Плазменный эмиттер электронов



Плазменный эмиттер электронов
Плазменный эмиттер электронов

 


Владельцы патента RU 2427940:

Учреждение Российской академии наук Институт сильноточной электроники Сибирского отделения РАН (ИСЭ СО РАН) (RU)

Изобретение относится к технике получения низкотемпературной плазмы и может быть использовано в источниках электронных и ионных пучков в качестве эмиттера. Технический результат - обеспечение простой и надежной конструкции плазменного эмиттера на основе дугового разряда с катодным пятном, работающего в диапазоне разрядных токов от единиц до десятков ампер, при сохранении длительного ресурса катода, в том числе при работе с химически активными газами. В плазменном эмиттере электронов, состоящем из полого катода с выходной апертурой и поджигающего электрода, на внутренней поверхности катодной полости установлен фрагмент металла, обладающий более низким пороговым током существования катодного пятна, чем металл, из которого выполнен полый катод, и обеспечивающий в процессе горения разряда напыление на всей внутренней поверхности катодной полости пленки металла фрагмента. Кроме того, на торце полого катода с выходной апертурой установлен экран с соосной апертурой, либо находящийся под плавающим потенциалом посредством керамических изоляторов, либо выполненный из тугоплавкого материала и имеющий тот же потенциал, что и полый катод. Выходная апертура полого катода может быть выполнена в виде втулки из тугоплавкого материала. 2 з.п. ф-лы, 2 ил., 1 табл.

 

Изобретение относится к технике получения низкотемпературной плазмы и может быть использовано в источниках электронных и ионных пучков в качестве эмиттера.

Плазменные эмиттеры на основе дугового разряда с холодным (не накаливаемым до термоэмиссонных температур) полым катодом имеют широкое применение в устройствах для генерации низкотемпературной плазмы. Одним из главных преимуществ устройств на основе дугового разряда низкого давления с полым катодом является перепыление испаряемого в катодном пятне материала внутренних стенок полости с относительно малым его выходом через катодную апертуру, что позволяет значительно ослабить эрозию стенок полости. В отличие от термоэмиссионных катодов холодные полые катоды позволяют генерировать плазму химически активных газов без существенного снижения ресурса и не требуют значительных энергозатрат на цепь накала. Несмотря на значительно больший ресурс холодного полого катода по сравнению с термоэмиссионным катодом достигнутый к настоящему времени ресурс таких систем оказывается все же недостаточным для их широкого промышленного использования. Поэтому одним из основных требований, предъявляемых к дуговым холодным полым катодам в технологических установках, остается обеспечение их высокого ресурса.

Известно устройство, в котором для эмиссии электронов используется плазменный эмиттер электронов на основе дугового разряда с катодным пятном, причем катодное пятно функционирует на внутренней поверхности катодной полости [1]. Для стабильного функционирования дугового разряда в условиях пониженного давления на полый катод накладывается внешнее магнитное поле, формируемое магнитной катушкой. Недостатком такого плазменного эмиттера является интенсивная эрозия внутренней поверхности боковых стенок полого катода, вызванная радиальным движением катодного пятна в максимуме магнитного поля (образование канавки). Проблема частично решается либо перемещением магнитной катушки, либо использованием системы нескольких катушек и сканированием магнитного поля вдоль катода. Однако и в том, и в другом случае интенсивный унос материала с боковых стенок катода и его оседание на торцах катода приводит к необходимости периодичной замены катода целиком.

Наиболее близким устройством по наибольшему количеству общих признаков к предлагаемому изобретению и взятым нами за прототип является холодный полый дуговой катод с удержанием катодных пятен дуги внутри него с помощью саморазогревающейся тугоплавкой втулки. Благодаря высокой температуре стенок втулки металл рабочей полости катода, распыляемый в катодных пятнах дуги, испаряется с них и вновь оседает на поверхности рабочей полости. Размеры втулки, обеспечивающие оптимальную температуру испарения, находятся из баланса мощности, выделяемой разрядом на стенках и отводимой от них излучением, либо экспериментальным путем [2].

