Ионно-лучевая установка

 

ИОННО-ЛУЧЕВАЯ УСТАНОВКА, содержащая газоразрядный источник ионов, включающий полый катод,анод, коллектор ввода рабочего газа, электромагнит, экранный, ускоряющий и замедляющий электроды, систему рабочего газа, включающую устройства подачи рабочего газа в полый катод и в коллектор источника, систему электропитания источника, состоящую из источника разрядного напряжения и источников питания экранного , ускоряющего электродов и электрома нита , а также систему регулирования ионного тока, включающую задатчик , датчик ионного тока и устройство , вырабатывающее управляющее воздействие , отличающаяся тем, что, с целью расширения диапазона регулирования по току ионного пучi ка, устройство, вьфабатывающее управляющее воздействие, соединено с ис (Л точником питания электромагнита, в устройство подачи рабочего газа в полый катод источника введен регулятор расхода, а в установку введена система поддержания напряжения разрясо да, включающая задатчик, датчик наа пряжения разряда и устройство, формирующее управляющее воздействие, связанное с регулятором расхода газа 00 в катод. со

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

PEGflVS JIHH

09) 01) (3(5II Н 01 3 27/04

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н ABTOPGHOIVIY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3003866/18-25 (22) 13.11.80 (46) 30.05.84. Бюл. Н 20 (72) В.А. Обухов, А.А. Перцев, В.Г. Григорьян, В.И. Минаков и А.А. Измайлов (71) Московский ордена Ленина и ордена Октябрьской Революции авиационный институт им. Серго Орджоникидзе (53) 621.385.732(088.8) (56) 1. Pavlik et al. Operation of а light weight power conditioner

with à hollow cathode ion thruster

Journal of Spacecraft and Rockets, v. 8, В 3, 1971, р. 245.

2. J.Hyman et al. Development.

of à liquid Mercury cathode thruster

system. Journal of Spacecraft and

Rockets, ч. 8, Ф 7, 1971, р. 717- .

721 (прототип). (54) (57) ИОННО-ЛУЧЕВАЯ УСТАНОВКА, содержащая газоразрядный источник ионов, включающий полый катод, анод, коллектор ввода рабочего газа, электромагнит, экранный, ускоряющий и замедляющий электроды, систему подаМи рабочего газа, включающую устройства подачи рабочего газа в полый катод и в коллектор источника, систему электропитания источника, состоящую из источника разрядного напряжения и источников питания экранного, ускоряющего электродов и электромагнита, а также систему регулирования ионного тока, включающую задатчик, датчик ионного тока и устройство, вырабатывающее управляющее воздействие, отличающаяся тем, что, с целью расширения диапазона регулирования по току ионного пучка, устройство, вырабатывающее управ- Я ляющее воздействие, соединено с источником питания электромагнита, в устройство подачи рабочего газа в полый катод источника введен регулятор расхода, а в установку введена система поддержания напряжения разряда, включающая задатчик, датчик напряжения разряда и устройство, формирующее управляющее воздействие, связанное с регулятором расхода газа в катод.

1 9614

Изобретение относится к области техники создания интенсивных ионных пучков, предназначенных для проведения технологических операций, создания тяги, инжекции плазмы в магнитные ловушки и т.п. Известны ионнолучевые установки (ИЛУ), основанные на газоразрядных источниках ионов с полым катодом, включающие помимо источника системы электропитания, подачи рабо- t0 чего тела и нейтрализации пучка ионов. на газоразрядных источниках ионов с полым катодом, включающие помимо источника системы электропитания, подачи рабочегс тела и нейтрализации пучке ионов. t5

При работе таких ИЛУ необходимо или желательно поддержание следующих параметров установки.

1. Тока ионного пучка Йл (регулирование первого уровня);

2. Коэффициента использования рабочего газа Я, определяемого как отношение тока ионного пучка к расходу

3п газа в токовом эквиваленте: Ре — m 25

М где — — удельный заряд ионов, к/кг, m — расход газа, кг/с (регулирование второго уровня) .

3. Поддержание заданного потенциала пучка (или мишени в случае ионно-З0 лучевой обработки) Е относительно стенок вакуумной камеры (регулирование третьего уровня).

