Дуоплазматрон Советский патент 1993 года по МПК H01J27/10 

камеры дуоплазматрона, В камеру (обычно молибденовую), являющейся анодом, помещены две вольфрамовые нити и тигель, который обычно изготавливают из тантала или графита (для различных исходных веществ)с Предельная температура камеры 1бОО°С.

Недостаткам известных источников являются низкие рабочие токи ионов (100 мкА и малый коэффициент ионизации вещества -

Ближайшим техническим решением является источник ионов - дуоплазматроНу содержа1ций анод с коническим экспандером, промежуточный электрод с полостью, в которой расположено устройство ввода рабочего вещества в виде тигля с коническим корпусом и каналом, выполненным в его вершине, катод, расположенный в полости тигля, и экстрактор с отверстием.

Известный источник обеспечивает большой ток ионов до 10-20 шА, что достигается за счет расположения катода во внутренней полости промежуточного электрода с Полость промежуточного электрода снабжена дополнительной системой откачки. Рабочее вещество помещают в испаритель, который с набором теплоизолирующих экранов введен в полость промежуточного электрода. Нагрев рабочего вещества осуществляется последовательно током термоэлектронной 31миссии с катодом и током дуги, зажигаемой между катодом и промежуточным электродом с После поджига дуги катод анод извлечение ионов производится с поверхности плазмы, заполняющей чашку экспандера анода путем прикладывания между анодом и экстрактором высокой разности потенциалов

(15-20 кВ). . i

Недостатком известного источника является ограниченное время работы с максимальной эффективностью вследствие зарастания отверстия в экспандере ,

Целью изобретения является повышение времени работы источника с

Эта цель достигается тем, что в источнике ионов-дуоплазмотроне, содержаи1ем анод с коническим экспандером, промежуточный электрод с полостью, в которой расположено устройство ввода рабочего веи ества в 1з

де тигля с коническим корпусом и каналом, выполненным в его вершине, катод, расположенный в полости тигля, и Экстрактор с отверстием, между коническим корпусом тигля и экспандером анода устаноелена система экранов, Находящихся в контакте между собой, электрически соединяющая проме4 уточный электрод и анод, а в отвеэстии экстрактора со стороны, противоположной аноду, установлен кольцезой термокатод, расположенный так что фокус эмиттируемого им электронно о луча совпадает с выходом канала в орпуса тигля, обращенным к анодУс

На фиг Л изображен источник, разрез; на фиг. - основные элементы источника, формирующие тракт, Формирующий ионный пучок; на фиг.З конструкция тигля

Источник содержит анод 1, предст1авляющий собой цилиндр, изготовленHbiid из стали Стс 3 с проточенной полостью - для водяного охлаждения В отверстие анода 1 1б мм вставлен экспандер 3, выполненный в виде конуса из стали Стс 3 с углом при вершине 9П°, Внутри конуса выточена цилиндрическая полость 10 мМс Диаметр отверстия при вершине 1, мМс

Для питания катода , изготовленного из полости тантала, имеются водоохлаждаемые медные вводы, вмонтированные в водоохлаждаемую крышку 5 стакана 6, изготовленного из нержав„ стали 12Xl8MlOTj изолирова нные от него с помощью металлокерамических изоляторов 7. Промежуточный электрод 8, изготовленный из стали Ст„ 3, оканчивается полюсами с каналом по оси разряда 1 и длиной 5 мм„ Ти-, гель 9 в сборе и промежуточный электрод 8 поме1цень в водоохлаждаемый корпус, изготовленный из стали Х18Н10Т, на который надета катушка соленоида П образного электромагнита 10, Магнитный поток от катушки замыкается с помощью внешнего магнитопроБода 11 изготовленного в виде набора пластинок из железа армко, которые изолированы от анода с помощью фторопластовых прокладок.

Для охлаждения корпуса источника в нем имеется полость водяного охла фенияо Для удобства при разработке и сборке источника применено сочленение токоподводящих проводов от

источника питания с гибкими проводами с помощью прижимных контактов 12

Экстрактор 13 изготовлен из СТоЗ в виде конусообразного электрода с углом при вершине 110 и отверстием диаметром 10 мМо Экстрактор отделен от анода вакуумным промежутком 5 мМо С стороны экстрактора, обратной аноду, смонтирован кольцевой вольфрамовый термокатод 14 (0,2 мм), расположенный так, что положение фокуса электронного луча совпадает с выходом канала тигля 9

В полости промежуточного электрода 15 находится заключенный в молибденовый корпус тигель 9о На фиг, 3 показан тигель для получения ионов углерода с Тигель 9 содержит выходной канал 16, набор тепловых экранов 17, электроды 18 накала катода и катод Л, заключенные в молибденовый корпус 19о Рассмотрим более подробно конструкцию тигля для случая углерода Поскольку графит испаряется без перехода в жидкость, вводят его в испаритель в виде стаканчика 20 с толщиной стенок 3 мм, плотно прилегающего к внутренней поверхности испарителя.,.

