Ионно-лучевая установка Советский патент 1984 года по МПК H01J27/04 

19 Изобретение относится к области техники создания интенсивных ионных пучков, предназначенных для проведения технологических операций, создания тяги, инжекции плазмы в магнитные ловушки и т.п. Известны ионнолучевые установки (ИЛУ), основанные на газоразрядных источниках ионов с полым катодом, включающие помимо источника системы электропитания,подачи рабочего тела и нейтрализации пучка ионов. на газоразрядных источниках ионов с полым катодом, включающие помимо источник системы электропитания,подачи рабочег тела и нейтрализации пучке ионов. При работе таких ИЛУ необходимо или желательно поддержание следующих параметров установки. 1.Тока ионного пучка Ct (регулирование первого уровня); 2.Коэффициента использования рабочего газа И, определяемого как отношение тока ионного пучка к расходу д- Зп газа в токовом эквиваленте: P-ё : - е7 где дд- - удельный заряд ионов, к/кг m - расход газа, кг/с (регулирование второго уровня). 3.Поддержание заданного потенциала пучка (или мишени в случае ионно лучевой обработки) Ед относительно стенок вакуумной камеры (регулирование третьего уровня). 4.Поддержание некоторых параметров режима работы источника, носящее специальный характер (например, поддержание напряжения разряда Up из соображений ресурса или поддержание мини ально возможного угла расходимости пучка на каждом из режимов работы ИЛУ по току и т.п.). Вид системы регулирования, решающих указанные задачи, зависит от физ ческих особенностей источника ионов, рода рабочего тела, назначения ИЛУ и т.п. Определяющим при этом является выбор решения задачи регулирования первого уровня, решение задачи регулирования последующих уровней в значительной степени определяется указа ным выбором. Параметры системы регули рования в значительной степени определяют важнейшие характеристики ИЛУ, энергетическую и газовую экономичност диапазон регулирования. Известна ИЛУ, содержащая газоразрядный источник ионов, системы электропитания, подачи рабочего газа и трапизации пучка ионов, предназнач 892 ная для использования в качестве ионного двигателя и рабочающая на ртути СП. В известной ИЛУ имеется задатчик режимов, вырабатьшающий сигналы, определяющие ток пучка ионов к разрядный ток. Получаемые с датчиков в цепях питания ионного тока и разряда сигналы, пропорциональные указанным токам,сравниваются с сигналами задатчиков в блоках сравнения устройств, вырабатьшающих управляющие воздействия, изменяющие расход газа в коллектор и в полный катод источника. В качестве регуляторов расхода применяют тепловые пористые дроссели, установленные после испарителя ртути, так что в качестве управляемого параметра используют ток нагрева дросселя. Такая система регулирования предусматривает точное знание оптимальных с точки зрения газовой и энергетической экономичности отношений тока разряда к току пучка ионов на всех режимах работы источника, что может иметь место только для конкретного, хорошо изученного источника. Недостатком ее является также инерционность, так как регуляторы расхода указанного типа имеют постоянную времени, определяемую тепловьми процессами, на уровне десятков секунд. Кроме того, в данной ИЛУ напряжение разряда может меняться в широких пределах, выходя, Б частности, за порог распыпения материала элементов разрядной камеры (около 40 В). Ближайшим техническим решением является ионно-лучевая установка, содержащая пазоразрядный источника ионов, включающий полый катод, анод, коллектор ввода рабочего газа,электромагнит, экранньй, ускоряющий и замедляющий электроды, систему подачи рабочего газа, включаницую устройства подачи газа в полый катод и в коллектор источника, систему электропитания источника, состоящую из источников разрядного напряжения и источников питания экранного, ускоряющего электродов и электромагнита, а также систему регулирования ионного тока, включающую задатчик, датчик ионного тока и устройство, вырабатывающее управляющее воздействие 23. В известной ИЛУ устройство, вырабатывающее управляющее воздейств|1е, соединено с источником питания разряда. Для перевода ИЛУ с одного режима работы по ионному току на другой, сначала с помощью задатчика зада ют сигнал, подаваемый на один из входов блока сравнения, на второй вход которого поступает сигнал с датчика ионного тока, установленного в цепи источника питания экранного электрода. Упомянутое устройство вырабатывает управляющее воздействие, пропорциональное величине рассогласования указанных сигналов, которое изменяет величину разрядного напряжения, создаваемого источником питания разряда При прочих неизменньЬс параметрах режима работы источникам,(величине магнитного поля, потенциалов на электродах, расхода и пр.) ток пучка будет изменяться вслед за изменением напряжения до тех пор, пока сигналы от эадатчика и датчика ионного тока не сравняются. При постоянном расходе коэффициент использования рабочего газа и будет изменяться так же как и ионный ток, т.