Причиной, препятствующей достижению указанного ниже технического результата при использовании указанного устройства, является наличие накаленных деталей, что снижает ресурс катода, особенно при работе с реактивными газами, а также необходимость подбора оптимального температурного режима саморазогревающейся трубки при изменении рабочих параметров разряда.

Задачей, решаемой предлагаемым изобретением, является обеспечение простой и надежной конструкции плазменного эмиттера на основе дугового разряда, работающего в диапазоне разрядных токов от единиц до десятков ампер, при сохранении длительного ресурса катода, в том числе при работе с химически активными газами.

Поставленная задача при осуществлении изобретения решается за счет того, что в плазменном эмиттере электронов на основе дугового разряда с катодным пятном, состоящем из полого катода с выходной апертурой и поджигающего электрода, согласно изобретению на внутренней поверхности катодной полости установлен фрагмент металла, обладающий более низким пороговым током существования катодного пятна, чем металл, из которого выполнен полый катод, и обеспечивающий в процессе горения разряда напыление и восстановление пленки металла с низким пороговым током на всей внутренней поверхности полого катода.

В процессе горения разряда пленка металла с более низким пороговым током (рабочий материал) покрывает всю внутреннюю поверхность катодной полости, что обеспечивает полное отсутствие эрозии металла с высоким пороговым током (корпуса) при токе разряда в диапазоне между пороговыми токами существования катодного пятна для этих двух металлов.

Для предотвращения выхода катодного пятна из полости на внешнюю поверхность на торце полого катода с выходной апертурой может быть установлен экран с соосной апертурой, либо находящийся под плавающим потенциалом посредством керамических изоляторов, либо выполненный из тугоплавкого материала и имеющий тот же потенциал, что и полый катод.

Также для предотвращения выхода катодного пятна из полости на внешнюю поверхность выходная апертура полого катода может быть выполнена в виде втулки из тугоплавкого материала.

Сущность изобретения заключается в том, что дуговой разряд функционирует в диапазоне токов разряда между пороговыми токами двух выбранных материалов катода. Катод поддерживается интегрально холодным, внешнее магнитное поле и накаленные элементы отсутствуют. В этом случае катодное пятно функционирует преимущественно на поверхности рабочего материала, способствуя его равномерному распределению по всей поверхности корпуса катода. По мере локальной выработки рабочего материала до основы с высоким пороговым током катодное пятно переходит на соседний участок рабочего материала с более низким пороговым током. Полая форма катода способствует запылению выработанного участка новой пленкой материала с низким пороговым током. При достаточном количестве рабочего материала корпус катода практически не подвергается эрозии и не требует замены в течение всего срока эксплуатации. При этом физический принцип работы такого эмиттера не требует определения оптимальных температурных рабочих параметров его элементов.

С целью выбора подходящего рабочего материала для изобретения были проведены экспериментальные исследования минимального стабильного тока стационарного дугового контрагированного разряда различных рабочих материалов полого катода.

Корпус катода может быть выполнен из меди либо другого материала с высоким пороговым током дугового разряда (например, тантала).

Результаты эксперимента представлены в таблице.

Минимальный стабильный ток стационарного дугового контрагированного разряда для различных рабочих материалов катода
Элемент Sn Ag Al Bi Mg
Минимальный ток дуги, А 18 12 10 3 2,5

Исследования показали, что в качестве рабочего материала для внутреннего пленочного покрытия катода могут использоваться висмут либо магний, имеющие минимальный ток устойчивого горения дугового разряда (2,5-3 А), что обеспечит более стабильное функционирование эмиттера по сравнению с другими материалами при одном и том же токе дугового разряда.

Конструкция плазменного эмиттера схематично представлена на фиг.1. Устройство содержит водоохлаждаемый полый катод 1, покрытый с внутренней стороны пленкой рабочего материала 2, поджигающий электрод 3, выполненный в форме острия, отверстие для напуска рабочего газа 4, выходную апертуру 5, анод 6, изолятор 7 и экран 8.