Тигель (фиго З) представляет собой цилиндр в основании с конусом, угол при вершине которого равен 90 /, Конус имеет при вершине отверстие 3 мм. Через два отверстия в наборе верхних экранов нд уплотнениях и высокотемпературной керамики в испаритель введены два танталовых электрода питания катода о Катод источника изготовлен в виде кольца 12 мм из полости тантала (тол1ниной 0,1 мм, шириной 2 мм), прикрепленного с помощью точечной сварки к электродам 18„

Со всех сторон испаритель окружен, теплоизолирующими экранами 17, изготовленными из танталовой и молибденовой фольг толщиной 0,2 мм„ Верхние экраны - набор плоских дисков с выдавленными коническими выступами, предотвращающими слипание экранов; боковые экраны - набор цилиндров с такими же выступами, нижние - набор соосных усеченных конусов. Путем расчетов и экспериментально установлено, что оптимальное количество экранов для случая углерода равно 13-1 шТо При сборке источника блок испарителя установлен таким образом, что обеспечивается механический и электрический контакт между нижними экранами и экспандером и выход канала промежуточного электрода соединен с входом канала экспандера.

Рассмотрим работу источника на примере получения ионов углеродао Нагрев графита до температуры, обеспечивающей давление его пара рТоСТо, необходимого для горения дуги осуи1ествляют в 2 atana: l) до зажигания дуги нагрев осуществляют термоэмиссионным током от накаленного катода 4 к внутренним стеН5 кам испарителя 1б 0,4-0,5 А, 220- . 250 В; 2) после зажигания дуги, которое наступает при достижении необходимой величины давления пара - нагрев производят этой же дугой (5-6 А,

0 IfO-50 в) Одновременно с зажиганием дуги между катодом и внутренними стенками испарителя зажигается основная дуга между катодом и анодом и дуоплазматроном выходит- на обычный

для себя режим работы„

Извлечение ионного пучка с поверхности плазмы, заполнявшей экспандер, осуществляется с помседью квазипирсовой системы электродов, первым

0 электродом которой является конусообразная масть анода 1, вторым экстрактор 13о Источник ионов,находящийся в процессе работы под напряжением 20 кВ, отделен от вакуумной

5 камеры (на чертеже не показана) высоковольтным изоляторомо ,

При длительной работе источника (10 ч и более), как было уже отме0 чено, зарастает рабочим веществ (в рассматриваемом случае графит) канал промежуточного электрода, что приводит к существенному (в 1,52 раза) уменьшению ионного токао Этот

5 недостаток, имею1ций место при длительных режимах работы, устраняется путем введения кольцевого вольфра- , мового катода l (фиг 2) концентрично отверстию в экстракторе, ниже

0 верхней кромки отверстия экстрактора на 0,5-1 ММо Такой дополнительный катод, находящийся под потенциалом земли, совместно с центральной частью анода источника, находящейся

5 под высоким положительным потенциалом, образуют кольцевую электронную пушку, пучок электронов которой сфокусирован на выходе канала 1б тигля 9 о

Пе|;)И(;Л 1чес;кое включение мунгки на короткий про -1емуток времени (не;;ко, секунд) полностью восстанавпизаег /Иаметр канала до первонамальной Белииины и тем самым фактически неограниченно проллевает срок непрерывной стабильной работы источника И длкте.пьнос гь непрерывной работы ис точ5-:и; :а определяется количеством рабочего зешества, вводимого в испаритель 70 М) ;,

В от-ПИчие от рзсегда применяемого в ионных источниках типа луоплг13ма iPOH ззпиг-Ного расположения промежуточно о электрода и анода в изобое« - .п промогжуточного электГ)пдз и онода в изобретении промежуточного электрода посредством системь: экранов 17 (фигс 2) соединен с входом капала экспандера анода. При 3TOf-i величина электрического 1:.оп;:ютивления между ними в рабочем режиме составляет несколько сот Ом тго облег ;;ает зажигание катод зноДо При этом уменьшается путь прохождения плазмы большой концентрации от ганалз промежутоиного электрода ДС-) . - Пгпдерживается ее высокая 1-::ог центр 11,ия за счет уменьшения расрону (отсутствия зазора)с Этот пар либо ионизируется быстрыми эдектрона ии в канале промежуточного электрода, либо, попадая в канал экспандера, ионизируется тем, что также повышает концентрацию положительных ионоз, а следовательно, и величину возможно максимального извлекаемого

0 ионного тока, Уменьшается также ток ионов на Стенки, что приводит к аналогичному положительному эффекту Описанный прием позволил увеличить ток положительных ионов на выходе

5 источника на 20-25, получить для ионов указанных веществ токи 1225 nijii. при ускоряющем напряжении 18 20 кП (против обычно получаемых 1020 А)

При этом предлагаемый источник позволяет при обычной системе откач1 и получать вакуум в рабочем объеме не х:/же 10

Данный источник ионов при сохранении всех положительных качеств вергютельного источника типа дуоплазматрон обеспечивает возможность получения ионов твердых веществ, обладает более высокой эффективно0 стью и более длительным сроком непрерывной работы,,

Фие.1

Фие.З