4. Поддержание некоторых параметров .режима работы источника, носящее

35 специальный характер (например, поддержание напряжения разряда Up из соображений ресурса или поддержание минимально возможного угла расходимости пучка на каждом из режимов работы ИЛУ по току и т.п.).

Вид системы регулирования, решающих указанные задачи, зависит от физических особенностей источника ионов, рода рабочего тела, назначения ИЛУ и 45 т.п. Определяющим при этом является выбор решения задачи регулирования первого уровня, решение задачи регулирования последующих уровней в значительной степени определяется указанным выбором. Параметры системы регулирования в значительной степени определяют важнейшие характеристики ИЛУ, энергетическую и газовую экономичность, диапазон регулирования.

Известна ИЛУ, содержащая газораз55 рядный источник ионов, системы электропитания, подачи рабочего газа и трализации пучка ионов, предназнач

89 1 ная для использования в качестве ионного двигателя и рабочающая на ртути (11.

В известной ИЛУ имеется задатчик режимов, вырабатывающий сигналы, опре- деляющие ток пучка ионов и разрядный ток. Получаемые с датчиков в цепях пи тания ионного тока и разряда сигналы, пропорциональные указанным токам,сравниваются с сигналами задатчиков в блоках сравнения устройств, вырабатывающих управляющие воздействия, изменяющие расход газа в коллектор и в полный катод источника. В качестве регуляторов расхода применяют тепловые пористые дроссели, установленные после испарителя ртути, так что в качестве управляемого параметра используют ток нагрева дросселя.

Такая система регулирования предусматривает точное знание оптимальных с точки зрения газовой и энергетической экономичности отношений тока разряда к току пучка ионов на всех режимах работы источника, что может иметь место только для конкретного, хорошо изученного источника.

Недостатком ее является также инерционность, так как регуляторы расхода указанного типа имеют постоянную времени, определяемую тепловыми процессами, на уровне десятков секунд.

Кроме того, в данной ИЛУ напряжение разряда может меняться в широких пределах, выходя, в частности, за порог распыления материала элементов разрядной камеры (около 40 В) .

Ближайшим техническим решением является ионно-лучевая установка, содержащая т азоразрядный источника ионов, включающий полый катод, анод, коллектор ввода рабочего газа,электромагнит, экранный, ускоряющий и замедляющий электроды, систему подачи рабочего газа, включающую устройства подачи газа в полый катод и в коллектор источника, систему электропитания источника, состоящую из источников разрядного напряжения и источников питания экранного, ускоряющего электродов и электромагнита, а также систему регулирования ионного тока, включающую задатчик, датчик ионного тока и устройство, вырабатывающее управляющее воздействие 23.

В известной ИЛУ устройство, вырабатывающее управляющее воздействие, соединено с источником питания разряда. Для перевода ИЛУ с одного ре3 9614 жима работы по ионному току на другой, сначала с помощью задатчика задают сигнал, подаваемый на один из. входов блока сравнения, на второй вход которого поступает сигнал с, датчика ионного тока, установленного в цепи источника питания экранного электрода.

Упомянутое устройство вырабатывает управляющее воздействие, пропор" 10 циональное величине рассогласования указанных сигналов, которое изменяет величину разрядного напряжения, создаваемого источником питания разряда.

При прочим неизменнь|х параметрах режима работы источника: (величине магнитного поля, потенциалов на электродах, расхода и пр.) ток пучка будет изменяться вслед за изменением напряжения до тех пор, пока сигналы от эадатчика и датчика ионного тока не сравняются. При постоянном расходе коэффициент использования рабочего газа 3 будет изменяться так же, как и ионный ток, т.е. на режимах с низким током В будет мал, что снижает газовую и энергетическую экономичность ИЛУ в среднем. Кроме того, диапазон изменения напряжения разряда Цр ограничен с одной стороны напряжением зажигания разряда, а с другой — преде- ( лом по распылению катода. При работе на ртути 20В с Up < 40В, при этом ток пучка может быть изменен примерно вдвое. В ряде случаев такой диапазон регулирован;.я недостаточен.

Цель изобретения — расширение диа" пазона регулирования тока ионного пучка.

