ИСТОЧНИК ИОНОВ Советский патент 1974 года по МПК H01J3/04 

Изобретение относится к технике получения импульсных ионных потоков и может быть использовано для различных технологических процессов: легирования полупроводников, образования металлических пленок на поверхности твердого тела, а также для создания реактивной тяги.

Известны источники ионов для решения указанных задач, характерными признаками которых является наличие раздельных цепей питания разряда и экстракции частиц, локализации плазмы, служащей источником ионов, внутри разрядного пространства, ограниченного стенками разрядной камеры и извлечение ионов в область ускорения сквозь отверстие в одном из электродов разрядной камеры.

Существенным недостатком известных источников является ограниченность амплитуды отбираемого ионного тока.

С целью существенного увеличения амплитуды ионного тока, упрощения конструкции и схемы питания источника для технологических целен, а также удещевлепия в качестве источника ионов используется вакуумный разрядный промежуток в незаверщенной фазе разряда. При этом генерация ионов и ускорение их в сторону катода производится под действием спадающего напряжения, существующего между электродами промежутка в период развития разряда.

На фиг. 1 приведена схема предлагаемого источника ионов; на фиг. 2 - осциллограммы электронного (а) и ионного (б) токов в вакуумном промежутке; на фиг. 3 - распределение заряда.

Вакуумный разрядный промежуток образован анодом 1, выполненным из материала, ионы которого необходимо получить, и катодом 2, имеющим отверстие 3 с острыми краями, выступающими в сторону анода. Катод может быть выполнен и из системы острий, закрепленных на сетке с высокой прозрачностью. Ускоренные ионы, выходящие сквозь отверстие в катоде, попадают на мишень 4.

Анод укреплен на проходном изоляторе 5. Вся система помещена в вакуумную камеру 6. Параллельно разрядному промежутку включена емкость 7, заряжаемая от источника питания 8, через сопротивление 9, до величины

напряжения, соответствующей пробивному значению. Величина емкости подбирается из условия, что больщая часть энергии, запасенной в ней, передается в контур за время вьь соковольтной фазы разряда. Напряжение к

промежутку может прикладываться также импульсно при подключении с помощью разрядника формирующего элемента в виде линии с распределенными параметрами либо емкости.

Устройство работает следующим образом. В момент достижения напряжением пробивного значения между электродами возникает разряд. При воздействии статическим напряжением рост разрядного тока в вакууме всегда связан с появлением на катоде сгустков плазмы, образующихся в результате взрыва микроскопических выступов металла под действием джоулевого разогрева автоэмиссионным током. Появляющиеся в результате взрыва пары металла ионизуются проходящим пучком электронов и распространяются в вакууме со скоростью 10б ом/сек. Величина электронного тока, протекающего между фронтом плазмы и анодом, определяется законом «3/2 для диода со сближающимися электродами. Интенсивная электронная бомбардировка анода приводит к его разогреву, испарению и образованию факела плазмы, движущегося по направлению к катоду. С фронта этого факела эмиттируются ионы и ускоряются в сторону катода. Если в катоде имеется отверстие, ускоренные ионы выходят за пределы промежутка и могут быть использованы. Импульс ионного тока начинается с момента появления плазмы на аноде и оканчивается в момент перехода разряда в низковольтную фазу, когда движущиеся навстречу друг другу потоки плазмы с катода и анода встречаются и проводимость промежутка становится близкой к металлической. Это время близко к длительности роста тока в промежутке (времени коммутации к) и определяется длиной зазора: где d - величина зазора, а Упл -скорость рдспрастранения плазмы. Для- промежутков с 0,5+3 мм tK 10-«+10- с. Предельная величина ионного тока определяется следующим выражением: ,8б|/ где jM и /п массы иона и электрона соответственцо, а /о - величина тока пробоя. Оценку мощиости,, передаваемой аноду электронным пучкам в период /к, можно сделать по формуле:P(t)i(f){U,-Ri(t), где i{t) - ток пробоя, R - сопротивление контура, i/o - напряжение, прикладываемое к промежутку. Для исследованных промежутков плотность потока мощнрсти на аноде достигает величин 10-}-10 вт/см, что сравнимо с воздействием гигантского импульса jia3epa на твердую мишень. Поскольку амплитуда электронных токов поставляют ICF-f-lQ а, представляется возможным получение кратковременных импульсов ионного тока с амплитудой в единицы ампер. Если учесть, что частота импульсов может быть до 10 Гц, то эффективность такого источника становится очевидной. На фиг. 2 представлень (зециллограадмы электронного и ионного токов в вакуумном промежутке длиной 2 мм при приложении напряжения 18 кв. Электронный ток измерялся с помощью малоиндуктивного шунта, установленного в разрядной цепи, а ток ионов - с помощью коллектора, расположенного за отверстием в катоде диаметром 3 мм. Амплитуда электронного тока - 350 а, ионного- а. На фиг. 3 показано распределение заряда, перенесенного ионами цо энергиям. Измерения выполнены методом задерживающего потенциала. При необходимости энергетический спектр ионов может быть сужен с помощью магнитного сепаратора. Предмет изобретения 1.Источник ионов, содержащий холодные анод и катод, систему электрического питания разряда между анодом и катодом, отличающиеся тем, что, с целью упрощения конструк-ции источника, в качестве упомянутой системы электрического питания выбрана импульсная система с выходным напряжением, достаточным для пробоя вакуумного промежутка между катодом и анодом. 2.Источник ионов по п. 1, отличающийся тем, что, с целью получения цилиндрических пучков заданных размеров, в катоде имеется отверстие с острыми кромками для локализации разряда в области отверстия и выхода ионов из прианодной плазмы. 3.Источник ионовПО п. 1, отличающийся тем, что, с целью увеличения выхода ионов, катод выполнен в виде системы острий, закрепленных на сетке с высокой прозрачностью.

а

Е,кэ5