Способ получения ионных потоков Советский патент 1980 года по МПК H01J39/00 

Изобретение относится к технике получения потоков заряженных частиц и может быть использовано в источниках ионов для обработки поверхностей ионным потоком, электростатического удержания плазмы, получения синтезированной плазмы и пр. Известен способ получения ионных потоков, при котором в объеме источника при давлении рабочего газа 10 мм рт.ст. зажигают высокочастот ный разряд путем приложения высокочастотного поля к системе электродов стержень-диафрагма, при этом на диафрагму дополнительно прикладывают отрицательный потенциал относительно стержня. Недостатком известного способа яв ляется высокое давление рабочего газа, которое должно быть не ниже 10 мм рт.ст./ в противном случае В разряд не зажигается. Это ведэт к по вышенному расходу газа и требует при менения дополнительных средств откач ки. Целью изобретения является снижение давления рабочего газа до 10 - 10 мм рт.ст. и уменьшение расхода рабочего газа. Поставленная цель достигается тем, что по предлагаемому способу между отражательным электродом из вещества с коэффициентом вторичной электронной эмиссии больше единицы и сеткой, находящейся под отрицательным потенциалом относительно этого электрода, прикладывают высокочастотное поле с такой частотой, соотношением между напряженностями электростатического и высокочастотного полей, что электроны вторичной эмиссии, стартующие с поверхности отражательного электрода в фазе ускоряющего электрического поля, через период колебания возвращаются на отражательный электрод в той же фазе с кинетической энергией, достаточной для выбивания новых порций электронов вторичной эмиссии, причем угловую частоту, начальную и конечную фазы ускорения электронов выбирают таким образом, чтобы электроны за ускоряющий период высокочастотного поля не могли достигнуть сетки. Предлагаемый способ основывается на следующих явлениях., Пусть между плоским отражательным электродом из вещества с коэффициентом вторичной электронной эмиссии сГ 1 и плоской сеткой, находящимися друг от друга на расстоянии d, приложено электростатическое поле напряженностью Ед (минус на сетке) и высокочастотное поле E coswt, где uJ - круговая част та. Движение электрона, стартовавше го с поверхности отражательного электрода X О в момент времени t О с начальной скоростью X (0) может быть описано следующим дифференциальным уравнением - -еЕ(, 4 eE,cos(uJt-A ), (1 где 6- заряд электрона (абсолютное значение); m - масса, (А - начальная фаза. Его решение удовлетворяет началь ным условиям( X sin(t-c)+si п m m Uj :i. cosc - cos (u/t + s i пЛ Для синхронного размножения за счет вторичной электронной эмиссии электрон через период колебания дол жен вернуться на поверхность отражательного электрода в три же фазе (X О при ил 2)f) . Используя это условие из уравнения (3) можно получить соотношение между напряженностью электростатического и высоко частотного поле Подставляя это соотношение в ура нение (1), из условия положительнос ти правой части находят область фаз с,, для которых электрон, испущенный поверхностью отражательного электро попадает в ускоряющее поле: S i Г( . п «- с о 5 сХ 7 О или (.1,27 радиан (5) Скорость электрона при возвращении на поверхность отражательного электрода после периода колебания (X О, uut 2) s i nOi - ma m O) T.e электрон набирает скорость, эквивалентную его ускорению в постоян ном электростатическом поле EQ за время одного периода колебаний. Если эта скорость окажется достаточно для выбивания вторичных электронов с поверхности отражательного электрода, то все новые и новые порции вторичных электронов будут поступат в объем, пока не наступит ограничен по объемному заряду или по вводимой высокочастотной мощности. Граница отражения электронного п тока отрицательно заряженной сеткой находится из уравнений (2) и (3) при условиях: , Х 0,.(7) 51псл-5|П л sin(|b-a(v) е Е, 2irf, -й 5 i ПС f С05Л Макс. muL - cos (-Л ) Графическое исследование (7) при условии (5) дает для f, область допустимых углов 180 L 252. Если, например, сЛ 57, то 225°, и.для границы отражения получается следующее выражение: , - 1,25.10 . ( .1 (X в см, Е,в В/см, f в Гц). Чтобы электроны не касались сетки расстояние между электродами должно быть выбрано из условия сЛ (10) Исследование уравнений движения для ионов проводится аналогичным образом. Оно показывает, что потери ионов на отра;жательном электроде незначительны и практически все образовавшиеся в результате ионизации рабочего газа электронами ионы ускоряются в направлении отрицательно заряженной сетки и могут бьлть выведены из источника. Поскольку разряд поддерживается за счет вторичной эмиссии с отражательного электрода, то он зажигается при любом низком давлении, роль рабочего газа сводится к пополнению убыли нейтральных частиц, которые ионизировались и в виде ионов покинули разрядную область . На чертеже показана схема, реализующая предлагаемый способ. В вакуумную камеру 1 с рабочим газом при давлении - 10 мм рт.ст. помещены два плоских параллельно расположенных один относительно другого электрода. Один из них, электрод 2, изготовлен из материала со вторичной электронной эмиссией больше единицы, второй электрод 3 выполнен в виде сетки. Между электродом и сеткой прикладывается статическое электрическое поле (минус на сетке) и высокочастотное поле, напряженности которых выбирают в соответствии с формулой Ci). Абсолютная величина напряженности электрического поля должна быть достаточной для того, чтобы ускоренный в этом поле электрон мог выбить из электрода 2 вторичные электроны. Расстояние между электродом и сеткой выбирают из условия сХ где находят путем совместного решения уравнений (7) и (8). Возникаюгцие в результате первичной ионизации нейтральных атомов (например,космическими лучами) электроны ускоряются электростатическим полем на электрод 2 и вкоивают кз него вторичные электроны.Так как коэффициент вторичной эмиссии больше единицы то число вторичных электронов превы1ла ет первичный поток.Те из электронов, которые попали в область благоприятной фазы, испытывают резонансное размножение и их число лавинообразно увеличивается, пока не наступает ограничение по объемному заряду, либо по вводимой мощности. Поток осцил лирующих электронов вызывает ионизацию рабочего газа, а ионы ускоряются в направлении отрицательно заряженной сетки. Формула изобретения Способ получения ионных потоков из высокочастотного разряда между электродом из вещества с коэффициентом вторичной эмиссии больше единицы

// и сеткой, между которыми дополнительно наложено электростатическое поле, отличающийся тем, что, с целью снижения давления рабочего газа до Ю мм рт.ст. и уменьшение его расхода, соотношение между величиной электростатического поля ЕО , амплитудой высокочастотного поля Е и начальной фазой ускорения электронов сА устанавливацот в соответствии с формулой ЕО Е sincVl, а соотношение между угловой частотой ш, начальной фазой сХ и конечной фазой ускорения электронов в соответствии с формулой sinc.cosc. - cos(-o4 ) где е и m - заряд и масса электрона; d - заданное расстояние между электродом и сеткой.

ХуУ ХУХУх

о-НЬо-ЧЬСтатическийтзтенциол

Ионный

Откатна

УХуУУХХХУ