способ получения ионного пучка и устройство для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ получения ионного пучка, включающий испарение материала мишени путем воздействия сфокусированного лазерного излучения на поверхность мишени, ионизацию полученного пара и экстракцию ионов из плазмы с помощью электрического поля, отличающийся тем, что одновременно с воздействием лазерного излучения на материал мишени дополнительно испаряют материал мишени и ионизируют пар за счет формирования потока вторичных электронов, образованных при взаимодействии лазерной плазмы с фокусирующим электродом, и направления его на мишень.

2. Устройство для получения ионного пучка, содержащее источник лазерного излучения, вакуумную камеру с оптическим окном для ввода излучения, размещенные в ней и расположенные на одной оси твердотельную мишень, вытягивающий электрод и экстрагирующий электрод, подключенный к отрицательной шине первого источника питания, второй источник питания, положительная шина которого подключена к твердотельной мишени, отличающееся тем, что введен вторично-эмиссионный формирующий электрод, который размещен соосно между мишенью и вытягивающим электродом, электрически соединен с последним, выполнен в виде диска с отверстиями и подключен к положительной шине первого и отрицательной шине второго источников питания.

Описание изобретения к патенту

Предлагаемое изобретение относится к технике получения потоков заряженных частиц и может найти применение в машиностроении для модификации физико-химических свойств поверхностей металлов, сплавов, диэлектриков и полупроводников методом ионной имплантации.

Известен способ получения ионного пучка, включающий введение частиц имплантируемого вещества в вакуумную камеру, ионизацию нейтральных частиц и ускорение ионов с помощью сильного электрического поля в сторону подложки (см. эк.п. ГДР N 280198,H01 J 3/04, 27.06.90 г.).

Известно устройство, реализующее способ получения ионного пучка, содержащее разрядную камеру источника ионов, в которую введена проба материала со специфическими свойствами (см. эк.п. ГДР N 298556,H01 J 27.02.92 г.).

Недостатками известных способа и устройства являются значительные затраты электрической энергии для получения ионного тока, малые величины ионного тока и длительности импульса, которые ограничены энергией лазерного излучения.

Известен способ получения ионного пучка, включающий воздействие сфокусированного импульсного излучения на поверхность твердого тела, испарение твердого тела, ионизацию пара электрическим разрядом, вектор электрического поля которого параллелен вектору скорости струи пара, при этом экстракцию ионов из плазмы осуществляют электрическим полем, вектор напряженности которого перпендикулярен вектору скорости струи пара (см. авт.св. СССР N 1385900,H01 J 23.12.85 Г.).

Известно устройство для получения ионного пучка, реализующее известный способ, содержащее источник излучения, вакуумную камеру с окном для ввода излучения, размещенные в ней и расположенные на одной оси твердотельную мишень и электроды с отверстиями, диаметр которых равен диаметру активного элемента источника излучения, вытягивающие электроды, расположенные перпендикулярно плоскости электродов с отверстиями (см. авт.св. СССР N 1385900, H01 J 23.12.85 г.).

Недостатками известных способа и устройства являются малые величины ионного тока и длительности импульса, хотя для ионизации используется энергия электрического поля, но для испарения используется только энергия лазерного излучения, ограничение области применения из-за малой величины ионного тока, значительные удельные затраты энергии.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является увеличение амплитуды и длительности импульса ионного тока, снижение удельных энергозатрат на образование ионов.

Результат достигается тем, что в способе получения ионного пучка, включающем испарение материала мишени путем воздействия сфокусированного лазерного излучения на поверхность мишени, ионизацию полученного пара и экстракцию ионов из плазмы с помощью электрического поля одновременно с воздействием сфокусированного лазерного излучения на материал мишени, дополнительно испаряют материал мишени и ионизируют пар за счет формирования потока вторичных электронов и направления его на мишень.

Результат также достигается тем, что в устройство для получения ионного пучка, содержащее источник лазерного излучения, вакуумную камеру с оптическим окном для ввода излучения, размещенные в ней и расположенные на одной оси твердотельную мишень, вытягивающий электрод и экстрагирующий электрод, подключенный к отрицательной шине первого источника питания, второй источник питания, положительная шина которого подключена к твердотельной мишени, введен вторично-эмиссионный формирующий электрод, который размещен соосно между мишенью и вытягивающим электродом, электрически соединен с последним, выполнен в виде диска с отверстиями и подключен к положительной шине первого и отрицательной шине второго источников питания.

