Ионный источник

 

Использование: для комплексной поверхности вакуумно-плазменной обработки инструмента, деталей машин и иных изделий. Сущность изобретения; в разрядной полости вакуумной камеры ионного источника возбуждается двухступенчатый вакуумно-дуговой разряд с интегрально-холодным катодом Для этого между анодом и катодом устанавливается перегородка, делящая разрядную полость на катодную и анодную части. Кроме того, анодная часть разрядной полости через эмиссионную сетку сообщается с рабочей полостью вакуумной камеры а в цепи источника питания двухступенчатого разряда установлено токовое репе, исполнительный орган которого расположен в цепи источника питания сетки и источника ускоряющего напряжения. 2 зпф-лы, 2 ил.

(19) ШЦ (11у 2 (51) 5 НО1 J27 08

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ

К HATERS

Комитет Российской Федерации пе патентам и товарным знакам (О) 50081 80/25. (22) 11.11.91 (№6) 30.10.93 Бал. Йя 39В (71) Научно-производственное предприятие НОВАТЕХ"

P3) Научно-производственное предлриятие "H0ИАТЕХ" (64) ИОННЫЙ ИСТОЧНИК (Я) Использование: для комплексной поверхности вакуумно-плазменной обработки инструмента. деталей машин и иных изделий. Сущность изобретения е разрядной полости вакуумной камеры ионного источника возбуждается двухступенчатый вакуумно-дуговой разряд с интегрально-холодным катодом. Для этого между анодом и катодом устанавливается перегородка, делящая разрядную полость на катодную и анодную части. Кроме того, анодная часть разрядной полости через эмиссионную сетку сообщается с рабочей полостью вакуумной камеры, а в цепи источника питания двухступенчатого разряда установлено токовое репе, исполнительный орган которого расположен в цепи источника питания сетки и источника ускоряющего напряжения. 2 з.п.ф-лы,2 ил.

2002333

Изобретение относится к технике получения сильноточных ионных пучков большого сечения.

Широко распространены ионные источники Кауфмана. В них электроны эмиттируются накаляемым катодом, расположенным на оси цилиндрической разрядной камеры, помещаемой в слабое продольное магнитное поле. Анодом служит часть цилиндра, Электроны движутся в скрещенных магнитном и электрическом полях по спиральным траекториям вокруг оси, s результате увеличиваются длина их пробега и вероятность ионизации рабочего газа. Ионы вытягиваются, ускоряются и фокусируются двух- или трехэлектродной ионна-оптической системой, Недостатком источников Кауфмана является относительно небольшой срок службы накаливаемых катодов (несколько десятков часов).

Известен источник пучков заряженных частиц большого сечения на основе тлеющего разряда с холодным палым катодом.

Источник содержит камеру, в которой П-образные полые катоды образуют разрядную полость. Сквозь отверстие в полом катоде в разрядную полость проходит анод, Все катоды изолированы друг от друга и соединены с регулируемым источником разрядного напряжения через отдельные резисторы, что предотвращает переход разряда в дугу, Эмиссионная сетка с высокой прозрачностью (70-90;ь) изолирована от разрядной полости и рабочей полости вакуумной камеры. Источник ионов имеет источник электропитания тазового разряда, из плазмы которого извлекаюгся ионы, источник напряжения, подкл оченный отрицательным пол асом к сетке и отсекающий ток электронов из синтезированной плазмы через сетку в полость разрядной камеры, и источник ускоряющего напряжения.

8 источнике с площадью эмиссионной сетки 1000 см величина ионного тока со2 ставляет 1 А. Таким образом, плотность ионного тока составляет 1 мА/см, Увеличение

2 плотности ионного тока может быть достигнута за счет разветвления поверхности катода, что усложняет конструкцию.

Тезисы докладов, статья A.Ñ,Ìåòåëü.

Источники пучков заряженных частиц большого сечения íà основе тлеющего разряда с холодным полым катодам, Иэд-ва УланУде, Бурятский институт естественных наук

С0 АН СССР, июнь 1991, с. 77 — Bl, рис, 2, В сб.: Плазменная эмиссионная электроника.

Цель изобретения — повышение плотноСти иОннОГО TOKB.

