СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ПУЧКА ИОНОВ Советский патент 1996 года по МПК H01J27/02 

Изобретение относится к ионно-пучковой технологии и может быть использовано при электромагнитной сепарации изотопов, в технике ионных ускорителей и в процессах физико-химической обработки конструкционных материалов и материалов микроэлектроники, в научных исследованиях.

Цель изобретения увеличение плотности ионного тока, повышение монохроматичности ионного пучка, увеличение ресурса разрядной зоны и снижение энергетической цены иона пучка.

Разряд указанного типа генерирует полностью ионизованную плазму с неоднородным профилем плотности в направлении, перпендикулярном магнитному полю и однородной плотностью в продольном направлении.

На чертеже представлена схема, поясняющая сущность данного способа получения пучка ионов.

Разрядная зона, в которой реализуется пучково-плазменный разряд в скрещенных электрическом и магнитном полях, коаксиально-симметрична и ограничена проводящей цилиндрической камерой 1 и диэлектрическими торцами 2. Электронный инжектор 3 создает стационарный пучок электронов, который проходит через разрядную зону в ее приосевой области и попадает на коллектор 4.

Электронный инжектор и разрядная зона помещены в продольное магнитное поле, создаваемое катушками 5. Электрическое поле прикладывается между проводящей камерой 1 и центральными электродами 6 в соответствии с указанной на чертеже полярностью. Питание электронного инжектора производится от высоковольтного источника 7, а радиальное электрическое поле создается источником 8. Рабочее вещество подается в разрядную зону через систему напуска 9. Ионы рабочего вещества вытягиваются через боковую продольную щель 10 в проводящей камере в направлении, перпендикулярном вектору магнитного поля, ускоряются и фокусируются электростатической ионно-оптической системой, которая состоит из вытягивающей (одновременно и ускоряющей) линзы 11 и линзы 12, находящей под земляным потенциалом, и соответствующих высоковольтных источников 13 и 14.

В пучково-плазменном разряде в скрещенных полях протекают следующие процессы. Электронный пучок в разрядной зоне в результате возникновения пучковой неустойчивости генерирует в плазме мелкомасштабные турбулентные колебания, приводящие к диссипации энергии пучка в плазме и турбулентному нагреву ее электронной компоненты. Нагрев электронов обусловливает практически полную ионизацию рабочего вещества.

Приложение радиального электрического поля придает пучково-плазменному разряду новое качество. Во-первых, диаметр разряда D значительно превышает диаметр пучка d:D>>d (в то время как в известном способе D ≃ d. Во-вторых, при наличии радиального электрического поля происходит перераспределение плотности плазмы в радиальном направлении: в зоне пучка плотность резко падает, а на периферии разряда возрастает. Понижение плотности плазмы в центре приводит к значительному усилению интенсивности пучково-плазменного взаимодействия увеличению энергоотдачи от пучка в плазму и, соответственно, к более сильному нагреву плазмы.

Важным следствием приложения радиального электрического поля является также появление объемного радиального электрического тока, протекающего перпендикулярно направлению магнитного поля. Протекание радиального тока возможно в том случае, когда носители положительного заряда ионы будут иметь возможность двигаться в радиальном направлении от оси системы к ее периферии и рекомбинировать на поверхности проводящей камеры, а электроны при этом пройдут вдоль магнитного поля на электроды с положительным потенциалом. Движение ионов поперек магнитного поля имеет дрейфовый характер и обусловлено столкновениями ионов в объеме. В полностью ионизированной плазме в объеме имеют место столкновения только между заряженными частицами, причем главную роль для перемещения ионов играют столкновения ионов между собой, т.е. ион-ионные столкновения, происходящие с частотой ν_II. Для однозарядных ионов частота ν_II равна:
где n_e плотность плазмы, М_i масса иона, Т_i температура ионов.

