Источник ионов

 

Изобретение относится к источникам ионов и может найти применение в ускорительной технике, в радиационной физике, для улучшения физико-химических свойств полупроводников, диэлектриков и металлов путем имплантации в них различных примесей в виде ускоренных ионов. Целью изобретения является упрошение конструкции и повышение надежности работы уа. Источник ионов содержит цилиндрический катод, коаксиально расположенный с ним керамический изолятор, поджигающий электрод, анод, коллектор ионов, импульсный трансформатор, высоковольтный вывод которого электрически подсоединен к катоду. В отличие от известных устройств к высоковольтному выводу импульсного трансформатора подключена дополнительная, выполненная на том же сердечнике обмотка, и общий вывод основной и дополнительной обмоток подключен через резистор R<SB POS="POST">1</SB> к катоду, а второй вывод дополнительной обмотки подключен к аноду, катод и поджигающий электрод соединены емкостью C<SB POS="POST">1</SB>, поджигающий электрод через диод и параллельно соединенные емкость C<SB POS="POST">2</SB> и резистор R<SB POS="POST">2</SB> соединены с анодом. Величин емкостей C<SB POS="POST">1</SB> иС<SB POS="POST">2</SB> определяется соотношениями между основными параметрами устройства. При этом процесс инициирования плазмы осуществляется не только в начале импульса напряжения, но и по мере обрыва основного дугового разряда. Самосогласованный режим генерации плазмы и ускорения ионов от одного импульсного трансформатора не требует систем синхронизации. 1 ил.

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

С0ЦИАЛИстИЧНЯИХ

РЕСПУБЛИК (191 Of) А1 (51) 5 Н 01 3 3/04

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬС1 ВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЯТ

re NSOaI ЕТйНИЯ 1 e O aae

flPN ГКНТ СССР . (46) 30. 09. 90. Бюл. ¹ 36 1 (21) 4257125/31-25 (22) 04,06. 87, (71) Научно-исследовательский инсти- тут ядерной физики при Томском политехническом институте им. С.М. Кирова (72) Н.М.Арзубов, Г.П. Исаев, Е.И.Лу.— конин и А.И. Рябчиков (53) 533,9(088.8) (56) Арэубов Н.N, и др. Частотноимпульсный вакуумно-дуговой источник . ионов, Тезисы докладов.VI Всесоюзного симпозиума по сильноточной электронике. Томск, 1986, т. 3, с. 184.

Аксенов А.И. и др. Источник ионов металлов на основе вакуумного дугового разряда. Тезисы докладов VI Все" союзного симпозиума по сильноточной электронике. т, 3, с. 181 Томск, 1986, т. 3, с. 181. (54) ИСТОЧНИК ИОНОВ (57) Изобретение относится к источни-. ,кам ионов и может найти применение .в ускорительной технике, в радиационной физике для улучшения физикохимических свойств полупроводников, диэлектриков и металлов путем имплан" . тации в них различных примесей в ви-, де ускоренных ионов. Целью изобрете" иия является упрощение конструкции

:и повышение надежности работы устрой", Изобретение относится к источникам ионов и может найтй применение в ускорительной технике, в радиаци" ониой физике для улучшения физикохимических свойств полупроводников, диэлектриков и металлов путем имплаи" ства. Источник ионов содержит цилинд рический катод, коаксиально расположенный с ним керамический изолятор, поджигающий электрод, анод, коллектор ионов, импульсный трансформатор, высоковольтный вывод которого элек-, трически подсоединен к катоду. В от- личие от известных устройств к высоковольтному выводу импульсного трансформатора подключена дополнительная, выполненная на том же сердечнике обмотка, и общий вывод основной и дополнительной обмоток подключен через резистор R1 к катоду, а второй вывод,". дополнительной обмотки подключен к аноду, катод и поджигающий электрод а соединены емкостью С,, поджигающий электрод через диод и параллельно. соединенные емкость С < и резистор R соединены с анодом; Величина емкостей (, С, и С определяется соотношениями между основными параметрами устройства. При этом процесс инициирования 1в,я плазмы осуществляется не только в ф1 начале импульса напряжения, но и по ф мере обрыва основного дугового раз- . р ряда, Самосогласованный режим генера" р ции плазмы.и ускорения ионов от одного импульсного трансформатора не требует систем синхронизации. I ил.

2 тации в нида различных примесей в ви- . де ускоренных ионов.

Целью изобретения является упрощение конструкции и повышение надеж-, ности работы источника ионон.!

455926

На чертеже схематично изображен источник ионов.

Источник ионов содержит цилиндри ческий катод 1, анод 2, мелкострук-. .турнув сетку 3, подзпо аюший электрод

4, изолятор 5, коллектор 6 ионов, :высоковольтный импульсный трансфор матор 7 е дополнительной обмоткой, систему 8 питания, резисторы 9 и 10, . емкости 11 и 12, диод 13..