Поставленная цель достигается тем, что в предлагаемом ионном источнике, содержащем вакуумную камеру с сообщающимися между собой через эмиссионную сетку и электрически изолированными от нее рабочей и разрядной полостями, в последней из которых установлены катод и анод газового разряда, а также источник электропитания газового разряда, подключенный к электродам, источник ускоряющего напряжения, отрицательный полюс которого подключен к стенке рабочей полости, и источник напряжения, отрицательный полюс которого подключен к эмиссионной сетке, катод выполнен в виде интегрально-холодного катода вакуумно-дугового разряда, между катодом и анодом установлена перегородка, не проницаемая для ионов металла, генерируемых с поверхности катода, но проницаемая для электронов, разделяющая разрядную полость на катодную и анодную части, с рабочей полостью вакуумной камеры через эмиссионную сетку сообщена анодная часть разрядной полости, а в цепи электропитания вакуумно-дугового разряда установлено токовое реле, исполнительный орган которого включен в цепь ускоряющего напряжения и в цепь электропитания сетки. Ионный источник может быть снабжен дополнительным электроизолированным от камеры электродом, соединенным с отрицательным полюсом дополнительного источника тока и расположенным в анодной части разрядной полости против сетки. Дополнительныйй электрод предпочтительно выполнять из материала. отличного от материала катода.

Реализация поставленной цели достигается за счет использования для создания плазмы, из которой генерируются ионы, более сильнаточного вакуумно-дугового разряда, от величины которого зависит степень ионизации плазмы, и, следовательно, извлекаемый иэ нее ионный ток не зависит ат геометрических размеров катода, а определяется его теплофизическими свойствами.

Не составляет труда получение разрядных токов в десятки мА/см, 2

На фиг.l; на фиг.2 — вариант источника с дополнительным распыляемым электродом, Ионный источник (фиг.1) содержит вакуумную камеру 1, в разрядной полости 2 которой размещены напротив друг друга интегрально-холодный катод3 вакуумно-дугового разряда и анод 4. Вблизи катода 3 установлена не проницаемая для ионов металла, генерируемых с поверхности катода, 2002333

10

f =0,25 ip —, Sñ

Sk но проницаемая для электронов перегородка 5, которая делит разрядную полость 2 на катодную и анодную части 6 и 7.- Разрядная полость электроизолирована от рабочей полости 8 вакуумной камеры 1 изоляторами 9.

Между анодной частью 7 разрядной полости 2 и рабочей полостью 8 вакуумной камеры 1 установлена сетка 10 на изоляторах 11.

Электропитание источника ионов проводится от источника 12 электропитания вакуумно-дугового разряда, источника 13 ускоряющего напряжения (электропитания камеры) и источника 14 напряжения (электропитания сетки 10). В цепи электропитания вакуумно-.дугового разряда установлено токовое реле 15, исполнительный орган 16 которого (нормально открытые контакты) включен в цепь электропитания эмиссионнойсетки 10и в цепьускоряющего напряжения.

В анодной части 6 разрядной полости 2 может быть установлен дополнительный электроизолированный от камеры посредством изолятора 17 распыляемый электрод

18 (фиг.2); соединенный с отрицательным полюсом источника 19 электропитания. Работает ионный источник следующим о6разом. Вакуумная камера 1 системой откачки откачивается до давления 10 Па и затем в

-з нее напускается рабочий газ (например, аргон) до давления 10 Па, С помощью систе-1 мы поджига между катодом 3 и анодом 4 в разрядной полости 2 возбуждается двухступенчатый вакуумно-дуговой разряд (ДВДР}.

Разряд формируется с помощью не проницаемой для ионов металла, генерируемых с поверхности катода, перегородки 5. Катодная часть 6 разрядной полости 2 заполнена металлогазовой плазмой. Ионы металла генерируются в катодном пятне дуги и распространяются с поверхности катода 3 по прямолинейным траекториям, Поскольку перегородка 5 непроницаема для ионов металла, ионы металла задерживаются ей и в анодную часть 7 разрядной полости 2 не попадают.

Анодная часть 7 разрядной полости 2 заполнена положительным столбом чисто газовой плазмы, образуемой электродами, проходящими через перегородку 5 под воздействием электрического поля анода 4.

При возникновении разрядного тока в цепи катода 3 и анода 4 срабатывает токовое реле

15. которое своим исполнительным органом

16 (нормально открытые контакты) включает источник 13 ускоряющего напряжения и источник 14 напряжения. Такая последовательность включения источников напряжения (сначала включается источник

12, и только после возбуждения разряда— источники t3 и 14) обусловлена необходимостью возбуждения разряда. Напряжение на сетке выбирается из условия необходимой энергии ионов и создания границы газовой плазмы, с поверхности которой происходит ускорение ионов, не выходящей за пределы сетки. Первое условие задается технологическими требованиями, второе определяется иэ условия

1 2е U

2 9 )177 M 172 где d — ширина слоя ионного обьемного заряда, отделяющего коллектор ионов (сетку) от границы плазмы;

h — характерный размер сетки (расстояние между соседними элементами сетки), M — масса иона:

Uo — напряжение между плазмой и сеткой;

J — плотность тока положительных ионов на сетку.