Экспериментально показано, что объемный ток протекает при условии не замагниченности ионов, то есть, когда выполняется следующее соотношение: ν_II ≥ ω_Hi, (гдеωеН/М_iс циклотронная частота иона в поле Н, с скорость света, е заряд иона).

В итоге, условие незамагниченности ионов выглядит следующим образом:
H ≅ 25• n_e/ T3/2i

Энергия радиального тока диссипируется в плазме и по величине может быть соизмерима с энергией, которую отдает в плазму электронный пучок, благодаря чему происходит нагрев и, как следствие полная ионизация вещества и установление профиля плотности, указанного выше. Механизм передачи энергии в плазму в этом случае обусловлен возникновением ионно-звуковой неустойчивости при протекании радиального тока. Как уже отмечалось, плазменные электроны при протекании радиального тока свободно двигаются вдоль магнитного поля на электроды с положительным потенциалом со скоростью V_e. Возможна ситуация, когда скорость направленного движения электронов V_e превышает скорость ионного звука в плазме C_s:V_e>C_s. Указанное соотношение есть условие возникновения в плазме ионно-звуковой неустойчивости, при которой энергия направленного движения электронов интенсивно трансформируется в тепловую, то есть, происходит нагрев плазмы и дополнительная ионизация вещества. Оценки показывают, что в зависимости от параметров плазмы, рабочего вещества и геометрии электродов с положительным потенциалом ионно-звуковая неустойчивость проявляется при величинах радиального тока I_R>1-4А. Значение величины радиального тока Iкр, выше которой возникает в плазме ионно-звуковая неустойчивость, определяется уравнением
C_s•S e•n_e•S• , где S площадь собирающей поверхности электродов с положительным потенциалом;
n_e, T_e плотность и температура электронов;
М_i масса иона.

Данный вариант пучково-плазменного разряда реализован при работе с обширным кругом вещества, отличных по физико-химическим свойствам (газы, жидкости и твердые вещества с давлением паров 10^-5-10^-3 торр при температурах до 1500^оС), причем внешние параметры разряда легко масштабируются, то есть, могут изменяться в широких пределах. Интервалы внешних параметров следующие: энергия электронного U_b и ток пучка I_bсоставляют U_b=1-15 KeV, I_b= 0,2-5A; напряженность магнитного поля в разрядной зоне Н=0,5-5 кЭ; радиальное напряжение U_R и ток I_R равны U_R=10-200 V и I_R=0,5-65A; рабочее давление равно Р= 10^-5-10^-3 торр; длина разрядной зоны L и ее диаметр D составляет, соответственно, L=20-200 см, D=3-20 см.

Характеристики плазмы, получаемой в пучково-плазменном разряде в скрещенных Е и Н полях, обуславливают преимущества предлагаемого способа.

Выше отмечалось, что в этом разряде обеспечивается практически полная ионизация рабочего вещества и кроме того, в нем существуют две зоны, резко отличающиеся по плотности плазмы периферийная и центральная. В периферийной зоне плотность плазмы повышенная и составляет величину n_e=10¹²-10¹⁴ см^-3, так что вытягивание ионов целесообразно производить здесь. Из разряда в ускоряющий промежуток ионно-оптической системы поступает мало нейтралов вследствие полной ионизации, поэтому извлечение ионов можно осуществлять при максимально высокой плотности плазмы, причем монохроматичность ионного пучка существенно повышается, так как практически отсутствует процесс перезарядки ионов на нейтралах в ускоряющем промежутке. Поскольку вытягивание ионов предполагается осуществлять из периферийной зоны разряда в направлении, перпендикулярном магнитному полю, величина эмиссионной поверхности плазмы определяется боковой поверхностью проводящей камеры, т.е. может меняться в широких пределах. Таким образом, интервал изменения полного ионного тока также широк.