На фиг.2 показан вариант конструкции плазменного эмиттера, в котором для предотвращения выхода катодного пятна из полости на внешнюю поверхность катода используется втулка 9, выполненная из тугоплавкого материала с высоким пороговым током образования катодного пятна, например вольфрама или молибдена.

Устройство работает следующим образом. Вакуумная камера, на которую установлен плазменный эмиттер, откачивается до остаточного давления не выше 1·10-4 Торр. В полость полого катода 1 подается рабочий газ. К катоду 1 и аноду 6 прикладывается постоянный потенциал (Udis). Инициирование дугового разряда осуществляется подачей поджигающего высоковольтного сильноточного импульса между поджигающим электродом 3 и полым катодом 1 (Utrig) либо кратковременным повышением давления газа в полости катода. Образовавшаяся в результате пробоя разрядного промежутка в полом катоде предварительная плазма обеспечивает зажигание дугового контрагированного разряда в непрерывной форме между катодом 1 и анодом 6 с напряжением горения (20-60) В.

Для первоначального нанесения рабочей пленки на стенки в полость катода 1 помещается фрагмент рабочего материала 2 произвольной формы, имеющий с ним электрический контакт. Однородное запыление стенок катода 1 пленкой рабочего материала 2 осуществляется в течение первых нескольких часов работы. Это происходит за счет того, что при токе дугового разряда меньше порогового тока для материала катода 1 катодные пятна функционируют преимущественно на поверхности рабочего материала 2 с более низким пороговым током. Через несколько часов внутренние стенки полого катода 1 полностью покрываются пленкой рабочего материала 2 и функционирование катодных пятен осуществляется только на поверхности пленки. При этом корпус полого катода 1 не подвергается эрозии и имеет неограниченный срок службы. В отсутствие магнитного поля катодное пятно перемещается по всей внутренней поверхности полости произвольным образом, что способствует ее равномерной выработке и запылению. Хорошая адгезия пленки рабочего материала к стенкам охлаждаемого полого катода обеспечивает ее эффективное охлаждение. Таким образом, единственным механизмом переноса рабочего материала 2 внутри полости является перенос в результате функционирования катодных пятен. Выход рабочего материала 2 из полости зависит от отношения площади выходной апертуры 5 к площади полной внутренней поверхности полого катода 1. Использование тугоплавких материалов для корпуса полого катода 1 обеспечивает расширение рабочего диапазона тока дугового разряда в область больших значений.

Таким образом, данное изобретение в отличие от указанных ранее устройств обеспечивает простую и надежную конструкцию плазменного эмиттера, имеющего длительный ресурс, в том числе при работе с химически активными газами.

Литература

1. Патент RU №2227962. Григорьев С.В. Коваль Н.Н. Щанин П.М. 2002.06.17.

2. Донин В.И., Шипилов А.Ф., Григорьев В.А. Мощные непрерывные ионные лазеры с увеличенным сроком действия // Квантовая электроника, 6, 1979, №2.

1. Плазменный эмиттер электронов на основе дугового разряда с катодным пятном, состоящий из полого катода с выходной апертурой и поджигающего электрода, отличающийся тем, что внутренняя поверхность катодной полости покрыта пленкой металла, обладающей более низким пороговым током существования катодного пятна, чем металл, из которого выполнен полый катод, либо в на внутренней поверхности катодной полости установлен фрагмент металла, обеспечивающий в процессе горения разряда напыление данной пленки металла.

2. Плазменный эмиттер электронов по п.1, отличающийся тем, что на торце полого катода с выходной апертурой установлен экран с соосной апертурой, находящийся либо под плавающим потенциалом посредством керамических изоляторов, либо выполненный из тугоплавкого материала и имеющий тот же потенциал, что и полый катод.