На цилиндрическом катоде 1 коаксиально расположен поджигакищий электрод

4 ° Электрическая изоляция между катодом 1 и поджигающим электродом 4 с обеспечивается с помощью изолятора

5. Коаксиально с катодом расположен

,анод 2, торцовая поверхность которо"

:го со стороны, противоположной катоду 1, закрыта мелкоструктурной сеткой

3. Коллектор б ионов расположен па- . раллельно мелкоструктурной сетке 3 на некотором расстоянии от нее. Сис" тема 8 питания подключена к. выводам первичной обмотки трансформатора 7.

Высоковольтный вывод трансформатора

7 подключен через резистор 9 к катоду 1 а Вывод дополнительнои Оомотки высоковольтного трансформатора 7 под.ключен к аноду 2. Между анодом 2 и поджигающим электродом 4 последовательно включены емкость 12 и диод

13. Параллельно емкости 12 подкпючена емкость Il.

Устройство работает следующим об разом. При включении системы питания на ,первичной обмотке импульсного трансформатора выделяется импульс напряжения 11,. На вторичных обмотках им:пульсного трансформатора 7 с .,учетом соотношения витков в первичной odмотке W„H вторичных (основной W, и дополнительной W>) и коэффициента использования трансформатора К форми. руются напряжения U< и U3, От допол" иительной обмотки импульсного транс. форматора 7 заряжаются емкости 11 и

12 через резистор 9 (с сопротивлением .К „) с постоянной времени зарядки "1"-,(1,"„)

:,нйе емкостей С,р 10 С „, обеспечивает условие преимущественного выделения зарядного напряжения на емкости 1!.

Отношение напряжений U z „и U c.,< вйделяющихся на емкостях 11 и 12 при зарядке, обратно пропорционально соотношению емкостей, т.е. Uс,,/U

С iles /C 1111 ф

При достижении напряжением Uc, на емкости 11 величины, соответствующей пробивному напряжению Uo по поверхности изолятора 5 происходит про6 бой зазора между катодом и поджигающим электродом 4. В результате пробоя между электродами и 4 формируется ниэковольный дуговой разряд с катодным пятном на катоде I. Плазма дугового разряда начинает расширяться в cvopohy анода 2. Напряжение U > иа емкости С„ падает до вепичинй, соответствующей падению напряжения

15 на дуговом разряде. Емкость С, продолжает заряжаться па плазменному каналу через резистор R с постоянной времени

1 в пределах U =5-150 В, горение ругового разряда между катодом 1 и поджигающим электродом 4 прекратится, ког- да величина падения напряжения на емкости С превысит величину падЕвия напряжения на дуговом разряде между катодом 1 и анодом 2. Таким образом, необходимо, чтобы к моменту достижения плазмой анода 2 емкость С 1 заря.-.. дилась до напряжения, превышающего падение напряжения на. дуге U между .анодом 2 и катодом 1.

Соотношение, определяющее данное условие, можно получить исходя из

4О следующих соображений. После пробоя промежутка между катодом 1 и"поджи-: гающим электродом 4 плазма, формируемая катодным пятном вакуумной дуги, достигнет анода 2 за время

L (1) iiï где L — расстояние от катода до анода 2;

Чп„. — скорость распространения плазмы от катода к аноду.

Исходя из условия, что за .время, распространения плазмы dt емкость С, "должна зарядиться до напряжения U, превышающего напряжение горения дуги Uq между катодом и анодом,.получаем .

С, Т " "

11 ф

В линейном приближении заряда емкости С„ в начальный период полу1455926

5 или чаем с учетом, что I

U s KMpU

1 ; 1, Х dt 1Из%Ь

С т иЛ7тл

5 откуда следует с КЫЛЛЯ

„с, „ „ у (4) пл где К вЂ” коэффициент использования трансформатора;

Mz - число витков в первичной и дополнительной обмотках, трансформатора, соответственно;

U, - напряжение в первичной об- 15 мотке трансформатора.

В этом случае, при достижении плазмой анода 2 формируется основной дуговой разряд между катодом 1 и анодом 2. Ток дуги определяется соотношением

11 э т ° к, Учитывая, что U в это время преС1г вышает падение напряжения íà основном25 дуговом разряде, разряд между катодом и поджигающим электродом 4 прекращается.

В то же время диод 13 препятствует уменьшению разности потенциалов на 30 емкости С, до величины, соответствующей падению напряжения на дуге между катодом 1 и анодом 2. Обрыв

1 тока разрядки емкости С через под" жигающий электрод исключает возможность формирования катодного пятна на его поверхности, что, в свою очередь, обеспечивает генерацию чистого ионного пучка только из материала катода.

