Дуоплазматрон
СОЮЗ СОВЕТСКИХ
СО ЦИАЛ ИСТИЧ ЕСКИХ
РЕСПУБЛИК (g<)s Н 01 J 27/10
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ
ГОСУДАРСТВ Е Н НОЕ ПАТЕ НТН ОЕ
ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР} (21) 3219699/25 (22) 19.12.80 (46) 07.02.93. Бюл. N 5 (72) 3.+.×àéêoâñêèé, В,И,Пузиков, А.В.Семенов и Н.С.Харченко (56) Габович И.fl.- Плазменные источники ионов. Киев: "Наукова думка", 1964, с. 60-64.
Авторское свидетельство СССР
< 735115, кл„ Н 01, 37/Ои, 1978. (54)(57) дУОПЛАЯКИТРОН, содержащий анод с коническим экспандером.,промежуточный электрод с полостью, в которой расположено устройство ввода рабочего вещества в виде тигля с коническим корпусом и каналом, выполИзобретение относится к источникам ионных пучков типа дуоплазматрон и может быть использовано при получении широкого класса пленочных материалов, в качестве источника частиц при легировании полупроводников и других материалов„
Среди наиболее распространенных и близких по техническому решению источников ионов известен дуоплазматрон, главной особенностью которого является наличие между катодом и анодом промежуточного электрода с узким каналом, предназначенным для механического сжатия плазмы вблизи анода.
Кроме того, промежуточный электрод и анод используются также s качестве магнитных полюсных наконечников для создания магнитного поля напряженностью 1000 3 и выше, обеспечиваю„„Я2„„9937о2 А1 ненным в его вершине, катод, расположенный в полости тигля, и экстрактор с отверстием, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что, с целью повышения времени работы источника, между коническим корпусом тигля и экспандером анода установлена система экранов, находящихся в контакте между собой, электрически соединяющая промежуточный электрод и анод, а в отверстии экстрактора со стороны, противоположной аноду, установлен кольцевой термокатод, расположенный так, что фокус эмиттируемого им электронного луча совпадает с выходом канала в корпусе тигля, обращенным к аноду. щего магнитное сжатие плазмы у вы" ходного отверстия источника.
Из известных конструкций ионных . источников, источник типа дуоплазматрон имеет ряд преимуществ, которые определяют как его широкое использование, так и наибольшую перспективность. Дуоплазматрон отличается высоким К,П.Д., высокой экономичностью 90-95ь, высокой степенью ионизации рабочего вещества 904 и более, малым разбросом ионов по энергиям - несколько эв, высокой плотностью тока ионного пучка на выходе дуоплазматрона (обычно на 2-3 порядка выше, чем у источников других типов).и др. ля получения ионов твердых при обычных условиях материалов используют совмещение тигля и разрядной
99:762
15
40
4 i
5екамеры дуоплазматрона. R камеру (обыцно молибденовую), являющейся анодом, помещены две вольфрамовые нити и тигель, который обычно изготавливают из тантала или графита (для различных исходных веществ), Предельная температура камеры
1600 С, Недостатком известных источников являются низкие рабочие токи ионов
l00 мкд и малый коэффициент ионизации вещества - l a, Ближайшим техническим решением является источник ионов — дуоплазматрон, содержащий анод с коническим экспандером, промежуточный электрод с пол«стью, в которой расположено устройство ввода рабоцего вещества в виде тигля с коническим корпусом и каналом, выполненным в его вершине, катод, расположенный в полости тигля, и экстрактор с отверстием.
Известный источник обеспечивает
6ol1bIlloi" ТоК ионов ро 10-20 mA достигается за счет расположения катода во внутренней полости промежуточного электрода, Полость промежуточного электрода снабжена дополнительной системой откачки, Рабоцее вещество помещают в испаритель, который с набором теплоизолирующих экранов введен в полость промежуточного электрода. Нагрев рабоцего вещества осуществляется последовательно током термоэлектронной эмиссии с катодом и током руги, зажигаемой между катодом и промежутоцным электродом,, После поджига дуги катод— анод, извлечение ионов производи ся с поверхности плазмы, заполняющей цашку экспандера анода путем прикладывания между анодом и экстрактором высокой разности потенциалов (15-20 кВ). !
Недостатком известного источника является ограниченное время работы с максимальной эффективностью вследствие зарастания отверстия в экспандере.