Под действием отрицательного потенциала относительно положительного столба плазмы газового разряда положительные ионы плазмы ускоряются в слое обьемного заряда. Часть ионного потока осаждается на сетке 10, а часть (примерно пропорциональная коэффициенту прозрачности сетки) пролетает сквозь сетку 10 и и роизводит обработку изделий, размещенных в рабочей полости 8 вакуумной камеры 1. Нейтрализация обьемного заряда ионов осуществляется вторичными электронами, образуемыми при бомбардировке изделий и стенок камеры 1 ускоренными ионами. Источник 14 напряжения создает двойной слой в рабочей полости 8 вакуумной камеры между сеткой и вторичной плазмой в обаеме полости 8, препятствующий уходу электронов из обьема полоти 8 в анодную часть 7 разрядной полости 2, Было экспериментально показано, что величина ионного тока, извлекаемого из положительного столба газовой плазмы

ДВДР на всю площадь коллектора ионов Яр (площадь коллектора ионов — вся площадь анодной части 7 разрядной полости 2, включая площадь анода 4, сетки 10 (S<} и перегородки 5) с учетом коэффициента прозрачности сетки 10

2002333

Поскольку в ДВДР ток разряда определяется только теплофиэическими свойствами охлаждаемого катода, то ионный ток в устройстве ограничивается в основном тепловыми возможностями сетки 10.

Работоспособность источника ионов определялась на установке, изображенной на фиг.1. В вакуумной камере установки устанавливалась на верхнем фланце, на котором расположен катод из алюминия, перегородка 4 в виде шеврона. Испаритель (катод 3) устанавливался на резиновой прокладке, которая выполняла функцию герметизатора и уплотнителя одновременно. На нижнем фланце камеры размещался водоохлаждаемый медный анод диаметром 90 мм, Через всю камеру от верхнего до нижнего фланцев устанавливалась сетка из четырех изолированных друг ат друга секций диаметром 100 мм и общей длиной 320 мм (коэффициент прозрачности сетки 0,5). РазФормула изобретения

1. ИОННЫЙ ИСТОЧНИК, содержащий вакуумную камеру с сообщающимися между собой через эмиссионную сетку и электрически изолированными от нее рабочей и разрядной полостями. в последней иэ которых установлены катод и анод газового разряда, источник электропитания.газового разряда, подключенный к электродам, источник ускоряющего напряжения, отрицательный полюс которого подключен к стенке рабояей полости, и источник напряжения, отрицательный полюс которого подключен к эмиссионной сетке, отличающийся тем, что катод выполнен в аиде интегрально-холодного катода вакуумно-дугового разряда, между катодам и анодом установлена перегородка, не проницаемая для. ионов металла, генерируемых с поверхности катода, но проницаемая для электронов, разделяющая ряд запитывался от источника 11 электропитания, Напряжение на разряде 42В при токе о разряда 40 А. Напряжение источника 13 ус5 коряющего напряжения составляло 500В, о

Суммарная сила тока в секциях сетки 3,1 А.

Сила ионного тока. замеренная в цепи ускоо

0 ряющего напряжения, составляла 5,9 А. При площади сетки 1000 см плотность ионнага така составляет 2.9 мА/см, что в 2,9 раза выше, чем в устройстве. взятом в качестве прототипа, Препятствием к дальнейшему повышению ионного тока, извлекаемого из источника, является ограниченность мощности примененного для этих целей источника 13 ускоряющего напряжения.

Эксперимент показал, что повышение тока

20 -разряда ведет к пропорциональному увеличению ионного тока. разрядную полость на катодную и анодную части, при этом через эмиссионную сетку с рабочей полостью вакуумной камеры сообщена анадная- часть разрядной полости. причем в цепи электропитания вакуумнодугового разряда установлено токовое ре. ле. исполнительный орган котоаога включен в цепь электропитания эмиссионной сетки и в цепь ускоряющего напряжения.

35 2, Источник по п.1, отличающийся тем, что он снабжен дополнительным распыляемым электродом, электроизолираванным от камеры и соединенным с отрицательным полюсом дополнительного источника тока, при этом распыляемый электрод расположен в анодной части разрядной полости напротив эмиссионной сетки.

3. Источник по п.2, отличающийся тем, чта дополнительный рвспыляемый электрод выполнен из материала, отличного от материала катода;

2002333

Юиг Г

Составитель С.Григорьев

Техред M,Ìîðãåíòàë Корректор M.Ïåòðoâà

Редактор Т.Рыбалова

Тираж Подписное

НПО "Поиск" Роспатента

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Заказ 3175

Произеодстеенно-издэтеаьскии комбинат "Патент", г, 1ггкгород. уп,1 àãàðèHà, 1б\