ионный источник с холодным катодом

Формула изобретения

Ионный источник с холодным катодом, содержащий плазменный катод, электродная система которого включает полый катод тлеющего разряда, поджигающий электрод и анодную сетку, и генератор плазмы, включающий основной анод и экранную сетку с отверстиями для извлечения ионов, электрически соединенную с анодной сеткой и находящуюся под отрицательным потенциалом относительно основного полого анода, на поверхности которого установлена система постоянных магнитов для формирования многополюсного периферийного магнитного поля, отличающийся тем, что анодная сетка установлена на обращенном к основному аноду торце полого анода тлеющего разряда, на противоположном торце которого установлена диафрагма с анодной апертурой, которая соосна катодной апертуре, причем выполняются соотношения: d _а>d_к и d_c <D-2h, где d_a, d_к , d_с, D - диаметр анодной апертуры, диаметр катодной апертуры, диаметр анодной сетки и диаметр основного анода соответственно; h - наименьшее расстояние между рядами постоянных магнитов с различной полярностью.

Описание изобретения к патенту

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

Известны источники ионов, в которых плазма генерируется в анодной полости, на поверхности которой установлены ряды постоянных магнитов с переменной полярностью для создания многополюсного магнитного поля. Такое поле максимально у поверхности анода и быстро спадает по направлению к центру системы, что обеспечивает удержание быстрых электронов в плазме и генерацию однородной малошумящей плазмы в свободном от магнитного поля объеме анодной полости. В таких источниках "корзиночного" типа обычно используется накаливаемый катод [1], недостатком которого является ограниченный срок службы при работе с химически активными газами. Известны ионные источники с магнитным мультиполем, в которых используется плазменный катод на основе микроволнового [2] или радиочастотного [3] разрядов, что обеспечивает увеличение ресурса, но существенно усложняет и удорожает ионный источник.

Известен источник ионов, основанный на инжекции электронов из плазмы тлеющего разряда с полым катодом через затянутое мелкоструктурной анодной сеткой малое отверстие в полость генератора плазмы, основной анод которого экранирован многополюсным магнитным полем [4]. В полости генератора в результате ионизации газа инжектируемыми электронами генерируется плотная плазма с равномерной ионной эмиссией в области слабого магнитного поля. В такой системе анодная сетка одновременно выполняет несколько функций: замыкает ток тлеющего разряда, собирая медленные плазменные электроны из плазмы в катодной полости, формирует поверхность плазменного эмиттера электронов, стабилизирует параметры плазмы и электронного эмиттера. В силу того, что одновременное выполнение всех этих функций анодной сеткой возможно лишь в ограниченном диапазоне значений давления газа и тока разряда, в таком источнике не достигаются максимально возможные значения энергетической эффективности и газовой экономичности.

Так, для уменьшения напряжения горения и рабочего давления тлеющего разряда отношение между площадью анода тлеющего разряда и площадью поверхности полого катода должно составлять S _a/S_k=(M_i/m _e)^1/2˜100, где М _i, m_e - масса иона рабочего газа и электрона, соответственно [5]. При требующемся малом размере анода и, соответственно, размере катодной апертуры в анодной плазме вблизи сетки оказываются совмещенными в пространстве плотный поток быстрых электронов и поток атомов или молекул газа, напускаемого в катодную полость. Поскольку при ионизации газа электронным ударом плотность генерируемых ионов пропорциональна произведению плотности потока быстрых электронов и плотности газа, в результате возникает значительная пространственная неоднородность генерируемой плазмы и большая часть тока генерируемых ионов рекомбинирует на сетке и основном аноде, не достигая экранного электрода, через отверстия в котором ионы могут быть извлечены внешним электрическим полем. Увеличение размеров анодной сетки приводит к выравниванию плотности плазмы в анодной полости и увеличению тока извлеченных ионов в несколько раз [6]. Однако при неизменных размерах полого катода это приводит к снижению давления в катодной полости, повышению напряжения горения разряда и росту мощности, потребляемой в разряде, либо к необходимости увеличивать расход рабочего газа. Альтернативой является одновременное с увеличением размера сетки увеличение размеров полого катода, что не всегда возможно и целесообразно. Кроме того, высокая плотность потока ионов j_i из анодной плазмы в катодную (которая определяется соотношением j_i/j_e˜(m _e/M_i)^1/2, где j_e - плотность тока быстрых электронов) увеличивает плотность и потенциал катодной плазмы, приводя к росту тока эмиссии электронов. При достижении значений эмиссионного тока, равного току разряда, слой пространственного заряда, ускоряющий эмитированные электроны, разрушается, разряд переходит в режим контракции, при этом резко снижается ток извлекаемых из плазмы ионов [7] (прототип). Таким образом, малый размер анодной сетки ограничивает рабочий диапазон источника ионов по давлению и току разряда.