е. на режимах с низким током 6 будет мал, что снижает газовую и энергетическую экономичность ИЛУ в среднем. Кроме того, диапазон изменения напряжения разряда Цр ограничен с одной стороны напряжением зажигания разряда,а с другой - преде- ч лом по распьтению катода. При работе на ртути 20В Up 40В, при этом ток пзд1ка может быть изменен примерно вдвое. В ряде случаев такой диапазон регулирован:.я недостаточен. Цель изобретения - расширение диапазона регулирования тока ионного пучка. Цель достигается тем, что в извест ной ионно-лучевой установке, содержащей газоразрядный источник ионов, вкпючаюнщй полый катод, анод, коллектор ввода раб.очего газа, электромагнит, экранный, ускоряющий и замедляющий электроды, систему подачи рабочего газа, включающую устройства подачи . газа в полый катод и в коллектор источника, систему электропитания источ ника, состоящую из источника разрядного напряжения и источников питания экранного, ускоряющего электродов и электромагнита, а также систему регулирования ионного, тока, включающую задатчик, датчик ионного тока и устрби- ство, вырабатывающее управлякмцее воздействие, устройство, вырабатывающее управляющее воздействие соединено с источником питания электромагнита,ja устройство подачи рабочего газа в полый катод источника введен регулятор расхода, а в установку введена система поддержания напряжения разряда, включающая задатчик, датчик напряжения разряда и устройство, формирующее управляющее воздействие, увязанное с регулятором расхода газа в катод. На чертеже изображена функциональная схема ИЛУ. ИЛУ содержит газоразрядный источник 1, включаюпщй полый катод 2, анод 3, электрод 4 поджига, экранный 5, ускоряющий 6, замедляющий 7 электроды, а также установленный снаружи электромагнит 8, а внутри источника коллектор 9 для подачи рабочего газа. В 1ШУ входят, кроме того, система подачи рабочего газа, включающая устройство 10 для подачи газа в коллектор 9 и устройство 11 для подачи газа в полый катод 2. В устройстве 10 установлены датчик 12 расхода и регулятор 13 расхода, а также источники 14 и 15 их питания,, В устр.ойстве 11 установлены регулятор 16 расхода и источник 17 его питания . Датчик 12 расхода выполнен, например, в виде нагреваемого пористого дросселя, капилляра или другим известным образом. Электропитание источника Г осуществляется от системы, содержащей источник 18 разрядного напряжения и источники 19-21 питания соответственно экранного, ускоряющего электродов и электромагнита.Замедпяющий электрод 7 заземлен. Управление источником 1 ионов осуществляется тремя системами регулирования. Первая из них - система задания и поддержания ионного тока, включает задатчик 22 тока ионного пучка, датчик 23 тока ионного пучка, установленньй в цепи источника питания экранного электрода 5, а также устройство 24, вьфабатывающее управляющее воздействие, связанное с источником 21 питания электромагнита. Электрод 5 может быть электрически .связан с катодом 2, как это показано на чертеже, а может быть изолирован, и потенциал на нем может поддерживаться с помощью дополнительного (на чертеже не показан) источника. Вторая система регулирования служит для поддержания коэффициента использования рабочего газа (КИГ) при переходе с режима на режим по ионному току. Она содержит задатчик 25 Kill, Олок .fi сфавнения тока пучка vi р,)сход,1 газа n коллектор, преобразопатель 27 (например, термометрического типа) сигнала с датчика расхода газа и устройство 28, вырабатывающее управляющее воздействие, соединенное с источником 15 питания регулятора расхода в коллектор. Третья система регулирования служит для поддержания потенциала мишени 29, обрабатываемой ионным пучком. Эта система содержит катод-компенсатор 30, источник питания 31 кат да-компенсатора, задатчик 32 потен1диала мипшни, датчик 33 потенциала мишени и устройство 34, вырабатывающее управляющее воздействие, соединенное с источником питания 31 катод компенсатора. Для стартового разогре ва полого катода 2 используют нагреватель 35, питаемый от источника тока (на чертеже не показан). Работа ИЛУ осуществляется следующим образом. В начальный момент времени в задатчиках 22 TOKta пучка, 25 КИГ и 32 потенциала заданы сигналы 1п: (э мэ требуемого уровня, включен стартовьй разогрев полого катода 2, осуществля мый от нагревателя 35, а также включ ны все источники электропитания и подан рабочий газ в катод. После вых да полого катода на.