ИСТОЧНИК ИОНОВ Советский патент 1996 года по МПК H01J27/04 

Изобретение относится к сильноточным газоразрядным источникам ионов и может быть использовано в ускорительной технике и технологии.

Цель изобретения обеспечение возможности управления содержания в ионном пучке ионов различной зарядности и повышения газовой экономичности, а также упрощение конструкции и уменьшения массы габаритов. Применение предложенного изобретения, обеспечивающего достижение указанных целей, позволит разрабатывать конструкции источников ионов, обладающих более высокими технико-экономическими характеристиками и расширяет круг технологических процессов, использующих ионные пучки.

На фиг.1 схематически представлено устройство источника ионов, продольный разрез; на фиг.2 поперечные разрез; на фиг.3 схема магнитной системы; на фиг. 4 вид со стороны полюсной накладки; на фиг.5 график зависимости Z от H_z/Н_o; на фиг.6 и 7 схема варианта источника с постоянными магнитами.

Источник содержит электромагнит, состоящий из полюсных накладок 1, магнитопровода 2, обмоток возбуждения поля 3. В полюсных накладках 1 проделаны симметрично прямоугольные отверстия 4, а обмотки возбуждения 3 защищены от запыления экранами 7. Внутри магнитного зазора симметрично относительно его полюсных накладок размещена камера ионизации 5, в передней стенке 6 которой проделана щель. По торцам камеры ионизации размещены термоэмиссионный катод 8 и анод 9. Трехэлектродная ионно-оптическая система включает переднюю стенку 6, промежуточный 10 и заземленный 11 электроды. Питание источника обеспечивается высоковольтным вводом, состоящим из штанги 12, столика 13, высоковольтного фланца 14, отделенного от посадочного фланца 5 изолятором 16, защищенным от запыления выравнивающими электрическое поле конусами 17. Посадочный фланец 15 крепится к камере 18. Электромагнит источника перемещается по салазкам 19 кронштейна 20 с помощью пары винт-гайка 21, 22, установленной соответственно в кронштейне 20 и нижней полюсной накладке 1 и ограничивается от перекосов накладками 24.

На фиг.3, 4 дано схематическое изображение магнита и обозначены базовые параметры, где Д длина отверстия в полюсах; Е расстояние между обмотками возбуждения поля. При этом Д превышает ширину камеры ионизации в 1,5-3 раза, а величина Е определяется конструктивными соображениями, связанными с размещением ионно-оптической системы.

На фиг. 5 представлена серия кривых, где по оси абсцисс откладывается безразмерная величина H_z/H_o, а по оси ординат координата по оси Z, где H_z измеренная величина продольной составляющей магнитного поля в точках по оси Z; H_o то же в середине межполюсного зазора, при Z=0; Z текущая координата точки измерения вдоль магнитного зазора (измерения проводились в точках с шагом 10 мм).

На графике выделена зона, ограниченная пунктирными прямыми, размещая в которой катод и анод, можно получить монотонное изменение кривизны магнитных силовый линий в широком диапазоне при перемещении магнита по оси Y.

На фиг.6, 7 представлена схематически магнитная система, имеющая межполюсный зазор 120 мм и внешний диаметр 160 мм. Здесь же показано положение камеры ионизации, катода и анода относительно полюсов. Магнитная система состоит из двух идентичных блоков 1, создающих магнитное поле одного направления, каждый из которых имеет по два плоских ферритовых магнита 2 размером 60х100х18 мм, намагниченных вдоль малой стороны, устанавливаемых против катода 8 и анода 9 и связанных наружным магнитопроводом 3, который охватывает камеру ионизации 5 по периферии. При этом каждый блок выполнен с возможностью перемещения параллельно направлению распространения извлекаемого ионного пучка относительно другого блока и относительно стенки камеры с отверстием для экстракции ионов, причем блоки установлены на охлаждаемых кронштейнах 20, закрепленных на посадочном 15 фланце источника.

Ионный источник работает следующим образом. При среднем положении магнита относительно передней стенки камеры ионизации 6 зажигания обычным образом дуговой разряд между катодом 8 и анодом 9, причем, плазменный шнур разряда локализуется строго вдоль силовых линий магнитного поля пересекающих эмиттерную поверхность катода. Регулируя ток и напряжение разряда и давление пара рабочего вещества добиваются наибольшего выхода ионов нужного сорта и зарядности. Осуществляя затем перемещение магнита и регулируя напряженность магнитного поля изменением тока в катушках возбуждения поля, добиваются максимального выхода нужного сорта ионов.