Задачей изобретения является увеличение энергетической эффективности и газовой экономичности ионного источника при сохранении массогабаритных характеристик, простоты, надежности и высокого ресурса ионного источника с холодным катодом. Для этого в источнике ионов, содержащем плазменный катод, электродная система которого включает полый катод тлеющего разряда, поджигающий электрод и анодную сетку, и генератор плазмы, включающий полый основной анод и экранную сетку с отверстиями для извлечения ионов, электрически соединенную с анодной сеткой и находящуюся под отрицательным потенциалом относительно основного полого анода, на поверхности которого установлена система постоянных магнитов для формирования многополюсного периферийного магнитного поля, анодную сетку устанавливают на обращенном к основному аноду торце полого анода тлеющего разряда, на противоположном торце которого устанавливают диафрагму с анодной апертурой, которая соосна катодной апертуре, причем выполняются соотношения d_a>d_к и d_c<D-2h, где d_a , d_k, d_c, D - диаметр анодной апертуры, диаметр катодной апертуры, диаметр анодной сетки и диаметр полого основного анода, соответственно, а h - наименьшее расстояние между рядами постоянных магнитов с различной полярностью.

Сущность изобретения. Плазменный катод ионного источника содержит полый катод тлеющего разряда, поджигающий электрод и полый анод тлеющего разряда, входная апертура которого соосна выходной апертуре полого катода, а на противоположном торце полого анода тлеющего разряда установлена анодная сетка. Генератор плазмы источника ионов содержит экранную сетку, электрически соединенную с анодной сеткой плазменного катода, и полый основной анод, на поверхности которого установлено несколько линейных или кольцевых рядов постоянных магнитов, создающих многополюсное магнитное поле. В катодную полость напускается газ и при приложении напряжения между катодом, поджигающим электродом и полым анодом тлеющего разряда зажигается разряд, ток которого через выходную апертуру катода замыкается на полый анод тлеющего разряда. При подаче положительного относительно анодной и экранной сеток потенциала на полый основной анод электроны извлекаются через анодную сетку, приобретая дополнительную энергию в слое пространственного заряда, формирующемся у анодной сетки. С ростом разности потенциалов между полым основным анодом и анодной, и экранной сетками увеличивается ток инжектируемых электронов и растет их ионизирующая способность, в результате в полости основного анода генерируется плотная плазма. Периферийное поле, создаваемое постоянными магнитами, отражает быстрые электроны, обеспечивая их эффективную энергетическую релаксацию в плазме и генерацию однородной плазмы в свободном от магнитного поля пространстве анодной полости. Ионы извлекаются из плазмы через отверстия в экранном электроде полем слоя пространственного заряда или полем ускоряющего промежутка ионной оптики в случае, если необходимо ускорение ионов до более высоких энергий.

В предложенной конструкции ионного источника эффективная действующая площадь полого анода для тлеющего разряда с полым катодом определяется площадью катодной апертуры, диаметр которой может быть выбран оптимальным для горения разряда. Если анод тлеющего разряда выполнить полым, его площадь поверхности может быть многократно увеличена вплоть до величин, сопоставимых с площадью полого катода. Во избежание перехвата электронного тока диафрагмой размер входной апертуры полого анода тлеющего разряда выбирается равным или большим диаметра катодной апертуры. Диаметр анодной сетки не влияет на условия горения тлеющего разряда и может быть увеличен до диаметра, определяемого размерами области, свободной от магнитного поля, которая, согласно [8], меньше диаметра полого основного анода примерно на удвоенное расстояние между рядами магнитов различной полярности. Увеличение размера анодной сетки повышает однородность генерируемой в полости основного анода плазмы, что уменьшает ионные потери, а использование полого анода тлеющего разряда с большой площадью поверхности обеспечивает превышение потенциала плазмы над потенциалом анода, что является условием высокой эффективности извлечения электронов из плазмы. Увеличение тока эмиссии плазменного катода и снижение ионных потерь увеличивают энергетическую эффективность источника ионов, а выбор оптимального размера катодной апертуры способствует повышению газовой экономичности ионного источника.

