойным слоем потоков электронов и ионов, выходящих на плазменную границу, создает на ней распределение плотности плазмы с максимумом по оси потока. Так как оси потоков не совпадают, то результирующее распределение плотности плазмы на эмиссионной границе в результате суперпозиции двух распределений обеспечивает более высокую равномерность плотности плазмы, а значит, и плотности тока по сечению пучка.

Равномерность распределения плотности тока по сечению пучка может быть еще более увеличена при равномерном расположении вокруг катода, размещенного, например, по оси источника заряженных частиц, нескольких анодов. С помощью регулировочных реостатов, находящихся в цепи каждого из анодов, производят выравнивание потенциалов анодов, обеспечивающее горение дугового разряда одновременно на все аноды. Ток разряда распределяется между всеми анодами. Соосно с каждым анодом в промежуточном электроде выполнены дополнительные отверстия, в каждом из которых образуется двойной электростатический слой, ускоряющий на плазменную границу потоки ионов, выравнивающие распределение плотности плазмы на всей эмиссионной поверхности.

Проведены испытания прототипа и предложенного источника заряженных частиц с одним анодом и двумя анодами при токе дугового разряда 2 А и ускоряющем напряжении 10 кВ. В конструкции источника с одним анодом катод и анод расположены симметрично относительно оси источника заряженных частиц. В конструкции источника с двумя анодами катод расположен по оси источника заряженных частиц, а по окружности вокруг катода и симметрично относительно него размещены два анода. В катоде диаметром 3 мм выполнен капиллярный канал диаметром 0,2 мм и длиной 2 мм. Катод расположен на расстоянии 10 мм от промежуточного электрода. Отверстие в промежуточном электроде, соосно с катодом, выполнено диаметром 2 мм. Расстояние между этим отверстием и дополнительным отверстием диаметром 4 мм в промежуточном электроде составляет 55 мм, а в источнике заряженных частиц с двумя анодами расстояние между двумя дополнительными отверстиями составляет соответственно 110 мм. Анод удален от промежуточного электрода на 2 мм. Диаметр эмиссионного электрода 150 мм. Ускоряющий электрод расположен на расстоянии 2 мм от эмиссионного электрода.

Проведенные испытания показали, что предложенный источник заряженных частиц обеспечивает с одним анодом ток пучка 200 мА при равномерности распределения плотности тока по сечению пучка 70% а эти параметры в прототипе составляют соответственно 105 мА и 50% Эффективность извлечения в предложенном источнике заряженных частиц составляет ≃ 10% а в прототипе ≃ 5% В источнике заряженных частиц с двумя анодами равномерность распределения плотности тока по сечению пучка еще более возрастает и составляет 80%
Таким образом, предлагаемый источник заряженных частиц обеспечивает увеличение эффективности извлечения и равномерности распределения плотности тока по сечению пучка.

Изобретение относится к технологическим газоразрядным источникам заряженных частиц. Цель изобретения - увеличение эффективности извлечения и равномерности распределения плотности тока по сечению пучка. Источник заряженных частиц содержит катод, промежуточный электрод с отверстием, соосным с катодом, анод, эмиссионный и ускоряющий многоапертурные соосные электроды. В стенке промежуточного электрода, обращенной к катоду, выполнено дополнительное отверстие, соосно с которым со стороны катода расположен анод, причем анод и катод размещены в герметичных полостях, соединенных с промежуточным электродом. С целью увеличения равномерности распределения тока по сечению пучка несколько анодов равномерно размещено вокруг катода. 1 ил.

1. ИСТОЧНИК ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ, содержащий катод, промежуточный электрод с контрагирующим отверстием, соосным с катодом анод, эмиссионный и ускоряющий многоапертурные электроды, установленные соосно, отличающийся тем, что, с целью увеличения эффективности извлечения потока заряженных частиц и равномерности распределения плотности тока по сечению пучка, в стенке промежуточного электрода, обращенной к катоду, выполнено по крайней мере одно контрагирующее отверстие, соосно которому со стороны катода расположен анод, причем анод и катод установлены в герметичных полостях, электроизолированных от промежуточного электрода. 2. Источник по п.1, отличающийся тем, что аноды размещены вокруг катода равномерно по окружности.