ИСТОЧНИК ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ Советский патент 1995 года по МПК H01J27/00 

Изобретение относится к газоразрядным технологическим установкам, в частности к источникам заряженных частиц, может быть использовано для обработки материалов в вакууме и является усовершенствованием известного источника, описанного в авт. св. СССР N 1568793.

Целью изобретения является обеспечение стабильности возбуждения самостоятельного дугового разряда.

Поставленная цель достигается тем, что в источнике заряженных частиц по авт. св. N 1568793, содержащем полый катод с эмиссионным каналом в торце, анод и ускоряющий электрод, вспомогательную камеру, охватывающую полый катод и оснащенную диском, расположенным в плоскости торца катода и образующим с катодом кольцевую щель, при этом площадь щели S_k ≅ 10^-2 S_n, где S_n - площадь поверхности вспомогательной камеры, в полости вспомогательной камеры соосно основному диску установлен по меньшей мере один дополнительный диск, образующий с внешней поверхностью полого катода кольцевую щель, площадь S_e которой выбрана из уcловия S > 10^-2 S_m, где S_m - площадь части внутренней поверхности вспомогательной камеры, отделяемой дополнительным диском в направлении от анода.

Целесообразно вспомогательную камеру снабдить цилиндрическим выступом в сторону анода, а между катодом и анодом ввести промежуточный электрод с контрагирующим отверстием, электрически соединенный с анодом через ограничительное сопротивление.

Сущность изобретения заключается в том, что введение дополнительных дисков увеличивает внутреннюю поверхность вспомогательной камеры, что позволяет выполнить указанное в авт. св. СССР N 1568793 соотношение при оптимальной ширине щели, но при меньшей в несколько раз внешней поверхности вспомогательной камеры, что позволяет прогреть держатель катода с активным веществом до высокой температуры, благодаря чему активное вещество диффундирует на поверхность эмиссионного капиллярного канала.

Введение цилиндрического выступа, обращенного к аноду, облегчает возбуждение разряда в полости, образованной этим выступом, куда хорошо проникает электрическое поле анода. Возникшая при этом плазма снимает экранирующее действие узкой щели и проникает внутрь вспомогательной камеры.

Изобретение поясняется чертежом.

Источник заряженных частиц содержит полый катод 1 из тугоплавкого материала. В нем выполнен капиллярный канал 2. Катод 4 герметично закреплен на цилиндрическом держателе 3, в полости которого размещено активное вещество (LaB₆). Катод окружен вспомогательной камерой в виде металлического цилиндра 5 и диска 6, образующего кольцевую щель 7 со стороны анода 8 площадью S_k.

Во вспомогательную камеру введены дополнительные диски 9, каждый из которых образует с держателем 3 кольцевую щель площадью S_e. Площадь всей внутренней поверхности полости вспомогательной камеры S_n не менее чем на два порядка превышает площадь S_k, а S_e > 10^-2 S_m, где S_m - часть от S_k, отделяемая данным k-тым диском 9 в сторону, противоположную аноду 8. На вспомогательной камере имеется цилиндрический выступ 10, обращенный к аноду, диаметр которого того же порядка, что и цилиндр 5. Тепловой экран 11 окружает вспомогательную камеру. Анод 8 подключается к положительному зажиму источника питания. Промежуточный электрод 12 подключается к тому же зажиму через ограничительное сопротивление R. Источник питания и R на чертеже не показаны. При получении ионов на анод 8 подается высокий положительный потенциал относительно извлекающего электрода 13, а для получения электронов - отрицательный. Полость катода соединена с системой подачи инертного газа (Ar).

Источник заряженных частиц работает следующим образом. При установлении расхода газа (аргона) на уровне 100 см³/ч и подаче напряжения 500 В между вспомогательной камерой и анодом 8 происходит возбуждение вспомогательного самостоятельного разряда типа тлеющего с током ≈0,8 А и напряжением ≈320 В. Вспомогательный разряд горит внутри камеры. Условно S_k ≅ 10^-2 S_m обеспечивает обра- зование устойчивого двойного слоя (плазменного "пузыря") в щели 7, а условие S_e > 10^-2 S_m препятствует образованию такого слоя в кольцевых щелях между дисками 9 и держателем 3. В противном случае образование двойного слоя и плазменного "пузыря" приводит к прожиганию тонкого 0,5 мм держателя катода 4 (держатель не может быть выполнен с большим поперечным сечением, т.к. должен обеспечить перепад температуры ≈ 1000^оС). Введение дополнительных дисков 9 позволило уменьшить диаметр цилиндра 5 примерно в 3 раза, благодаря тому, что площадь поверхности самих дисков 9 составляет ≈ 2/3 от S_n (диаметр вспомогательной камеры 14 мм, диаметр катода - 3 мм, высота держателя - 40 мм, отверстия в дополнительных дисках 9 диаметром 6 мм, расстояние между дисками - 3 мм, вспомогательная камера изготовлялась в виде набора коротких стаканчиков, на рисунке не показанных). Уменьшение внешней поверхности дополнительной камеры позволило разогреть ее до температуры выше красного каления и прогреть активное вещество в держателе катода, который тоже бомбардируется ионами вспомогательного разряда. Кроме того, температура вспомогательной камеры и соответственно катода повышается введением теплового экрана 11. Активное вещество диффундирует в капиллярный канал 2, появляется термоэмиссия с его стенок, а вспомогательный разряд перебрасывается в канал 2, т.е. происходит переход к самостоятельному дуговому разряду с горячим полым катодом с током ≈3 А и напряжением ≈30 В. Поддержание катода в горячем состоянии осуществляется за счет мощности самого дугового разряда. Из газоразрядной плазмы в зависимости от полярности потенциала электрода 13 происходит извлечение либо электронов, либо ионов, формируемых далее в пучок.