Целью изобретения является повьг. шение времени работы источника, Эта цель достигается тем, цто в источнике ионов-дуоплазмотроне, содержащем анод с коническим экспандером, промежут«цный электрод с полостью, в которой расположено устройство ввода рабоцегО вещества в виде тигля с коническим корпусом и каналом, выполненным в ег« вершине, катод, расположенный в полости тигля, и экстрактор с отверстием, между коницеским корпус«м тигля и экспандером ан«да установлена система экранов, находящихся в контакте между собой, электрицески coepиняющая промежут«цный электрод и анод, а в отверстии экстрактора со стороны, противоположной аноду, ус-,ановлен кольцевой термокатод, расположенный так, цто фокус эми тируемого им электронно-о луча совпадает с выходом канала в <Орпуса тигля, ОбращеHHblM K BHopó, На фиг,1 изображен истоцник, разрез; на фиг„2 — основные элементы исгоцника, формирующие тракт, оормирующий ионный пуцок; на фиг.3 — конструкция тигля, Источник содержит анод 1, пред,— ставляющий собой цилиндр, изготовленный из стали Ст, 3 с протоценной полостью 2 для водяного охлаждения„ !
? Отверстие анода 1 р16 мм вставлен экспандер 3, выполненный в виде конуса из стали Ст„. 3 с углом при веро шине !0, Рнутри конуса выточена цилиндрицеская полость ф 10 мм. Диаметр отверстия при вершине I,5-2 мм„.
Для питания катода 4, изготовленного из полости тантала, имеются водоохлаждаемые мерные вводы, вмонтированные я водоохлаждаемую крышку 5 стака IB 6, изготовленного из нержав. стали 12Х18Н10Т, изолированные от него с помощью металлокеэамицеских изоляторов 7, Промежуточный электрод
8, изготовленный из стали Ст„. 3, ок; нц !вается полюсами с каналом по оси разряда ф 14 и длиной 5 мм,. Ти-. гель 9 в сборе и промежуточный электрод 8 помещены в водоохлаждаемый корпус, изготовленный из стали
Х18Н10Т, на который надета катушка соленоида 0-образного электромагнита 10. Магнитный поток от катушки замыкается с помощью внешнего магнитопровода 11„. изготовленного в виде набора пластинок из железа армко, которые изолированы от анода с помощью фторопластовых прокладок.
Для охлаждения корпуса источника в нем имеется полость водяного охлаждения. Для удобства при разработке и сборке источника применено сочленение токопол,водящих проводов от
5 99376
При длительной работе источника (10 и и более), как было уже отмечено, "зарастает" рабочим веществом (в рассматриваемом случае граФит) канал промежуточного электрода, что приводит к существенному (в 1,52 раза) уменьшению ионного тока. Этот недостаток, имеющий место при длительных режимах работы, устраняется путем введения кольцевого вольфрамового катода 14 (фиг. 2) концентрично отверстию в экстракторе, ниже верхней кромки отверстия экстрактора на 0,5-1 мм. Такой дополнительный катод, находящийся под потенциалом земли, совместно с центральной частью анода источника, находящейся под высоким положительным потенциалом, образуют кольцевую электронную пушку, пучок электронов которой сфокусирован на выходе канала 16 тиг" ля 9. источника питания с гибкими провода- ми с помощью прижимных контактов 12.
Экстрактор 13 изготовлен из Ст.3 в виде конусообразного электрода с углом при вершине 110 и отверстием диаметром 10 мм. Экстрактор отделен от анода вакуумным промежутком 5 мм.
С стороны экстрактора, обратной аноду, смонтирован кольцевой вольфрамо- 1О вый термокатод 14 (P 0,2 мм), расположенный так, что положение фокуса электронного луча совпалает с выходом канала тигля 9.
B полости промежуточного электрода 15
15 находится заключенный в молибденовый корпус тигель 9. На фиг, 3 показан тигель для получения ионов углерода. Тигель 9 содержит выходной канал 16, набор тепловых экранов 17, 20 электроды 18 накала катода и катод
4, заключенные в молибденовый корпус 19. Рассмотрим более подробно конструкцию тигля для случая углерода. Поскольку графит испаряется без перехода в жидкость, вводят его в испаритель в виде стаканчика 20 с толщиной стенок 3 мм, плотно прилегающего к внутренней поверхности испарителя. 30
Тигель (фиг. 3) представляет собой цилиндр в основании с конусом, 0 угол при вершине которого равен 90
Конус имеет при вершине отверстие 3 мм. Через два отверстия в наборе 5 верхних экранов на уплотнениях и высокотемпературной керамики в испаритель введены два танталовых электрода питания катода. Катод источника 4 изготовлен в виде кольца Р 12 мм из по- щ лости тантала (толщиной 0,1 мм, шириной 2 мм), прикрепленного с помощью точечной сварки к электродам 18.
