ИСТОЧНИК ИОНОВ ГАЗОВ Советский патент 1995 года по МПК H01J3/04 

Изобретение относится к устройствам для получения интенсивных пучков ионов газов и может быть использовано для ионно-лучевой технологии в вакууме.

Целью изобретения является увеличение электрической экономичности и эффективности источника ионов путем снижения расхода газа при запуске источника и увеличения площади эмиссионной поверхности с равномерным распределением плотности тока ионов.

На чертеже схематично изображен источник ионов.

Он содержит анод 1 и полый катод, образованный диафрагмой 2 с осевым отверстием диаметром d, полым цилиндром 3 диаметром d₁ и противоположным аноду перфорированным эмиссионным электродом 4. Между полым катодом и анодом установлены электрод-отражатель 5 с осевым контрагирующим отверстием диаметром d₂ и дополнительный полый анод 6. Ферромагнитные диафрагма 2 и отражатель 5 совместно с дополнительным анодом 6 и катушкой электромагнита 7 образуют ячейку Пеннинга. В эмиссионном 4 и ускоряющем 8 электродах выполнены соосные отверстия, которые образуют многоапертурную ионно-оптическую систему. Напуск ионнообразующего газа в разрядный промежуток осуществляется через каналы в анодах 1 и 6 от отдельных регулируемых натекателей. Диэлектрические кольца 9-12 служат одновременно для электрической изоляции между электродами и для герметизации разрядной камеры. Откачка разрядной камеры осуществляется через апертуры ионно-оптической системы. Отбор ионов в пучок, как следует из рисунка, осуществляется с катодной стороны разрядной камеры. Отражатель 5 и дополнительный анод 6 подключены через резисторы R₁ и R₂ к полому катоду и аноду соответственно.

Источник ионов работает следующим образом.

Устанавливается напуск ионнообразующего газа через аноды, чтобы давление в ячейке Пеннинга составляло не менее 0,1 Па. После подачи напряжения между полым катодом и анодом ≈ 500 В и введения магнитного поля первоначально зажигается отражательный разряд в ячейке Пеннинга. Пеннинговский разряд возбуждает полый катод, и внутри него образуется редкая катодная плазма, отделенная от более плотной плазмы пеннинговского разряда первым двойным слоем (сферической формы), который возникает с катодной стороны отверстия в диафрагме 2 из-за значительного изменения поперечных размеров разряда. Ограничение тока в цепи дополнительного анода 6 приводит к перебрасыванию разряда на анод 1 через контрагирующее отверстие в отражателе 5. С катодной стороны контрагирующего отверстия возникает второй двойной слой между пеннинговской плазмой и плазменным сгустком в контрагирующем отверстии.

Неоднородное магнитное поле в области отверстия диафрагмы 2 способствует увеличению напряжения на первом двойном слое и увеличивает его выпуклость в направлении эмиссионного электрода 4. При
d=
обеспечивается многократная осцилляция ионизирующих электронов, выбиваемых со стенок в полом катоде, и практически полное использование энергии электронов, приобретенной в катодном падении, на ионизацию, благодаря чему каждый электрон, выбитый из катода, производит (α₁-1)≈ ≈U_k/ΔU_α новых электронов в полости (α₁ коэффициент размножения в 1 каскаде, U_k катодное падение потенциала; Δ U средние затраты энергии электрона на акт ионизации ≈ 40 В для аргона). Все электроны, прошедшие первый двойной слой с напряжением U_c1, получают дополнительную энергию и способны производить ионизацию внутри дополнительного анода 6 при многократной их осцилляции вдоль магнитного поля между диафрагмой 2 и отражателем 5, на которые электроны не попадают из-за потенциального барьера, а магнитное поле препятствует движению электронов на дополнительный анод 6. Произведя
α₂-1 ≃
новых электронов в объеме трубки Пеннинга, электроны попадают во второй двойной слой на входе контрагирующего отверстия электрода-отражателя 5 с напряжением U_c2, приобретают дополнительную энергию, возбуждают пучково-плазменные колебания в плотной прианодной плазме, энергия этих колебаний передается тепловым электронам, увеличивая их ионизирующую способность и обеспечивая в этой области производство
α₃ 1 ≈ U_c2/ ΔU
новых пар заряженных частиц.