Цель достигается тем, что .в известной ионно-лучевой установке, содержа«40 щей газоразрядный источник ионов, включающий полый катод, анод, коллектор ввода рабочего газа, электромаг- " нит, экранный, ускоряющий и замедляю45 щий электроды, систему подачи рабочего г газа, включающую устройства подачи . газа в полый катод и в коллектор источника, систему электропитания источника, состоящую из источника разрядного напряжения и источников питания экранного, ускоряющего электродов и электромагнита, а также систему регулирования ионного. тока, включающую задатчик, датчик ионного тока и устро;,= ство, вырабатывающее управляющее воз-Ф действие, устройство, вырабатывающее управляющее воздействие соединено с источником питания электромагнита, !в

89 4 устройство подачи рабочего газа в полый катод источника введен регулятор расхода, а в установку введена система поддержания напряжения разряда, включающая задатчик, датчик напряжения разряда и устройство, формирующее управляющее воздействие, связанное с регулятором расхода газа в катод.

На чертеже изображена функциональная схема ИЛУ.

ИЛУ содержит газоразрядный источник 1, включающий полый катод 2, анод

3, электрод 4 поджига, экранный 5, ускоряющий 6, замедляющий 7 электроды, а также установленный снаружи электромагнит 8, а внутри источника— коллектор 9 для подачи рабочего газа.

В ИЛУ входят, кроме того, система подачи рабочего газа, включающая устройство 10 для подачи газа в коллектор 9 и устройство 11 для подачи газа в полый катод 2. В устройстве 10 установлены датчик 12 расхода и регулятор 13 расхода, а также источники 14 и 15 их питания,, В устройстве 11 установлены регулятор

16 расхода и источник 17 его питания. Датчик 12 расхода выполнен, например, в виде нагреваемого пористого дросселя, капилляра или другим известным образом. Электропитание источника 1 осуществляется от системы, содержащей источник 18 разрядного напряжения и источники 19-21 питания соответственно экранного, ускоряющего электродов и электромагнита.3амедляющий электрод 7 заземлен. Управление источником 1 ионов осуществляется тремя системами регулирования.

Первая из них — система задания и поддержания ионного тока, включает задатчик 22 тока ионного пучка, датчик 23 тока ионного пучка, установленный в цепи источника питания экранного электрода 5, а также устройство 24, вырабатывающее управляющее воздействие, связанное с источником

21 питания электромагнита. Электрод

5 может быть электрически .связан с катодом 2, как это показано на чертеже, а может быть изолирован, и потенциал на нем может поддерживаться с помощью дополнительного (на чертеже не показан) источника.

Вторая система регулирования служит для поддержания коэффициента использования рабочего rasa (КИГ) при переходе с режима на режим по ионному току. Она содержит задатчик 25

961489

1 .111, Спок ?6 сравнения тока пучка и расход, гаэ» н коллектор, преобразо— натель ?7 (например, термометрического типа) сигнала с дат .ика расхода газа и устройство 28, вырабатывающее

5 управляющее воздействие, соединенное с источником 15 питания регулятора

pасxода в коллектор.

Третья система регулирования слу— жит для поддержания потенциала мишени 29, обрабатываемой ионным пучком. Зта система содержит катод-компенсатор 30, источник питания 31 катода-компенсатора, задатчик 32 потенциала мишени, датчик 33 потенциала мишени и устройство 34, вырабатывающее управляющее воздействие, соединенное с источником питания 31 катодкомпенсатора. Для стартового разогрева полого катода 2 используют нагреватель 35, питаемый от источника тока (на чертеже не показан).

Работа ИЛУ осуществляется следующим образом.

В начальный момент времени в задатчиках 22 тока пучка, 25 КИГ и 32 .потенциала заданы сигналы In» 8 >, Е требуемого уровня, включен стартовый разогрев полого катода 2, осуществляемый от нагревателя 35, а также включены все источники электропитания и подан рабочий газ в катод. После выхода попого катода на. номальный температурный режим (зависящий от рода рабочего газа) подается рабочий газ (аргон, ксенон и т.п.) в коллектор 9 и инициируется разряд с помощью электрода 4 и цепи инициирования (на чертеже не показана). Ток в цепи нагревателя 35 катода может быть после этого снижен до некоторого (дежурно-!!