Со всех сторон испаритель окружен.теплоизолирующими экранами t7, изготовленными из танталовой и молибденовой фольг толщиной 0,2 мм. Верхние экраны - набор плоских дисков с выдавленными коническими выступами, предотвращающими слипание экранов, 5О боковые экраны - набор цилиндров с такими же выступами, нижние — набор
coocHbtx усеченных конусов, Путем расчетов и экспериментально установлено, что оптимальное количество экранов 55 для случая углерода равно 13-14 шт.
При сборке источника блок испарителя установлен таким образом, что обеспечивается механический и элект2 6 рический контакт между нижними экранами и экспандером и выход канала промежуточного электрода соединен с вхолом канала экспандера.
Рассмотрим работу источника на примере получения ионов углерода.
Нагрев графита до температуры, -й обеспечивающей давление его пара 1010 мм рт.ст., необходимого для горения дуги осуществляют s 2 этапа .
1) до зажигания дуги нагрев осуществляют термоэмиссионным током от накаленного катода 4 к внутренним стенкам испарителя 16 0,4-0,5 А, 220250 В; 2) после зажигания дуги, которое наступает при достижении необходимой величины давления пара - нагрев производят этой we дугой (5-.6 А, 40-50 8). Одновременно с зажиганием дуги между катодом и внутренними стенками испарителя зажигается основная дуга между катодом и анодои и дуоплазматроном выходит на обычный для себя режим работы.
Извлечение ионного пучка с поверхности плазмы, заполняющей зкспандер, осуществляется с помощью квазипирсовой системы электродов, первым электродом которой является конусообразная часть анода 1, вторымэкстрактор 13„ Источник ионов, находящийся в процессе работы под напряжением 20 кВ, отделен от вакуумной камеры (на чертеже не показана) вы« соковольтным изолятором. (,а У >7
D, (, с>>Ок непреИСТОЧНИКсэ и работь(ис-чеством раA I ucnal0
1
| ври<(д: че<..кое включение .ушки на
:>до(;с>й -II A.rieжу.гок времени неС КУс(Д,1 ПОЛНОСТЬЮ БОССТа -.аВпиэае (,1!!!p i("тр канала ло первона аль:-(с и лели:— :инь(ri TPI самым фа ктичес ки
- „-о — ран((е IHD продлевает
Оывной йс.габильной работы,-л> и -.-Iil.- о(.; г ь непрерывно тОU!НИ(<а ОПAÅпЕЛЯЕтСЯ КОПИ
;>А его =,åfj(åñòâà (вводимог
1:> и Т Е Л ь, ° с1 -1 ) — л
В отли-i !a от всегда применяемогA
И Э1-НЫ>< ri ..Т; INf IfаспОложения прОме
>1(,(-с>ЧНО=<- ЭЛЕКтрОда;i аНОда В ИЗОбпi- -:1-!i; . =;1а.(1 ->воы(=жу 1 с>чного эл -к > "
-.Arf;., ii -.—: -!A i в изобретении (<анал
-(ро1 .е>1<уточного электрода посредством (-; Е(1(Г Э:<рсзНОВ 1 / фиг, 2/ СОЕПИ(НЕН
ВХОДО(:. Каналсп ЭКС ПаНДЕРс а НОГ(а, "о.:-::;;:î;:i вепичина электрическо;о с<1п:>Оти(в>1ения между ними в рабочем режи-.-. с<-:.;..=:являет несколько -..от Ом, :.-. .: —. -:"-" за I:игание д;:i-.- ка однод, f (ри 3! Ом уменьшается 11 ./ " прО::.-;ожгения плазмы большой концен грации
О-. .акал=- промежу A(-,ного электрода
;, 1:- :!-(Ола. I I<";Дег>>1<иваетсв ее Bb!c.A!
0гисанный прием позволил увеличить ок положительных ионов на выходе источника на 20-251, получить для ионов указанных веществ токи 1225 г»>. при ускоряющем напряжении 18
20 1<11 (против обычно получаемых 1020 AI, 1 ри этом предлагаемый источник позволяет при обычной системе откач, <и получать вакуум в рабочем обьеме не хлке 10 8 . 1 ° 10 мм рт,.ст.
Р,анный источник ионов при сохранении всех положительных качеств
1 вердотельного источника типа дуоплазматрон обеспечивает возможность получения ионов твердых веществ, Обладает более высокой эффективностью и более длительным сроком непрерывной работы„
993762
Составитель В.Обухов
Редактор О.Филиппова Техрер N,Èîðãåíòàë Корректор А.Мотыль
Заказ 1093 Тираж . Подписное
ВНИИПИ Государственного комитета по,изобретениям и открытиям при ГКНТ CCCP
113035, Москва, й-35, Раушская наб., д, 415
Производственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул, Гагарина, 101