номальный температурный режим (зависящий от рода ра бочего газа) подается рабочий газ (аргон, ксенон и т.п.) в коллектор 9 и инициируется разряд с помощью электрода 4 и цепи инициирования (на чертеже не показана). Ток в цепи нагревателя 35 катода может быть после этого снижен до некоторого (дежурно го) уровня. Датчик 23 ионного тока в цепи источника 19 питания экранного электрода вырабатывает сигнал 1, поступающий в блок сравнения устройства, вырабатывающего управляющее воздействие 24. В зависимости от величины рассогл сования сигналов л I j,- 1,вырабатьшается воздействие, изменяющее ток в цепи источника 21 питания, магнита 8. Как показали исследования, измене ние тока электромагнита отнуля до предельной величины пучка ионов изменяется примерно в 7 раз при прочих неизменных условиях. Зависимость In F(IM) близка к линей ной при малых Ivv и постепенно выходи 9 9 на насыщение. Величина 1 с.оотвстгтвует насыщению по ионному току. Наличие описанной системы регулирования позволяет осуществить регулирование 1-го уровня при условиях: расход через коллектор const, расход через катод Гоц const, энергия ионов и const, ток магнита 1 vario, при этом In F(I ). Такая система регулирования обеспечивает преимущество перед известными техническими рещениями, так как является безьшерционной и характеризуется глубиной регулирования „ мин макс /. Физическая возможность такого регулирования основана на влиянии магнитного поля на степень ионизации в разряде данного типа. Особенно удобно использование такой системы регулирования в ИЛУ технологического назначения при ограничении скорости вакуумной откачки из объема, в котором установлена обрабатываемая мишень 29. В этом случае расход газа д+ in устанавливают меньше предельного по скорости откачки, а изменение режимов по току осуществляют только заданием соответствующего тока магнита I уу описанным выше способом. В тех же условиях, когда важно поддерживать и коэффициент использования газа, в ИЛУ может быть введена вторая система регулирования (регулирование второго уровня). В этом случае ИЛУ работает следующим образом. Например, при переходе с одного заданного уровня по ионному току 1р на второй, меньший по величине , в задатчике ионного тока формируют сигнал If,32 результате первая система регулирования за время порядка t реагирует на разбаланс в устройстве 24, изменяя ток ионного пучка до нового заданного уровня При этом в блоке 26 сравнения тока пучка и расхода газа в токовом эквиваленте, получаемого с датчика расхода 12 в коллектор .9, вырабатывается сигнал ий Вз - В между заданным (В) и действительным (В) значением В (в данном случае дВ 0). Если например, регулятор расхода 13 вьшолнен в виде термокапилляра, источник 15 питания вырабатывает большой ток, регулятор расхода начинает переходить на более высокий температурный режим, а расход в коллектор - снижается. Характерное время этих изменений l t (более чем на порядок), поэтому ука

ИОННО-ЛУЧЕВАЯ УСТАНОВКА, содержащая газоразрядный источник ионов, включающий полый катод,анод, коллектор ввода рабочего газа, электромагнит, экранный, ускоряющий и замедляющий электроды, систему рабочего газа, включающую устройства подачи рабочего газа в полый катод и в коллектор источника, систему электропитания источника, состоящую из источника разрядного напряжения и источников питания экранного, ускоряющего электродов и электрома нита, а также систему регулирования ионного тока, включающую задатчик, датчик ионного тока и устройство, вырабатывающее управляющее воздействие, отличающаяся тем, что, с целью расширения диапазона регулирования по току ионного пучi ка, устройство, вьфабатывающее управляющее воздействие, соединено с ис(Л точником питания электромагнита, в устройство подачи рабочего газа в полый катод источника введен регулятор расхода, а в установку введена система поддержания напряжения разрясо да, включающая задатчик, датчик наа пряжения разряда и устройство, формирующее управляющее воздействие, связанное с регулятором расхода газа 00 в катод. со