3. Плазменный эмиттер электронов по п.1, отличающийся тем, что выходная апертура полого катода выполнена в виде втулки из тугоплавкого материала.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к физике взаимодействия ионов с поверхностью вещества. .

Изобретение относится к области плазменной обработки при изготовлении полупроводников. .

Изобретение относится к технике получения электронных и ионных пучков и может быть использовано в электронных и ионных источниках, генерирующих пучки с большим поперечным сечением.

Изобретение относится к плазменной технике, а именно к источникам получения пучка ионов, и может быть использовано в ионно-лучевых технологиях для модификации поверхностей изделий и для нанесения на них тонких пленок SiC, AIN, твердых растворов на их основе и т.д.

Изобретение относится к инжекционной технике, применяемой для создания мощных ионных пучков. .

Изобретение относится к области создания полупроводниковых приборов методом легирования и предназначено для получения направленных потоков (пучков) ионов. .

Изобретение относится к медицинской технике и технике кондиционирования воздуха и может быть использовано для электрической ионизации, очистки и стерилизации воздуха в целях профилактики и лечения болезней в бытовых, производственных и больничных условиях.

Изобретение относится к вакуумно-плазменной технике. .

Изобретение относится к электронике и может быть использовано для ионизации атомарных или молекулярных потоков и формирования ионных пучков в полупроводниковой технологии в области молекулярно-лучевой эпитаксии.

Изобретение относится к плазменной технике, а именно генерации ионных пучков с большим поперечным сечением. .

Изобретение относится к области получения пучков многозарядных ионов и может быть использовано для решения научных и прикладных задач, в частности использоваться в ускорителях

Изобретение относится к устройствам для ввода энергии ионизации в ионный или электронный источник с индуктивным или индуктивно-емкостным возбуждением

Изобретение относится к области создания пучков многозарядных ионов (МЗИ) путем их экстракции из плотной плазмы, создаваемой в открытой магнитной ловушке мощным излучением миллиметрового диапазона длин волн, которые необходимы для формирования сильноточных пучков многозарядных ионов, востребованных в ряде приложений (ускорительной технике, медицине, ионной имплантации, фундаментальных исследованиях и пр.)

Изобретение относится к области приборостроения. Технический результат - увеличение светосилы ионного источника тлеющего разряда за счет уменьшения диффузионных потерь ионов в разрядной камере. Источник тлеющего разряда содержит размещенные с зазором и соосно цилиндрические полый анод, имеющий профилированную донную часть, и полый катод, размещенный в полости анода со стороны его открытого торца, совместно образующие разрядную камеру. Выходом камеры является осевое отверстие для вытягивания ионов и откачки, образованное в донной части полого анода. Профиль донной части анода выполнен с возможностью одновременной самофокусировки электронного потока из полого катода в зону осевого отверстия разрядной камеры и формирования параболического электрического поля на выходе из камеры, при этом донная часть анода, обращенная внутрь камеры, имеет форму выпуклого конуса, а обращенная наружу - поверхность вогнутой сферической формы. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к области плазменных двигателей. Устройство содержит, по меньшей мере: один главный кольцевой канал (21) ионизации и ускорения, при этом кольцевой канал (21) имеет открытый конец, анод (26), находящийся внутри канала (21), катод (30), находящийся снаружи канала на его выходе, магнитную цепь (4) для создания магнитного поля в части кольцевого канала (21). Магнитная цепь содержит, по меньшей мере, кольцевую внутреннюю стенку (22), кольцевую наружную стенку (23) и дно (8), соединяющее внутреннюю (22) и наружную (23) стенки и образующее выходную часть магнитной цепи (4), при этом магнитная цепь (4) выполнена с возможностью создания на выходе кольцевого канала (21) магнитного поля, не зависящего от азимута. Технический результат - повышение вероятности ионизирующих столкновений между электронами и атомами инертного газа. 3 н. и 12 з.п. ф-лы, 6 ил.

