Плазменный эмиттер ионов

 

Изобретение относится к технике получения плазмы и генерации ионных пучков с большим поперечным сечением. Эмиттер содержит полый анод, полый катод и экранный электрод. Между анодом и катодом установлена соединенная с катодом диафрагма с центральным отверстием. Соленоид устанавливается снаружи электродной системы соосно с ней. Через соленоид пропускается ток, создающий в электродной системе магнитное поле. В катодную полость напускается газ. При подаче напряжения между катодом и анодом зажигается разряд и анодная полость заполняется плазмой, из которой через отверстия в экранном электроде производится отбор ионов. Генерируемая в предложенном устройстве газоразрядная плазма обладает высокой пространственной однородностью, что обеспечивает формирование широких однородных ионных пучков с малой угловой расходимостью при сохранении высокой газовой экономичности и энергетической эффективности устройства. 1 ил.

Изобретение относится к технике получения плазмы и генерации ионных пучков с большим поперечным сечением.

Известны плазменные эмиттеры ионов на основе такой разновидности разряда низкого давления с ненакаливаемым катодом в скрещенных электрическом и магнитном полях, как Пеннинговский разряд [1]. Использование сильных магнитных полей способствует увеличению газовой экономичности и энергетической эффективности источников ионов на основе этого разряда, однако сильные магнитные поля (порядка 0,05 Тл) увеличивают пространственную неоднородность генерируемой плазмы и приводят к возникновению вращательной плазменной неустойчивости. Вследствие затрудненного движения электронов поперек магнитного поля формируются немонотонные радиальные распределения плотности плазмы с максимумом на оси. Поэтому плазменные эмиттеры такого типа используются преимущественно для получения узких цилиндрических пучков.

Для получения ионных пучков большого сечения Пеннинговская электродная система модифицируется, причем модификация обусловлена не только необходимостью формирования плазмы с близким к однородному распределением, но и необходимостью поддержания разряда при меньшем давлении газа, что связано с увеличением скорости откачки газа через многоапертурный экранный электрод по сравнению с системой с одноапертурным электродом. Для улучшения условий поддержания разряда Пеннинговская система обычно используется в сочетании с плазменным эмиттером электронов, например, на основе разряда с полым катодом. Использование таких комбинированных электродных систем приводит к снижению напряжения горения разряда и улучшению газовых и энергетических характеристик источника. Повышенное давление газа облегчает ионизацию газа в катодной полости, а поступающие из нее высокоэнергетичные электроны обеспечивают существенный вклад в ионизацию газа в межэлектродном промежутке Пеннинговского разряда и создание плотной эмитирующей плазмы.

Известный плазменный эмиттер ионов такого типа содержит цилиндрические полые анод и катод, диаметр которого много меньше диаметра анода, экранный электрод ионной оптики, кольцевой постоянный магнит и соленоид, установленные снаружи катода и анода соответственно [2], прототип.

Однако использование полого катода с малой выходной апертурой приводит к концентрации разряда вблизи оси системы, что обуславливает еще большую радиальную неоднородность генерируемой в разряде плазмы по сравнению с оригинальной Пеннинговской системой, поэтому для формирования в таких системах широких пучков с близким к однородному распределением плотности тока по сечению необходимо формировать резко неоднородное расходящееся магнитное поле, а также применять специальные меры для снижения плотности плазмы или уменьшения средней плотности тока эмиссии ионов вблизи оси системы. С этой целью в анодной полости устанавливается перераспределяющий электрод или используется экранный электрод ионной оптики с переменным по радиусу диаметром отверстий. Однако такие методы не обеспечивают в достаточной мере выравнивания распределения плотности эмиссионного тока, и, кроме того, их применение, вследствие возникновения дополнительных потерь ионов, существенно ухудшает энергетическую эффективность плазменного эмиттера.

Задачей изобретения является уменьшение неоднородности распределения плотности тока эмиссии ионов по плазменной поверхности больших размеров при сохранении высокой газовой экономичности и энергетической эффективности устройства.