Для открытой системы электродов в сторону эмиссии ионов в пучок при выполнении условия
d=
и с учетом приведенного выше механизма объемной генерации заряженных частиц (размножения электронов) можно записать условие существования трехкаскадного разряда
b γ(α₁, α₂, α₃ 1) 1 по аналогии с условием существования двухкаскадного разряда (см. Никитинский В.А. Журавлев Б.И. Условия существования разряда с холодным катодом, контрагированного в скрещенных полях. ЖТФ, 1982, т.52, N 5, с.896-899):
b γ(α₁,α₂ 1) 1; где b доля ионов, генерируемых разрядом и попадающих на стенки катодной полости;
γ ≈ 0,1 коэффициент ионноэлектронной эмиссии.

Напряжения на разрядах можно оценить соотношениями;
на трехкаскадном U_p3≃ΔU(α₁+α₂+α₃ 3);
на двухкаскадном U_p2≃ΔU(α₁+α₂+α₃ 2), где ΔU усредненные затраты энергии на образование пары ион-электрон в разряде на один ионизирующий электрон.

Если принять для двухкаскадного разряда α₃ 2 и α₁=10, для трехкаскадного α₃ 2 и α₁ α₂ 3,3 и характерные для разрядов низкого давления: Δ U 40 В, γ 0,1, b 0,5, то можно оценить величины U_P2 400 B, a U_Р3 260 В.

Условие d позволяет обеспечить бесстолкновительный пробег ионов из зоны их образования до эмиссионной поверхности.

Таким образом, в предложенном источнике ионов реализована экономичная трехкаскадная схема последовательного объемного размножения электронов, обеспечивающая снижение "цены иона" в разряде, и открытая с увеличивающимся размером выходных апертур система для выхода ионов из зон их генерации с минимальными потерями, что приводит к увеличению электрической экономичности. Изменением потоков ионообразующего газа в аноды и сопротивлений, через которые подключены отражатель к катоду и дополнительный анод к аноду, можно перераспределять напряжение разряда, а с ним и вклады в объемную генерацию заряженных частиц между каскадами, управлять формой двойных слоев и добиваться равномерного распределения высокой плотности тока ионов на эмиссионной поверхности.

Изобретение предназначенное для получения интенсивных пучков газов и может быть использовано для ионнолучевой технологии в вакууме. Цель - увеличение электрической экономичности и эффективности источника путем снижения расхода газа для запуска источника и увеличения площади эмиссионной поверхности с равномерным распределением плотности тока ионов. Для этого стенка с контрагирующим отверстием d₂ выполнена в виде изолированного электрода-отражателя, а на полый катод диаметром d₁ со стороны анода установлена диафрагма с осевым отверстием диаметров, равным при этом отражатель и диафрагма являются полюсами магнитной системы, между которыми введен дополнительный анод в виде полого тела вращения. 1 ил.

ИСТОЧНИК ИОНОВ ГАЗОВ, содержащий многоапертурную ионнооптическую систему, размещенную с катодной стороны разрядной камеры, полый анод, полый катод диаметра d₄ с контрагирующим отверстием диаметром d₂ в обращенной к аноду стенке, удовлетворяющим условиям


где M относительная атомная масса газа;
I_i ток ионов пучка на выходе из источника ионов;
H осевой размер катодной полости;
h высота контрагирующего отверстия,
источники питания цепей разряда и ионно-оптической системы, систему подачи рабочего газа через анод и магнитную систему, отличающийся тем, что, с целью увеличения энергетической эффективности источника ионов за счет снижения энергетической цены иона, увеличения газовой экономичности, повышения равномерности распределения плотности ионного тока пучка при одновременном увеличении его поперечного размера, стенка с контрагирующим отверстием диаметром d₂ выполнена в виде электрически изолированного ферромагнитного электрода-отражателя, а между полым катодом и отражателем установлена ферромагнитная диафрагма под потенциалом катода с осевым отверстием диаметром при этом отражатель и диафрагма образуют полюса магнитной системы, между которыми размещен дополнительный полый анод с отверстием для подачи рабочего газа, при этом отражатель и дополнительный анод подключены через резисторы соответственно к катоду и основному аноду.