Изобретение относится к области обработки поверхности объекта. Устройство для ионного распыления мишени и/или обработки поверхности объекта содержит кольцевой источник ионов, формирующий ионный пучок, распространяющийся в промежутке между двумя условными вложенными друг в друга сходящимися - в направлении от источника ионов к держателю объекта (мишени) - коническими поверхностями, образующие которых составляют с общей осью конусов разные углы и общее основание которых совпадает с окружностью, ограниченной круговой выходной щелью кольцевого источника ионов. Устройство содержит также держатель объекта или мишени, который может вращаться, наклоняться, терморегулироваться. Расстояние между источником ионов и держателем мишени может меняться по заданной программе, при этом благодаря описанной выше форме ионного пучка меняются область и размеры облучаемой ионами поверхности. Технический результат - повышение равномерности обработки поверхности. 2 н. и 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к вакуумно-плазменной технике, а именно к источникам атомов металла преимущественно для осаждения тонких металлических пленок на диэлектрические подложки в вакуумной камере, и к источникам быстрых атомов и молекул газа. Установка содержит вакуумную камеру 1, эмиссионную сетку из осаждаемого металла 2, полый катод 3, анод 4, источник питания разряда 5, источник ускоряющего напряжения 6, мишень 7 из фольги осаждаемого металла, покрывающую внутреннюю поверхность катода 3, держатель 8 подложек, покрытый изнутри экраном 9 из фольги осаждаемого металла, и источник напряжения смещения 10, который позволяет при неизменных потоках атомов металла и быстрых атомов газа регулировать энергию последних от нуля до 1000 эВ. Технический результат - снижение потерь осаждаемого металла и повышение однородности осаждаемой пленки.3 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к плазменной технике, в частности к плазменным генераторам. Технический результат - сокращение потерь мощности, вызванных рекомбинацией ионов/электронов на стенках. В заявке описан плазменный генератор, имеющий корпус, который охватывает ионизационную камеру с по меньшей мере одним имеющимся у нее выходным отверстием, по меньшей мере один входящий в ионизационную камеру подвод для подачи рабочего газа и по меньшей мере одну электрическую катушечную систему, охватывающую по меньшей мере часть ионизационной камеры и электрически соединенную с источником переменного тока высокой частоты, от которого к по меньшей мере одной катушке катушечной системы подводится переменный электрический ток высокой частоты, при этом предусмотрен еще один источник тока, от которого к по меньшей мере одной катушке катушечной системы подводится постоянный ток или переменный ток меньшей частоты, чем у переменного тока высокой частоты от его источника. 2 н. и 10 з.п. ф-лы, 11 ил.

Изобретение относится к области плазменной техники. Технический результат - повышение стабильности плазменного потока и устойчивости протекания тока в межэлектродном промежутке, что обеспечивает существенное уменьшение времени коммутации и увеличение амплитуды разрядного тока. Электродная система устройства для стабилизации катодного плазменного потока включает соосные катод, анод и управляющий электрод, в межэлектродный промежуток введен дополнительный изолированный электрод, представляющий собой полый металлический цилиндр, содержащий щель вдоль одной из образующих по всей длине цилиндра и соосный с электродной системой, причем диаметр цилиндра составляет 3-8 диаметров катода, а длина составляет 0.6-0.8 длины межэлектродного промежутка. 2 ил.

Изобретение относится к области оптического приборостроения и касается способа генерации широкополосного оптического излучения с высокой спектральной яркостью. Способ включает в себя создание начальной ионизации в камере, заполненной газовой смесью высокого давления, и освещение камеры сфокусированным лазерным лучом. Освещение проводят импульсно-периодическим лазерным излучением с длительностью отдельного импульса, превышающей D/v, где D - поперечный размер излучающего объема, а v - скорость звука в газе при температуре излучающего объема. Промежутки между последовательными импульсами не превышают D2/χ, где χ - температуропроводность газа в области излучающего объема. Технический результат заключается в повышении спектральной яркости источника излучения. 8 з.п. ф-лы, 3 ил.
Наверх