Способ генерирования ионного пучка

 

Использование: для вакуумно-плазменной обработки инструмента деталей машин и прочих изделий . Сущность изобретения: в разрядной полости вакуумной камеры возбуждают двухступенчатый вакуумно-дуговой разряд с интегрально-холодным катодом, включающий пространственно разделенные металлогазовую и газовую ступени Эмиссионную сетку располагают в зоне газовой ступени разряда Подачу страдательного потенциала на сетку и в зону рабочей полости вакуумной камеры осуществляют после поджига дуги разряда. При этом металлогазовую ступень разряда пространственно отделяют от рабочей полости камеры 1 ид

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ

К ПАТЕНТУ

Комитет Российской Федерации по патентам и товарным знакам (21} 5008834/25 (22} 11.11.91 (46} 30.1093 Бюл. No 39-40 (71} Научно-производственное предприятие "H0BATEX" (73} Научно-производственное предприятие "НОBAT EX" (54} СПОСОБ ГЕНЕРИРОВАНИЯ ИОННОГО

ПУЧКА (57} Использование: для вакуумно-плазменной обработки инструмента. деталей машин и прочих из(в) )Щ (и) 2002334 Cl (51) 5 Н01 327 08 делий Сущность изобретения: в разрядной полости вакуумной камеры возбуждают двухступенчатый вакуумно-дуговой разряд с интегрально-холодным катодом, включающий пространственно разделенные металлогазовую и газовую ступени. Эмиссионную сетку располагают в зоне газовой ступени разряда. Подачу отрацательного потенциала на сетку и в зону рабочей полости вакуумной камеры осуществляют после поджига дуги разряда. При этом металлогазовую ступень разряда пространственно отделяют от рабочей полости камеры. 1 ил.

2002334

Изобретение относится к технике получения сильноточных ионных пучков большого сечения, Широко распространен способ генерирования ионного пучка посредством ионных источников Кауфмана, согласно которому накаляемый катод, имитирующий электроны, располагают на оси цилиндрической разрядной камеры, которую помещают в 10 слабое магнитное поле. Анодом в данном случае служит часть цилиндра. При этом способе генерирования ионного пучка электроны движутся в скрещенных магнитных и электрических полях по спиральных траек-. 15 ториям вокруг оси, В результате увеличиваются длина их пробега и вероятность иониэации рабочего газа. Ионы вытягиваются, ускоряются и фокусируются двух- или трехэлектродной ионна-оптической системой.

Недостатком генерирования ионного пучка по способу, реализованному в источниках Кауфмана, является относительно небольшой срок службы накаливаемых катодов (несколько десятков часов).

Наиболее близким к изобретению является способ генерирования ионного пучка, включающий возбуждение в замкнутой 30 разрядной полости вакуумной камеры между катодом и анодом электрического газового разряда, формирование эмиссионной границы плазмы между разрядной полостью и сообщающейся с ней электрически изолированной рабочей полостью вакуумной камеры путем подачи на электрически изолированную от вакуумной камеры эмиссионную сетку отрицательного потенциала, а также извлечение и ускорение ионов ïó- 40 тем подачи ускоряющего отрицательного потенциала на электрод, помещенный в зоне рабочей полости вакуумной камеры.

При генерировании ионного пучка по этому способу, например, в установке с пло- 45 щадью эмиссионной сетки 1000 см величи2 на ионного тока составляет1 А. Таким образом, плотность ионного тока составляет 1 мА/см . Увеличение плотности ионного тока может быть достигнуто за счет 50 разветвления поверхности катода, а это усложняет конструкцию и соответственно снижает надежность установки. . Цель изобретения — повышение плотности ионного тока, Поставленная цель достигается за счет того. что в способе генерирования ионного пучка, включающем возбуждение между катодом и анодом, установленными в замкнутой разрядной полости вакуумной камеры, электрического газового разряда, формирование эмиссионной границы плазмы между разрядной полостью и сообщающейся с ней изолированной рабочей полостью вакуумной камеры путем подачи отрицательного потенциала на электрически изолированную от вакуумной камеры эмиссионную сетку, извлечение и ускорение ионов путем подачи ускоряющего отрицательного потенциала на электрод, помещенный в зоне рабочей полости вакуумной камеры, согласно изобретению в разрядной полости возбуждают двухступенчатый вакуумно-дуговой разряд с интегрально-холодным катодом с пространственно разделенными металлогазоной и газовой ступенями, при этом подачи отрицательных потенциалов на эмиссионную сетку и в зону рабочей полости вакуумной камеры осуществляют после поджига двухступенчатого разряда, причем используют сетку, расположенную в зоне газовой ступени двухступенчатого разряда, а металлогазовую ступень разряда пространственно отделяют от рабочей полости камеры.

На чертеже приведена установка для генерирования ионного пучка для реализации предлагаемого способа.

Установка содержит вакуумную камеру

1, в разрядной полости 2 которой размещены интегрально-холодный катод 3 вакуумнодугового разряда и оппозитно ему — анод 4.

Вблизи катода 3 установлена непроницаемая для ионов металла, генерируемых с поверхности катода, но проницаемая для электронов перегородка 5. которая делит разрядную полость 2 на катодную и анодную части б и 7, Разрядная полость 2 изолирована от рабочей полости 8 вакуумной камеры 1 изоляторами 9.

Между анодной частью 7 разрядной полости 2 и рабочей полостью 8 вакуумной камеры 1 установлена эмиссионная сетка

10 на изоляторах 11, Электропитание источника ионов проводится от источника 12 электропитания вакуумно-дугового разряда, источника 13 электропитания камеры 1, источника 14 электропитания эмиссионной сетки 10, В цепи электропитания вакуумно-дугового разряда установлено токовое реле 15, исполнительный орган 16 которого (нормально открытые контакты) включен в цепь электропитания эмиссионной сетки 10 и в цепь ускоряющего напряжения.