Газовая экономичность источника (определялась на азоте) при получении ионного тока N⁺, равного 30 мА (экстракционная щель 1х40 мм) при фиксированных токе и напряжении разряда I_p=6,5 A, U_p=76 B. Одновременно с N⁺ измерялся ток N+2

Наибольшая газовая экономичность в 20-22% достигалась при сдвиге магнита на 30 мм в сторону, противоположную направлению распространения ионного пучка при ширине отверстия в полюсных накладках в 30-40 мм и межполюсном зазоре в 165 мм. При дальнейшем сдвиге магнита в эту же сторону до 60 мм газовая экономичность падала до 12-15% При сдвиге магнита в сторону распространения ионного пучка газовая экономичность падала до нескольких процентов, ток ионов N⁺ снижался до ≈ 15 мА, а ток ионов N+2

При реализации изобретения было установлено, что имеется минимальное значение продольной составляющей напряженности магнитного поля, равной ≈0,02 Тл, ниже которой ионный ток пучка быстро уменьшается. Увеличение же напряженности поля в 3 раза не вызывает заметных изменений интенсивности и формы пучка.

Снижение величины напряженности магнитного поля до ≈ 0,02 Тл значительно уменьшает снос ионного пучка в плоскости, перпендикулярной направлению магнитного поля.

Повышение газовой экономичности источника ионов при получении максимального выхода ионов нужного сорта улучшает вакуумные условия технологических установок. При этом возрастает стабильность работы источника ионов и срок жизни его узлов.

Использование: сильноточные газоразрядные источники ионов, используемые в ускорительной технике и технологии. Сущность изобретения: для ионизации рабочего вещества в источнике ионов используется дуговой разряд в камере ионизации между расположенными в ее торцах термокатодом и анодом, горящей в продольном магнитном поле. Экстракция ионов осуществляется поперек магнитного поля из щели в передней стенке камеры ионизации, параллельной магнитному полю, а формирование ионного пучка осуществляется в трехэлектродной ионно-оптической системой. Для создания продольного магнитного поля установлен электромагнит, магнитопровод которого охватывает камеру ионизации по периферии, полюса расположения против катода и анода, обмотки возбуждения поля размещены на боковых частях магнитопровода, а в полюсах проделаны прямоугольные отверстия. Для создания магнитного поля может быть использовано магнитная система с плоскими ферритовыми магнитами. Управление составом ионов пучка по их разрядности и увеличение газовой экономичности источника обеспечивается перемещением магнитной системы с полюсными накладками относительно передней стенки камеры ионизации по направлению или против направления распространения ионного пучка. 2 з. п. ф-лы, 7 ил.

1. ИСТОЧНИК ИОНОВ, содержащий камеру ионизации постоянного сечения, ограниченную стенками, в одной из которых выполнено щелевое отверстие для экстракции ионов, электроизолированные от камеры термоэмиссионный катод и анод, которые расположены у противоположных торцов камеры, магнитную систему, создающую магнитное поле продольного по отношению к экстракционной щели направления, в состав которой входит магнитопровод с источниками возбуждения магнитного поля и полюсные накладки, установленные напротив торцов камеры, отличающийся тем, что, с целью обеспечения возможности управления содержанием в ионном пучке ионов различной зарядности и повышения газовой экономичности, магнитная система установлена с возможностью перемещения параллельно направлению распространения извлекаемого ионного пучка относительно стенки с отверстием для экстракции ионов и снабжена механизмом, осуществляющим перемещение. 2. Источник по п.1, отличающийся тем, что, с целью упрощения конструкции, уменьшения массы и габаритов, магнитопровод выполнен замкнутой формы и размещен коаксиально камере ионизации с ее внешней стороны, на боковых частях магнитопровода установлены электромагнитные обмотки возбуждения поля, при этом в полюсных накладках напротив катода и анода выполнены симметричные прямоугольные отверстия, причем размеры элементов магнитной системы выбраны из условий
0,5 < Б/А < 0,065; 2,5 < Б/В < 4; 0,5 < Г/А < 0,6,
где А - длина межполюсного зазора;
Б - ширина полюсных накладок;
В - ширина отверстий в полюсных накладках;
Г - межэлектродное расстояние. 3. Источник по п.1, отличающийся тем, что, с целью упрощения конструкции, уменьшения массы и габаритов, магнитная система выполнена в виде двух блоков с одинаковым направлением магнитного поля, каждый из которых содержит два плоских ферритовых магнита, симметрично расположенных напротив соответствующих электродов и соединенных магнитопроводом, охватывающих камеру ионизации с внешней стороны, при этом каждый блок выполнен с возможностью перемещения параллельно направлению распространения извлекаемого ионного пучка относительно другого блока и относительно стенки камеры с отверстием для экстракции ионов, причем блоки установлены на охлаждаемых кронштейнах, закрепленных на посадочном фланце источника.