На чертеже представлен предложенный плазменный эмиттер ионов. Ионный источник состоит из плазменного катода и генератора плазмы. Электродная система плазменного катода содержит полый катод тлеющего разряда 1, поджигающий электрод 2, полый анод тлеющего разряда 3, на одном из торцов которого установлена анодная сетка 5, а на противоположном торце имеется диафрагма с анодной апертурой 4. Генератор плазмы содержит полый основной анод 7 и экранную сетку 6, которая электрически соединена с анодной сеткой 5. На поверхности полого основного анода 7 установлены постоянные магниты 8.

Ионный источник работает следующим образом.

В катодную полость напускается газ. Между катодом 1, поджигающим электродом 2 и полым анодом тлеющего разряда 3 прикладывается напряжение и зажигается тлеющий разряд. Ток разряда замыкается через выходную апертуру полого катода на анодную сетку 5, причем часть электронов поступает в полость основного анода 7. При подаче на основной анод 7 положительного относительно анодной и экранной сеток 5 и 6 потенциала электроны, инжектированные в полость генератора плазмы, приобретают дополнительную энергию и начинают ионизовать газ. В результате в полости генерируется плотная плазма, из которой через экранную сетку извлекаются ионы.

Испытания опытного образца плазменного эмиттера ионов проводились с использованием электродной системы, длина и диаметр полого катода которой были равны и составляли 130 мм, диаметр полого основного анода составлял 130 мм, длина равнялась 100 мм. Диаметр выходной апертуры полого катода составлял 10 мм. Индукция магнитного поля на полюсах магнитной системы составляла 0,1 Тл. Поток аргона, напускавшегося в катодную полость, составлял 20 см ³/мин. Ток разряда в непрерывном режиме горения разряда достигал 1 А, напряжение горения разряда U₁ составляло около 400-500 В. Неравномерность распределения плотности ионного тока по поверхности экранной сетки, оцененная зондовым методом по величине тока насыщения ионов из плазмы, не превышала 10% на диаметре 80 мм. Ток ионов на экранную сетку составил 400 мА при токе плазменного катода I_э=200 мА и разности потенциалов между экранной сеткой и основным анодом U₂=150 В. Соответственно, эффективность разряда, оцениваемая исходя из величины ионного тока на экранную сетку в области однородной плазмы I_i, как =I_i/I_э(U ₁+U₂), составила около 3 А/кВт, энергетическая эффективность источника с учетом прозрачности экранной сетки и потерь ионов из неоднородной плазмы на границе с магнитным полем примерно втрое ниже. Расчетные значения эффективности, полученные с учетом потерь мощности в плазменном катоде, по величине сопоставимы с характерными значениями эффективности для технологических источников широких пучков на основе термокатодов, если при расчете эффективности последних учитывать энергетические затраты на нагрев катодов. Источник работает при рабочем давлении газа до 0,004 Па, что свидетельствует о его высокой газовой экономичности.

Простота и надежность предлагаемого источника ионов позволяют эффективно использовать его в ионно-лучевых технологиях, в частности, основанных на использовании пучков химически активных газов. Повышение эффективности извлечения тонов обеспечит уменьшение удельных энергетических затрат и снижение тепловой нагрузки на электроды. В результате существенно улучшатся функциональные и эксплуатационные характеристики ионных источников.

Источники информации

1. Н.R.Kaufman, J.J.Cuomo, and J.M.E.Harper, J.Vac. Sci. Technol. 21, 725 (1982).

2. Y.Oka, T.Shoji, Т.Kuroda, O.Kaneko, and A.Ando, Rev. Sci. Instrum. 61, 1256 (1990).

3. Y.Hakamata, T.Iga, К.Natsui, and T.Sato, Nucl. Instrum. Methods В 37/38, 143 (1989).

4. E.Oks, A.Vizir, and G.Yushkov, Rev. Sci. Instrum. 69, 853 (1998).

5. А.С.Метель, ЖТФ, 1984, Т.54, В.2, С.241.

6. Н.В.Гаврилов, А.С.Каменецких, ДАН. Т.394, №2, C.1.

7. N.V.Gavrilov, A.S.Kamenetskikh, Proc. of 13^th International Symposium on High Current Electronics, Tomsk: Institute of Atmospheric Optic of SB RAS, 2004, P.45.

8. R.Limpaecher, К.R.MacKenzie, Rev. Sci. Instrum. 44, 726 (1973).