Для этого в плазменном эмиттере ионов, содержащем полые цилиндрические анод и катод с закрытым торцом, экранный электрод и соленоид, между имеющими одинаковые диаметр и длину анодом и катодом со стороны открытого торца катода установлена соединенная с катодом диафрагма с центральным отверстием, диаметр которого равен требуемому диаметру пучка, причем D = 1,5d, L = d, Bd ~ 1 Тл·мм, где D, L - диаметр и длина анода и катода, d - диаметр отверстия в диафрагме, B - индукция магнитного поля, создаваемого соленоидом на оси разрядной системы.

В предложенной конструкции плазменного эмиттера электронная эмиссия катода обусловлена воздействием ионов, образующихся в результате ионизации газа электронами, ускоренными в прикатодном слое пространственного заряда. Ток разряда замыкается на анод через отверстие в диафрагме. Эмитированные цилиндрической частью катода и набравшие в катодном слое высокую энергию электроны дрейфуют в азимутальном направлении и смещаются в радиальном направлении в результате соударений с атомами газа. В результате взаимодействий с атомами газа электроны приобретают также и осевую составляющую скорости, однако наличие диафрагмы-отражателя исключает возможность быстрого ухода высокоэнергетичных электронов на анод. Они попадают в отверстие диафрагмы только после того, как истратят значительную часть своей энергии на образование в катодной полости ионов в количестве, достаточном для поддержания разряда.

В отличие от разряда с полым катодом малого размера в данной электродной системе быстрые электроны поступают в анодную полость через отверстие большого диаметра, что позволяет избежать концентрации разряда на оси и образования осевого максимума плотности плазмы. При оптимальной величине индукции магнитного поля, определяемой вышеприведенным соотношением (Bd ~ 1 Тл·мм), не образуется и осевого провала в распределении, в результате удается сформировать близкий к однородному профиль плазмы вблизи экранного электрода.

Увеличение диаметра катода и использование достаточно сильного (0,01 Тл) магнитного поля позволило увеличить размер отверстия в диафрагме до диаметра, соответствующего диаметру пучка, без ухудшения условий горения разряда. Это обусловлено тем, что в отличие от разряда с полым катодом без магнитного поля условием устойчивого горения которого является поддержание определенного соотношения между площадью поверхности катода и площадью отверстия в диафрагме, определяющей поверхность потерь быстрых электронов [3], в предлагаемой системе удержание электронов обеспечивается магнитным полем и наличием диафрагмы-отражателя. Поэтому необходимо обеспечить определенное соотношение между характерным размером диафрагмы, который равен разнице радиусов катода и отверстия в диафрагме, и величиной циклотронного радиуса электронов, обратно пропорционального индукции магнитного поля, при выполнении которого скорость потерь быстрых электронов будет ограничена на приемлемом уровне.

Экспериментально установлено, что при соотношении между диаметром электродов и диаметром отверстия в диафрагме D/d = 1,5 и величине магнитного поля B (Тл) ~ 1/d (мм) обеспечивается устойчивое горение разряда при ограниченном потоке газа, напускаемого в катодную полость, а в анодной полости генерируется плазма с близким к однородному распределением плотности вблизи эмиттерного электрода. Увеличение диаметра отверстия в диафрагме по сравнению с вышеуказанным соотношением затрудняло горение разряда и приводило к ухудшению газовой экономичности и энергетической эффективности эмиттера ионов, а уменьшение диаметра отверстия приводило к увеличению неоднородности радиального распределения плотности плазмы. Увеличение магнитного поля выше оптимального приводило к формированию кольцевого максимума плотности плазмы, а уменьшение затрудняло горение разряда. Уменьшение длины электродов относительно оптимальной, близкой их диаметру, затрудняло горение разряда и нарушало однородность эмиссии ионов, а увеличение длины приводило к снижению плотности ионного тока, т.е. снижало энергетическую эффективность эмиттера. Предложенный плазменный эмиттер ионов благодаря указанным отличительным признакам обеспечивает практически однородную ионную эмиссию с плазменной поверхности больших размеров и обладает повышенной газовой экономичностью и энергетической эффективностью.