В центральной зоне разряда плотность плазмы пониженная и находится в пределах n_e=10¹⁰-10¹¹ cм^-3. При таких условиях интенсивность ионной бомбардировки катода электронного инжектора резко снижается, скорость его разрушения падает. Как показывают эксперименты, инжектор способен функционировать в рабочих режимах сотни часов (не менее 300), что значительно выше по сравнению с известным способом. Следует отметить, что другие элементы разрядной зоны центральные электроды, диэлектрические торцы, проводящая камера не теряют своей работоспособности в течение этого времени, т.е. ресурс разрядной зоны в целом велик. Достигнутый положительный эффект обусловлен тем, что передача энергии от пучка в плазму происходит на всем протяжении разрядной зоны, а радиальный ток носит объемный характер, то есть, энергия от этих источников, поглощенная в плазме, распределяется более или менее равномерно по всем элементам разрядной зоны. В частности, происходит равномерный нагрев проводящей камеры до высокой температуры, что предотвращает неконтролируемую конденсацию при работе с парами веществ. На практике установлено, что в средних режимах разряда при наличии тепловых экранов на проводящей камере температура ее внутренней стенки составляет t=850-1200^oC, а температура поверхности диэлектрических торцов в пределах 1000-1300^оС. Видно, что в большинстве случаев при работе с парами не требуется дополнительный нагрев разрядной зоны и, соответственно, нет дополнительных энергозатрат.

Предлагаемое техническое решение позволяет достичь поставленной цели. Новый способ создания пуска ионов по сравнению с прототипом позволяет получить следующее: увеличить плотность ионного тока в 2-5 раз, повысить ресурс работы разрядной зоны в 3-5 раз, уменьшить энергетическую цену иона на 30-50%

Использование: ионно-пучковая технология. Сущность изобретения: для ионизации рабочего вещества используется пучково-плазменный разряд в скрещенных электрическом и магнитном полях с объемным радиальным ионным током. Величина радиального тока превышает критическое значение электронного тока, связанное с возникновением в плазме ионно-звуковой неустойчивости и величиной магнитного поля, обеспечивающей незамагниченность ионов. Разряд данного типа генерирует полностью ионизированную плазму с неоднородным профилем плотности в направлении, перпендикулярном магнитному полю, и однородной плотностью в продольном направлении. Извлечение ионов осуществляют в направлении, перпендикулярном вектору индукции продольного магнитного поля, через эмиссионное отверстие, выполненное в разрядной камере. Изобретение позволяет увеличить плотность ионного тока в 2 - 5 раз, повысить монохроматичность пучка ионов, увеличить ресурс разрядной камеры в 3 - 5 раз и снизить энергетическую цену иона пучка на 30 - 50%. 1 ил.

СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ПУЧКА ИОНОВ, включающий ионизацию рабочего вещества в разряде с продольным относительно оси симметрии разрядной камеры направлением магнитного поля, извлечение ионов через эмиссионное отверстие в направлении, перпендикулярном вектору индукции магнитного поля, формирование и ускорение пучка ионов с помощью ионно-оптической системы, отличающийся тем, что, с целью увеличения плотности ионного тока, повышения монохроматичности ионного пучка, увеличения ресурса разрядной камеры и снижения энергетической цены иона за счет генерации полностью ионизованной плазмы с неоднородным профилем в направлении, перпендикулярном вектору индукции магнитного поля, и однородной плотностью плазмы в продольном направлении, ионизацию рабочего вещества осуществляют в пучково-плазменном разряде в скрещенных электрическом и магнитном полях, при этом электронный пучок направляют вдоль магнитного поля, электрическое поле прикладывают в радиальном направлении между электронным пучком и стенками разрядной камеры, причем величину напряженности электрического поля выбирают достаточной для протекания через плазму радиального электрического тока, величина которого превышает критическое значение тока I_к р, определяемое из соотношения

где е, n_е, T_е - соответственно заряд, плотности и температура электронов;
M_i - масса иона;
S - площадь собирающей электроны поверхности электродов с положительным потенциалом,
а напряженность магнитного поля H выбирают из условия

где T_i - температура ионов.