При выходе плазмы за пределы мел" коструктурной сетки 3 в з аз оре между электродом 6 и сеткой 3 анода 2 происходит ускорение ионов. Энергия ионов при этом определяется величиной45 потенциала анода 2.

Величина тока ускоренных ионов в такой системе источника достигает

l0X от тока дуги.

Случайный обрыв дугового разряда между катодом 1 и анодом 2 приводит к резкому повышению напряжения между катодом 1 и анодом 2. При этом, снова начинается зарядка емкостей С, и С,,1 с последующим пробоем по поверхностй изолятора и повторным инициированием 55 дугового разряда между катодом 1 и анодом 2, Процесс многократного инициирования дугового разряда в случае

6 его обрыва будет происходить до тех пор, пока величина напряжения на емкости С не станет равной

KW 3Uf с Пз 11пр (g Ппр)

1.

Для того, чтобы процесс иницииро вания мог происходить в течение, всей длительности импульса ускоряющего напряжения Гр, необходимо, чтобы вы-- полнялось условие и ° v-и - — -и

KN+U g с - Э пр ц пр

Учитывая, что яти ес

У, К,С„ при условии dt f„ получаем условие, ограничивающее С 1 снизу

KW Ui ° и

Съ л„ и

7с

R(1- " " )

KW U

В общем случае величина емкости

С, долина удовлетворять соотношению киюи 1

-у; С м,R,v..и, <,,и.тм, >

КЧ,П, После окончания импульса ускоряю щего напряжения происходит разрядка конденсатора С „ через резистор R<

/10/ с постоянной времени 7 R C

Соотношение параметров К С, выбирается таким образом, чтобы к моменту прихода следующего импульса при частотном режиме работы, емкость С „ успела разрядиться. Для этого необходимо выполнить :условие с— т где f — частота следования импульсов,.

Таким образом, в предлагаемом ус1 ройстве процесс инициирования плазмы осуществляется не только в начале импульса напряжения, но и по мере обрыва основного дугового разряда, что существенно повышает надежность устройства и увеличивает era КПД.

Кроме того, самосогласованный режим; генерации плазмы и ускорения ионов от одного импульсного трансформатора с дополнительной обмоткой не требует систем синхронизации, что упрощает устройство и повышает его надежностье

При малых токах дуги в несколько единиц:«или десятков ампер, когда вероятность обрыва тока оказывается

Г емкость С„„, g поджигающему электроду подключен катод. диода, анод которого через параллельно соединенные емкость

С, - и резистор И соединен с анодом устройства, причем емкости См и С ь выбраны из условий

С1 10 С „ь С 1 ю

7, ""З RГ1 Unnp p 1

KN ф, где f — частота следования импульсов;

К вЂ” коэффициент использования . трансформатора;

Н вЂ” число витков в дополнительной обмотке;

И, — число витков в первичной об» мотке трансформатора;

U, — напряжение на первичной обмотке;

Ь - расстояние между катодом и анодом;

Ч.„„ - скорость распространения плазмы от катода к аноду;

U — напряжение горения вакуумной

5 дуги;

i„ - длительность импульса ycicopaegего напряжения;

Uä — напряжение пробоя по поверхности изолятора между катодом и поджигающим электродом. очень большой по сравнению с прототипом, в предлагаемом источнике ионов

КПД может быть увеличен, более, чем . на порядок..

Ф о р м у л а и.s о б р е т е н и я

Источник ионов, содержащий цилиндрический катод, коаксиально располоенный с ним поджигающий электродь инду которьии помещен изолятор, анод, торцовая поверхность которого, Л

:со стороны, противоположной катоду,, закрыта мелкоструктурной сеткой, кол-1 ! лектор ионов, импульсный трансформатор с системой питания, высоковольтный вывод которого соединен с катодом, о т л и ч а ю m и и с я тем, ;.что, с целью упрощения конструкции 2Q

:и повышения надежности работы нсточ-. ,ника, импульсный трансформатор снаб-.

;жен дополнительной обмоткой и дополнительно введены два резистора, две .емкости и диод, при атом высоковольт- 25 ньй вывод трансформатора вместе с .первым выводом дополнительной обмотки подключен через резистор R„. к ка, тоду, второй вывод дополнительной об мотки подключен к аноду, между като- 3О

"дом и подяр гающнм электродом включена

Составитель А* Ястребов

Редактор Н. Коляда Техред И. оданиич Корректор

8. Гирняк

Заказ 3335 „Тираж 4Î4 Подписное

ВНИИПИ, Государственного комитета по изобретениям и открытиям при 1 КНТ СССР

113Î35, Москва, Ж-35ь Раушакая наб., д. 4/5 ььроиэводственно издательский комбинат патент ь -" ° ужгородь у 1 @гар@иаь 161