40 го") уровня. Датчик 23 ионного тока в цепи источника 19 питания экранного электрода вырабатывает сигнал 1, поступающий в блок сравнения устрой45 ства, вырабатывающего управляющее воздействие 24.

В зависимости от величины рассогласования сигналов ьТ„= I „— I,âûрабатывается воздействие, измейяющее ток в цепи источника 2 1 питания. магнита 8.

Как показали исследования, изменение тока электромагнита отнуля до предельной величины 1„д е,ток пучка ионов изменяется примерйо в 7 раз при прочих неизменных условиях. Зависимость I „ = F(1м ) близка к линейной при малых I и постепенно выходит а на насыщение. Величина 1„„ соответстм пр двует насыщению по ионному току. Наличие описанной системы регулирования позволяет осуществить регулирование

1-ro уровня при условиях: расход через коллектор m „= const, расход через катод m„ = сопя, энергия ионов

Uq = const, ток магнита I„ = vario, при этом Тп = F(I ). Такая система регулирования обеспечивает преимущество перед известными техническими решениями, так как является безынерционной и характеризуется глубиной

РегулированиЯ Т и ми„ п макс 177 °

Физическая возможность такого регулирования основана на влиянии магнитного поля на степень ионизации в разряде данного типа. Особенно удобно использование такой системы регулирования в ИЛУ технологического назначения при ограничении скорости вакуумной откачки из объема, в котором установлена обрабатываемая мишень 29.

В этом случае расход газа.ш=ш „+ m< устанавливают меньше предельного по скорости откачки, а изменение режимов по току осуществляют только заданием соответствующего тока магнита I описанным выше способом.

В тех же условиях, когда важно поддерживать и коэффициент использования газа, в ИЛУ может быть введена вторая система регулирования (регулирование второго уровня). В этом слу— чае ИЛУ работает следующим образом.

Например, при переходе с одного заданного уровня по ионному току In

П1 на второй, меньший по величине I 2, п2 в задатчике ионного тока формируют сигнал I»>g I „. В результате первая система регулирования за время порядка с реагирует на разбаланс в устройстве 24, изменяя ток ионного пучка до нового заданного уровня In . При этом в блоке 26 сравнения тока пучка и расхода газа в токовом эквиваленте, получаемого с датчика расхода 12 в коллектор .9, вырабатывается сигнал и В=

=8, — В между заданным (8,) и действительным (8) значением В (в данном случае p8 v О), Если, например, регулятор расхода 13 выполнен в виде термокапилляра, источник 15 питания вырабатывает большой ток, регулятор расхода начинает переходить на более высокий температурный режим, а расход в коллектор — снижается. Характерное время этих изменении, > „ (более чем на порядок), поэтому ука961

Составитель А. Фахимов

Техред И.Метелева Корректор Л.Шеньо

Редактор Л. Письман

Заказ 3920/4 Тираж 683 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

Филиал ППП "Патент", rt Ужгород, ул. Проектная, 4

7 занное изменение расхода не влияет на величину тока пучка, так как первая система регулирования с инерционностью порядка 1. отрабатывает в процессе перехода на новый режим по расходу соответствующее увеличение тока магнита описанным выше способом.

Таким образом, использование двухконтактной системы регулирования обеспечивает регулирование и ионного 1О

Г тока и КИГа с использованием функциональных зависимостей: I „ =

F4 (Тм m „) и 8 =F> (I у m ) при шк„= чагино, I N, = vario

В цепи питания разряда целесообразно использовать источник минимальной мощности, но при этом обеспечиЪ

489 8 вать выполнение условия постоянства разрядного напряжения Up. Для этого необходимо ввести третью систему регулирования, позволяющую изменять соотношение расходов в коллектор.

Данная ИЛУ обеспечивает,, таким образом, безынерционное регулирование и поддержание ионного тока пучка при контроле коэффициента использования рабочего газа, потенциала обрабатываемой мишени и разрядного напряжения в более широком диапазоне регулирования и с более высокой энергетической и газовой экономичностью, чем известные ИЛУ такого типа.