ГАЗОРАЗРЯДНЫЙ ИСТОЧНИК ПЛАЗМЫ ДУГОПЛАЗМАТРОННОГО ТИПА Советский патент 1995 года по МПК H05H1/24 H01J27/10 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в ядерной физике, плазмохимии, физике плазмы, космических исследованиях, вакуумной технологии.

Целью изобретения является снижение содержания примесей в генерируемом плазменном потоке.

На чертеже представлена схема газоразрядного источника плазмы.

Источник содержит разрядную камеру 1, образованную охлаждаемыми водой полыми анодом 2 из меди и промежуточным электродом 3 из магнитомягкой стали. В аноде и электроде выполнены каналы 4 и 5. Канал 5 имеет вставку 6 из тантала. Полый катод 7 с пусковым подогревателем 8 и эмиссионной вставкой из гексаборида лантана размещен внутри электрода. Для подачи рабочих газов к источнику подключены патрубок 9 питания катода рабочим телом (аргоном), трубка 10 плазмообразующего газа (кислорода), патрубок 11 подачи защитного газа. Магнитная система 12 образована катушкой с током и промежуточным электродом. Выходное отверстие анода соединено с системой 13 вакуумной откачки. С полостью промежуточного электрода последовательно соединены вакуумпровод 14, регулировочный клапан 15, вакуумное откачное устройство 16. Ловушка 17 и фильтр-поглотитель 18 присоединены между клапаном и системой вакуумной откачки во втором варианте источника.

Устройство работает следующим образом.

Источник используется для исследования воздействия плазменных и нейтральных кислородсодержащих потоков на материалы. Загрязняющими примесями являются рабочее тело катода (аргон) и продукты его эрозии. Перед зажиганием разряда в источнике через патрубок 11 подается защитный газ и газ по патрубку 9 в катод с расходом, соответствующим нормальному режиму полого катода (0,3 ЛхТор/с). Регулировка клапана 15 устанавливается давление в полости электрода 3, при котором выполняется условие L > D > >1,5r. Затем по трубке 10 подается плазмообразующий газ и включается электропитание катушки магнитной системы, разрядной и накальной цепей. После прогрева катода 7 пусковым подогревателем 8 возникает разряд на электроде 3, переходящий вследствие понижения его потенциала из-за падения напряжения на сопротивлении R на анод 2. После выключения подогревателя в источнике горит самостоятельный дуговой разряд между полым катодом и анодом. Благодаря явлению ионной откачки давление в полости электрода возрастает и для его восстановления увеличивают проводимость клапана 15. В канале 5 возникает геометрическое контрагирование разряда с характерными скачком потенциала и так называемым "плазменным пузырем", в котором формируется ускоренный пучок электронов, производящий интенсивную ионизацию газа в канале 5 и аноде. Для положительных ионов этот скачок потенциала в канале является барьером, препятствующим их движению к аноду. Нейтральные частицы, поступающие в канал электрода из его полости и образующиеся в нем благодаря перезарядке, увлекаются противотоком защитного газа и не доходят до анода.

Таким образом из канала 5 выходит ускоренный пучок электронов, производящий интенсивную ионизацию плазмообразующего газа в полости анода, где в расходящемся магнитном поле формируется ускоренный поток плазмы, свободный от примесей.

Для повышения ресурса катода используются полые пленочные катоды с цезием в качестве рабочего тела. В ряде случаев, например, при наличии оптических поверхностей, примесь цезия в потоке плазмы не желательна. Для подобных условий предлагается второй вариант источника. Вместо насоса 16 используется система 13 вакуумной откачки с ловушкой 17 и/или фильтром-поглотителем 18. Газовый поток из полости электрода 3, содержащий конденсирующиеся и/или химически активные примеси, проходя через ловушку 17 и/или фильтр-поглотитель 18, освобождается от примесей и откачивается системой 13. Атомы примесей конденсируются в ловушке и/или химически связываются в фильтре.

При использовании предлагаемого источника на космическом аппарате надобность в системе 13 вакуумной откачки и насоса 16 отпадает, так как их роль играет окружающее пространство. В этом случае анод и фильтр 18 или ловушка 17 остаются открытыми наружу.