На чертеже представлен предложенный плазменный эмиттер ионов. Электродная система эмиттера содержит полый анод 1, полый катод 2 и экранный электрод 3. Между анодом и катодом установлена имеющая потенциал катода диафрагма 4 с центральным отверстием. Соленоид 5 устанавливается снаружи электродной системы соосно с ней.

Плазменный эмиттер ионов работает следующим образом.

Через соленоид 5 пропускается ток, создающий в электродной системе магнитное поле. В катодную полость напускается газ. Между катодом 2 и анодом 1 прикладывается напряжение. Для облегчения зажигания разряда на экранный электрод 3, как и на диафрагму 4, может быть подан катодный потенциал. При горении разряда анодная полость заполняется плазмой, из которой через отверстия в экранном электроде 3 производится отбор ионов. После зажигания разряда электрод 3 отсоединяется от источника питания и его потенциал становится плавающим, что способствует уменьшению угловой расходимости формирующихся в многоапертурной ускоряющей системе элементарных пучков, а диафрагма 4 остается под катодным потенциалом.

Испытания опытного образца плазменного эмиттера ионов проводились с использованием электродной системы с размерами D = 120 мм, d = 80 мм, L = 80 мм при индукции магнитного поля до 15 мТл. Поток аргона, напускавшегося в катодную полость, составлял 10 см³атм/мин. Ток разряда достигал 0,8 А, ток эмиссии ионов через отверстия в экранном электроде на площади 50 см² составлял до 40 мА. При оптимальном выборе величины магнитного поля неоднородность распределения плотности эмиссионного тока не превышала 5% на диаметре 80 мм, равном диаметру отверстия в катодной диафрагме. Напряжение горения разряда составляло 450-600 В. В прототипе с размером катодной полости 20 мм и диаметром выходной апертуры 10 мм без применения специальных мер по улучшению однородности плазмы степень ее неоднородности превышала 50%. При установке перераспределяющего электрода неоднородность удалось понизить до 20%, однако ток эмиссии при этом снизился примерно вдвое, до 20 мА.

Использование предлагаемого плазменного эмиттера ионов в технологических ионных источниках облегчит формирование однородного пучка большого сечения за счет однородной эмиссии ионов и уменьшения угловой расходимости элементарных пучков. Кроме того, улучшение условий формирования обеспечит достижение более высокой плотности тока в пучке и уменьшение тепловой нагрузки на электроды ионной оптики. В результате, существенно улучшатся функциональные и эксплуатационные характеристики ионных источников.

Источники информации 1. М.Д.Габович. Физика и техника плазменных источников ионов. - М.: Атомиздат, 1972. с. 110.

2. Н.В.Гаврилов, А.В.Пономарев. Источник газовых ионов на основе тлеющего разряда с холодным полым катодом. Тезисы докладов 2-й Всесоюзной конференции "Модификация свойств конструкционных материалов пучками заряженных частиц", 21-24 мая 1991 г., Свердловск, т. 1, стр. 30-32.

3. А.С.Метель. Журнал технической физики, 54, N 2 (1984) 241.

Формула изобретения

Плазменный эмиттер ионов, содержащий полые цилиндрические анод и катод с закрытым торцом, экранный электрод и соленоид, отличающийся тем, что между имеющими одинаковые диаметр и длину анодом и катодом со стороны открытого торца катода установлена соединенная с катодом диафрагма с центральным отверстием, диаметр которого равен требуемому диаметру пучка, причем D = 1,5d, L = d, Bd ~ 1 (Тл · мм), где D, L - диаметр и длина анода и катода; d - диаметр отверстия в диафрагме; B - индукция магнитного поля, создаваемого соленоидом на оси разрядной системы.

РИСУНКИ

Рисунок 1