Введение цилиндрического выступа 10 обеспечивает первоначальное зажигание разряда только внутрь этого выступа, т.к. выступ 10 и диск 6 образуют полость, открытую к промежуточному электроду 12, и в эту полость беспрепятственно проникает электрическое поле, в отличие от полости вспомогательной камеры, которая экранируется от электрического поля диском 6 и катодом 1 с узкой щелью 7. Возникновение разряда снимает экранирующее действие, и разряд проникает в полость вспомогательной камеры через кольцевую щель 7. Пpи отсутствии выступа 10 разряд пытается развиваться по длинному пути не внутрь вспомогательной камеры, а снаружи ее, что может привести к запылению изоляторов без разогрева катода.

Ограничение тока в цепи промежуточного электрода 12 сопротивлением R заставляет разряд перебрасываться на анод 8. Дальнейший переход разряда в дуговую форму происходит также, как в описанном случае.

Введение дополнительного электрода 12 обусловлено увеличением расстояния между катодом 1 и анодом 8 по крайней мере на длину выступа 10, расхождением электронного потока и попаданием его не внутрь, а наружу анода 8. Дополнительный электрод 12 выполняет функцию сжатия электронного потока и его фокусировки внутрь анода 8.

В результате лабораторных испытаний с катодом диаметром 3 мм при диаметре капиллярного канала 0,3 мм и длине 2 мм, длина держателя катода - 40 мм и вспомогательной камеры виде набора стаканчиков диаметром 14 мм и высотой 4 мм с отверстиями диаметром 6 мм, а выступом в сторону анода диаметром 14 мм и высотой 11 мм с промежуточным электродом с отверстием диаметром 1,7 мм и анодом с отверстием диаметром 1,5 мм продемонстрировано многократное (более 50 раз) устойчивое возбуждение самостоятельного дугового разряда, в том числе при первом включении с новым катодом.

Таким образом, отличительные признаки предлагаемого источника заряженных частиц обеспечивают стабильное возбуждение самостоятельного дугового разряда.

Использование: газоразрядные технологические устройства для обработки материалов в вакууме. Сущность изобретения: полый катод источника заряженных частиц установлен по вспомогательной камере. Со стороны торцевой поверхности катода, обращенной к аноду, установлен диск, образующий с катодом кольцевую щель. Площадь щели на два порядка меньше площади внутренней поверхности вспомогательной камеры. В полости камеры установлены дополнительные диски, образующие с держателем катода кольцевые щели. Площадь каждой щели больше, чем 1% от площади части внутренней поверхности камеры, заключенной между соседними дополнительными дисками. Такое выполнение позволяет разогреть активное вещество в полом катоде до температуры, необходимой для возбуждения дугового разряда. Вспомогательная камера может быть выполнена с цилиндрическим выступом в сторону анода. При этом между анодом и катодом установлен промежуточный электрод с контрагирующим отверстием, соединенный с анодом через ограничительное сопротивление. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. ИСТОЧНИК ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ по авт. св. N 1568793, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности включения источника за счет обеспечения стабильности возбуждения самостоятельного дугового разряда, в полости вспомогательной камеры соосно основному диску установлен по меньшей мере один дополнительный диск, образующий с внешней поверхностью полого катода, кольцевую щель, площадь S_e которой выбрана из условия
S_e > 10^-2 S_m,
где S_m - площадь части внутренней поверхности вспомогательной камеры, отделяемой дополнительным диском в направлении от анода. 2. Источник по п. 1, отличающийся тем, что вспомогательная камера со стороны анода выполнена с цилиндрическим выступом, при этом между торцевой поверхностью полого катода и анодом, соосно им, установлен промежуточный электрод с осевым контрагирующим отверстием, причем анод и промежуточный электрод электрически соединены друг с другом через ограничительное сопротивление.