Изобретение дает возможность получать плазменные и нейтральные потоки газов, в том числе и агрессивных, благодаря снижению загрязнения потока расширяется использование газоразрядных источников постоянного тока с присущей им простотой и высокой газовой экономичностью и применяется например в материаловедческих исследованиях и в технологии.

Использование: электротехника, может использоваться в ядерной физике, плазмохимии, физике плазмы, космических исследованиях, вакуумной технологии. Сущность изобретения: газоразрядный источник плазмы содержит разрядную камеру 1, образованную в зазоре между полыми анодом 2 и промежуточным электродом 3, в которых выполнены осевые каналы 4, 5 между их полостями и камерой, катод 7, установленный в полости электрода, трубку 10 подвода плазмообразующего газа, соединенную с полостью анода, патрубок 11 подвода защитного газа, магнит 12, систему 13 вакуумной откачки. Источник снабжен последовательно соединенными с полостью электрода вакуум проводом 14, регулировочным клапаном 15 и вакуумным насосом 16, а патрубок 11 присоединен к камере 1, причем размеры канала 5 электрода, проводимость клапана и быстрота действия насоса выбраны, исходя из условий: P > Q, L > D > 15 r, где P, Q - давления соответственно в камере и полости электрода, L, D - соответственно длина и диаметр канала электрода, r средняя длина свободного пробега атома примеси в защитном газе при давлении Q. Поверхности канала и торца электрода выполнены из тугоплавкого металла с большой атомной массой, преимущественно из тантала, а в качестве защитного выбран легкий газ, преимущественно водород. Для уменьшения содержания конденсирующихся и/или химически активных примесей регулировочный клапан 15 может быть соединен с вакуумной ловушкой 17 и/или фильтром поглотителем 18, который присоединен к системе вакуумной откачки 13. 5 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. ГАЗОРАЗРЯДНЫЙ ИСТОЧНИК ПЛАЗМЫ ДУГОПЛАЗМАТРОННОГО ТИПА, содержащий соосно расположенные полый катод с патрубком подачи рабочего газа, размещенный в полости промежуточного электрода, полый анод и разрядную камеру, установленную в зазоре между промежуточным электродом и полым анодом, в которых выполнены осевые каналы, сообщающие их полости с полостью камеры, патрубок подачи защитного газа, соединенный с одной из полостей, и магнитную систему, полюсами которой служит анод и промежуточный электрод, при этом полость анода соединена с системой подачи плазмообразующего газа, а выходное отверстие анода сообщено с системой вакуумной откачки, отличающийся тем, что, с целью снижения содержания примесей в генерируемом плазменном потоке, патрубок подачи защитного газа соединен с полостью разрядной камеры, полость промежуточного электрода соединена через вакуум-провод и регулировочный клапан с вакуумным откачным устройством, причем размеры осевого канала, выполненного в промежуточном электроде, выбраны из условия
L > D > 1,5 r,
где L и D соответственно длина и диаметр осевого канала промежуточного электрода;
r средняя длина свободного пробега атома вещества, из которого выполнен катод или промежуточный электрод, в защитном газе при заданной величине давления в полости промежуточного электрода,
а система подачи защитного газа выбрана такой, чтобы ее производительность была выше производительности системы вакуумной откачки, соединенной с полостью промежуточного электрода. 2. Источник по п. 1, отличающийся тем, что поверхность осевого канала промежуточного электрода и его торцевая поверхность, обращенная в сторону разрядной камеры, выполнены из тугоплавкого металла, а в качестве защитного газа выбран легкий газ. 3. Источник по п.2, отличающийся тем, что в качестве тугоплавкого металла выбран тантал, а в качестве легкого газа водород. 4. Источник по п.1, отличающийся тем, что вакуумное откачное устройство выполнено в виде вакуумного насоса. 5. Источник по п.1, отличающийся тем, что, с целью снижения содержания конденсирующихся и химически активных примесей, вакуумное откачное устройство выполнено в виде последовательно соединенных вакуумной ловушки и фильтра-поглотителя, который сообщен с системой вакуумной откачки. 6. Источник по п.1, отличающийся тем, что, с целью снижения содержания конденсирующихся и химически активных примесей, вакуумное откачное устройство выполнено в виде вакуумной ловушки или фильтра-поглотителя, соединенного с системой вакуумной откачки.