ПЛАЗМЕННЫЙ ИСТОЧНИК ЭЛЕКТРОНОВ Советский патент 1995 года по МПК H01J3/02 

Изобретение относится к области разрядных приборов электронной техники, в частности к плазменным источникам электронов, и может быть использовано для различных технологических операций в вакууме и среде агрессивных газов низкого давления (сварки, вакуумной плавки, нанесения тонких пленок, обработки материалов электронным лучом).

Известны плазменные источники с холодным катодом на основе тлеющего разряда, которые имеют малую интенсивность извлеченного тока. Задача повышения интенсивности пучков электронов неизбежно приводит к необходимости использования дугового разряда, обеспечивающего экономичное генерирование плотной плазмы.

Недостатком таких источников при работе в непрерывном режиме и на длинных импульсах являются низкочастотные колебания тока пучка электронов.

Ближайшим техническим решением является плазменный источник электродов на основе дугового контрагированного разряда и катодным пятном, перемещаемым магнитным полем по рабочей поверхности катода, содержащим анод, промежуточный электрод с контрагирующим отверстием, катод и экстрактор.

Недостатком источника электронов является наличие низкочастотных колебаний тока пучка электронов, вызванных колебаниями тока дугового разряда. Эти колебания обусловлены тем, что в процессе горения дугового разряда на поверхности катода за счет эрозии самопроизвольно образуются углубления; локализация катодного пятна в углублении либо на плоской части катода при хаотическом движении катодного пятна вызывает колебания напряжения и тока дугового разряда. Обычно используемый способ снижения низкочастотных колебаний тока путем введения стабилизирующих элементов в цепь питания разряда не эффективен, так как при этом уменьшается энергетическая экономичность источника.

Целью изобретения является повышение энергетической экономичности источника путем снижения уровня низкочастотных колебаний в разряде.

Цель достигается тем, что катод выполнен в виде стакана, закрытого диафрагмой с отверстием, не менее чем на порядок превышающий диаметр контрагирующего отверстия в промежуточном электроде, причем ширина кольцевой щели, образованной стаканом и диафрагмой, равна глубине стакана.

Детали катода выполняются из разных материалов так, что работа выхода электрона из материала стакана ниже, чем работа выхода материала диафрагмы.

На чертеже изображена схема предлагаемого плазменного источника электронов.

Источник имеет катод в виде стакана 1, закрытого диафрагмой 2, образующими между собой кольцевую щель 3, промежуточный электрод 4, анод 5, экстрактор 6, электромагнит с катушкой 7 и магнитопроводом 8.

Устройство работает следующим образом. Дуговой разряд с током ≈ 3А горит между стаканом катода 1 и анодом 5 через отверстие диаметром 1 мм в промежуточном электроде 4. Расход воздуха, напускаемого с катодной стороны контрагирующего отверстия в промежуточном электроде 4 80 ат.см³/ч. Катодная часть дуги локализуется в щели 3, образованной стаканом катода 1 и диафрагмой 2. Катодное пятно фиксировалось в щели 3 при глубине стакана h 1,5 мм, диаметре диафрагмы D 25 мм и ширине щели d, равной глубине стакана h. Для исключения выходов катодного пятна на наружную часть диафрагмы 2 ее материал выбирается с более высоким значением работы выхода (медь, для которой работа выхода 4,26 эВ) чем у материала стакана катода (магний, для которого работа выхода 3,6 эВ).

Электромагнитом с катушкой 7 и магнитопроводом 8 создается поперечное магнитное поле, вызывающее тангенциальное движение фиксированного кольцевой щелью 3 катодного пятна. Экстрактором 6 электроны извлекаются с границы плазмы выходящей в вакуум через отверстие в аноде 5.

Кольцевая щель между стаканом и диафрагмой катода, имеющая указанные размеры, обладает свойством фиксировать катодное пятно, чем устраняется возможность горения дуги на плоскую часть стакана катода: дуга горит только в щель. При меньших отверстиях диафрагмы сказывается действие геометрического контрагирования (сжатия) разряда этим отверстием, что приводит к колебаниям и обрывам тока дуги и к потере фиксирующих свойств щели. Соотношение между шириной кольцевой щели и глубиной стакана ограничено только снизу, так как катодное пятно при своем перемещении в щели не заходит на расстояние больше глубины стакана и увеличение ширины щели больше глубины стакана не влияет на фиксирующие свойства щели. Поэтому отношение ширины щели в глубине стакана сверху не является принципиальным и выбирается из конструктивных соображений. С целью уменьшения габаритов прибора целесообразно выбирать ширину щели, равную глубине стакана. Исключение выходов катодного пятна на плоскую часть стакана катода снижает низкочастотные колебания напряжения в 3-5 раз и связанные с этим колебания тока пучка электронов. Полученное снижение амплитуды колебаний тока дуги влечет уменьшение требований к стабилизирующим свойствам цепи питания дугового разряда, а следовательно к снижению мощности, габаритов, веса и стоимости источников питания. Наложение на катодную часть разряда поперечного магнитного поля вызывает постоянное (без остановок) тангенциальное движение фиксированного кольцевой щелью катодного пятна, что исключает образование углублений в области самой щели и увеличивает продолжительность непрерывной работы источника электронов.

Требования малой работы выхода материала стакана и большой работы выхода материала диафрагмы определяет исключение возможности выбегания катодного пятна на внешнюю сторону диафрагмы. Так как катодное пятно образуется только на материале стакана, а фиксация пятна в щели исключает попадание распыляемого материала на внешнюю сторону диафрагмы, то тем самым исключается возможность образования катодного пятна с внешней стороны диафрагмы.

Источник электронов обеспечивает пучок током 1А в течение 25 ч непрерывной работы при амплитуде низкочастотных колебаний тока пучка, не превышающей 3% Использование предлагаемой конструкции катода снижает мощность, затрачиваемую на питание дугового разряда примерно в 3 раза при неизменной амплитуде низкочастотных колебаний тока пучка.

1. ПЛАЗМЕННЫЙ ИСТОЧНИК ЭЛЕКТРОНОВ на основе дугового контрагированного разряда с катодным пятном, перемещаемым магнитным полем по рабочей поверхности катода, содержащий анод, промежуточный электрод с контрагирующим отверстием, катод и экстрактор, отличающийся тем, что, с целью повышения энергетической экономичности источника путем снижения уровня низкочастотных колебаний в разряде, катод выполнен в виде стакана, закрытого диафрагмой с отверстием не менее, чем на порядок превышающим диаметр контрагирующего отверстия в промежуточном электроде, причем ширина кольцевой щели, образованной стаканом и диафрагмой, равна глубине стакана. 2. Источник электронов по п.1, отличающийся тем, что стакан выполнен из материала с работой выхода ниже работы выхода материала диафрагмы.