Работает установка следующим образом.

Вакуумная камера 1 системой откачки откачивается до давления 10 Па и затем в

2002334 нее напускается рабочий газ (например, аргон) до давления 10 Па. С помощью систе-1 мы поджига между катодом 3 и анодом 4 в полости 2 возбуждается двухступенчатый вакуумно-дуговой разряд (ДВДР). Разряд формируется с помощью не проницаемой для ионов металла, генерируемых с поверхности катода, но проницаемой для электронов перегородки 5: Катодная часть 6 разрядной полости 2 заполнена металлогазовой плазмой. Ионы металла генерируются в катодном пятне дуги и распространяются с поверхности катода по прямолинейным траекториям.

Поскольку перегородка 5 не проницаема 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 электронами. проходящими через перегородку 5 под действием 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 источники 13 и 14 электропитания.

Такая последовательность включения источников электропитания (сначала включается источник 12 электропитания, а только после возбуждения разряда — источники

13 и 14) обусловлена необходимостью возбуждения разряда.

Напряжение на сетке выбирается иэ условия необходимой энергии ионов и формирования границы газовой плазмы, с с поверхности которой происходит ускорение ионов, не выходящей за пределы сетки. Первое условие задается технологическими требованиями, второе определяется из условил

55 (1 (2е1 0о

)72 (M ) Я где d — ширина слоя ионного объемного 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 объемного заряда. Часть ионного потока осаждается на сетке, а часть (примерно пропорциональная коэффициенту прозрачности сетки) пролетает сквозь сетку и производит обработку изделий, размещенных в рабочей полости 8 вакуумной камеры.

Нейтрализация объемного заряда ионов производится вторичными электронами, образуемыми при бомбардировке изделий и стенок камеры ускоренными ионами. Источник 14 создает двойной слой в рабочей полости 8 вакуумной камеры между сеткой и вторичной плазмой в обьеме полости 8, препятствующий уходу электронов из обьема полости 8 в анодную часть 7 разрядной полости 2, Было экспериментально показано. что величина ионного тока, извлекаемого из положительно о столба газовой плазмы

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

Sc

1 025 p()

Sk

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

Работоспособность источника ионов определялась на установке, изображенной на чертеже, В вакуумной камере установки устанавливалась на верхнем фланце, на котором размещен катод из алюминия, перегородка в виде шеврона. Испаритель (катод

3) устанавливался на резиновой прокладке, которая выполняла функцию герметизатора и уплотнителя одновременно. На нижнем фланце камеры располагается водоохлаждаемый медный анод диаметром 90 мм. Через всю камеру от верхнего до нижне о фланцев устанавливалась сетка из четырех изолированных друг от друга секций диаметром 100 мм и общей длиной 320 мм (коэффициент прозрачности сетки 0,5).

Разряд запитывался от источника электропитания. Напряжение на разряде 42В при токе разряда 40 А. Напряжение источ2002334 (56) Габович М.Д. и др. Г!учки ионов и атомов для управляемого термоядерного синтеза и технологических цепей. M.: Энергоатомиз5. дат, 1986, с. 135-136.

Метель А.С. Источники пучков заряженных частиц большого сечения на основе тлеющего разряда с холодным полым катодом.

В сб.: Плазменная эмиссионная электроника, Из-во Улан-Удэ, Бурятский институт естественных наук СОАН СССР, июнь 1991, с.

77-81, рис. 2.

Формула изобретения

СПОСОБ ГЕНЕРИРОВАНИЯ ИОННОГО ПУЧКА, включающий возбуждение между катодом и анодом, установленными в замкнутой разрядной полости вакуумной камеры, электрического газового разряда, формирование эмиссионной границы плазмы между разрядной полостью и сообщающейся с ней электрически изолированной рабочей полостью вакуумной камеры путем подачи отрицательного потенциала на 30 электрически изолированную от вакуумной камеры эмиссионную сетку, извлечение и ускорение ионов путем подачи ускоряющего отрицательного потенциала на электрод, помещенный в зоне рабочей полости вакуумной камеры, отличающийся тем, что в разрядной полости возбуждают двухстуника 13 электропитания составляло 5008, Суммарная сила тока в секциях сетки 3,1 А.

Сила ионного тока, замеренная в цепи источника 13, составляла 5,9 А, при площади сетки 1000 см плотность ионного тока 2,9 мА/см, что в 2,9 раза выше, чем в устройст2 ве, взятом в качестве прототипа..Препятствием к дальнейшему повышению ионного тока, извлекаемого из источника, является ограниченность мощности примененного для этих целей источника 13 электропитания.

Эксперимент показал, что увеличение тока разряда ведет к пропорциональному увеличению ионного тока, пенчатый вакуумно-дуговой разряд с интегрально-холодным катодом с пространственно разделенными металлогазовой и газовой ступенями, при этом пространственное разделение ступеней разряда осуществляют с помощью перегородки. не проницаемой для ионов металла, генерируемых r. поверхности катода, но проницаемой для электронов, причем подачу отрицательных потенциалов на эмиссионную сетку. расположенную в зоне газовой ступени разряда. и s зону рабочей полости вакуумной камеры производят после поджига двухступенчатого разряда, а металлогазовую ступень разряда пространственно отделяют от рабочей полости камеры.

2002334

Составитель С.Григорьев

Техред M.Mo pre tan Корректор M.Têà÷

Редактор Т.Рыбаловв

Тираж Подписное

НПО" Поиск" Роспатента

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

Заказ 3175

Производственно-издательский комбинат Патент, г. Уж ор д, у . р . У г о л.Гага ина, 101