Увеличение количества плазмы, получаемое в результате бомбардировки мишени сформированным потоком вторичных электронов, образованных при взаимодействии лазерной плазмы с формирующим электродом, увеличивает длительность и амплитуду ионного тока, а также приводит к снижению удельных энергозатрат, т. к. по сравнению с известными способами и устройствами при той же энергии лазерного излучения позволяет получить значительно большую величину ионного тока. На чертеже представлена структурная схема устройства, реализующего предлагаемый способ.

Устройство содержит источник 1 лазерного излучения, вакуумную камеру 2 с оптическим окном для ввода излучения, расположенные на одной оси внутри камеры 2 твердотельную мишень 3, вторично-эмиссионный формирующий электрод 4, вытягивающий электрод 5 и экстрагирующий электрод 6, электроды 5 и 6 выполнены в виде мелкоструктурной проводящей сетки, первый источник 7 питания, положительная шина которого подключена к формирующему электроду 4, электрически связанному с вытягивающим электродом 5, второй источник 8 питания, положительная шина которого подключена к мишени 3, отрицательная к формирующему электроду 4. Формирующий электрод 4 выполнен в виде диска с отверстиями, которые могут иметь щелевую, цилиндрическую или коническую форму, при этом глубина отверстий должна быть больше их поперечного сечения и обусловлена проникновением электрического поля на всю толщину электрода 4 и возможностью выхода электронов из отверстия. Расстояние от электрода 4 до мишени 3, толщина диска электрода 4 и поперечный размер отверстий в нем подбираются экспериментально. (При толщине электродов 4 меньше поперечного размера отверстия мал выход вторичных электронов.) Второй источник 8 питания выполнен импульсным. Длительность импульсов напряжения выбирается из условия обеспечения эффективной вторичной эмиссии и предотвращения возникновения в разряде электрической дуги, которая неизбежно возникает в разряде, где существует процесс увеличения электронов с коэффициентом больше единицы. Блок управления, осуществляющий запуск импульсного источника 8 питания и источника 1 лазерного излучения, расположен вне вакуумной камеры 2 и на фигуре не показан.

Способ осуществляется следующим образом.

После откачки вакуумной камеры 2 до давления порядка 10^-4 Па через оптическое окно в камеру 2 направляю на мишень 3 излучение от источника 1. Мощность излучения выбрана такой, чтобы обеспечить интенсивное испарение и ионизацию материала мишени 3 (например плотность потока излучения лазера выбирают порядка 10⁸ 10⁹ вт/см² при длительности импульса порядка 10 30 н/сек). Лазерная плазма, распространяясь в электрическом поле мишень 3 электроды 4-5, приобретает направленное движение в сторону электрода 4, часть ее проходит сквозь отверстия электрода 4, доходит до экстрагирующего электрода 5, где напряжение от источника 7, приложенное к электродам 5 и 6, обеспечивает вытягивание ионного пучка. В то же время ионы плазмы, попавшие на внутреннюю поверхность отверстий электрода 4, бомбардируют стенки отверстий под очень малым углом (в силу протяженности отверстий), вызывают вторичную электронную эмиссию. Коэффициент вторичной эмиссии зависит от энергии иона, типа и состояния поверхности, при энергии иона порядка 1 кэВ g порядка 0,2 10 эл/ион. Дальнейшее увеличение энергии иона (за счет увеличения напряжения источника 7 питания до 10 кВ) ограничивается техническими сложностями реализации устройства, кроме того, коэффициент вторичной эмиссии растет значительно медленнее порядка 1 10% чем технические трудности. Одновременно с лазерным импульсом на мишень 3 подается положительный импульс от источника 8. Вторичные электроны, ускоряясь в электрическом поле мишень 3 электрод 4, формируются в электронный поток, попадающий на мишень 3. Электроны бомбардируют мишень 3, вызывая дополнительный нагрев ее, испарение материала мишени 3 и ионизацию пара. Ионы плазмы, прошедшие отверстия электрода 5, попадают в ускоряющее электрическое поле, образованное системой электродов 5 и 6. В результате получения дополнительного пара и его ионизации амплитуда и длительность импульса ионного тока значительно увеличиваются.

Использование данного способа и устройства по сравнению с известными позволяет увеличить амплитуду ионного тока более чем на порядок, достигая значения 10 50, а при площади пучка ионов порядка 100 150 см² длительность импульса тока при этом достигает величины порядка 10^-3 сек. Удельные энергозатраты на образование ионов по сравнению с известными устройствами снижены почти на два порядка. Глубина слоя обработки при данном способе может достигать десятки микрон, а производительность процесса соизмерима с процессом напыления. Использование ионного пучка с большой плотностью тока позволяет получать износостойкие и жаропрочные покрытия, формировать на поверхности металлов слой вентильного металла, а также использовать предлагаемое изобретение при создании материалов с новыми физико-химическими свойствами.