Источник ионов
Использование: газоразрядные устройства для получения интенсивных пучков ионов различных газов, включая активные, используемых для технологических операций на базе ионно-лучевой обработки материалов в вакууме. Сущность изобретения: источник ионов содержит полые анод и катод с соосными щелевыми апертурами в обращенных друг к другу торцевых стенках. Магнитная система, состоящая из двух постоянных магнитов и четырех полюсных наконечников, обеспечивает на краях катодной контрагирующей щели встречные магнитные поля, перпендикулярные продольной оси симметрии щели, направленные так, что образуют с направлением от катода к аноду правовинтовую систему векторов. Ионно-оптическая система образована стенкой полого катода, противоположной контрагирующей щели, и извлекающим электродом, в которых выполнены соосные отверстия, равномерно распределенные по прямоугольнику, большая ось симметрии которого параллельна контрагирующей щели. 2 ил.
Изобретение относится к газоразрядным устройствам для получения интенсивных пучков ионов различных газов, включая активные, и может быть использовано для технологических операций на базе ионно-лучевой обработки материалов в вакууме. Целью изобретения является повышение равномерности распределения плотности ионного тока при формировании ленточного пучка и увеличение ресурса работы. Указанная цель достигается тем, что источник ионов, содержащий соосно расположенные анод с отверстием для подачи рабочего газа, полый катод и ионно-оптическую систему, при этом в торцевой стенке катода, обращенной к аноду, выполнено контрагирующее отверстие, а в противоположной торцевой стенке, обращенной к извлекающему электроду ионно-оптической системы, выполнено по крайней мере одно эмиссионное отверстие, дополнительно содержит магнитную систему с двумя парами полюсных наконечников, симметрично расположенных в полости катода на противоположных краях контрагирующего отверстия, выполненного в форме прямоугольной щели, причем векторы индукции магнитных полей, возбуждаемых с помощью каждой пары полюсных наконечников, перпендикулярны продольной оси симметрии щели, и образуют с нормалью к плоскости щели, направленной к аноду, правовинтовую систему векторов. Применение пучка ионов, имеющего в сечении прямоугольную форму, с высокой равномерностью распределения плотности тока ионов вдоль большей оси симметрии сечения позволяет упростить некоторые технологические режимы и применяемое оборудование. Например, для установок карусельного типа, в которых изделия, непрерывно и последовательно перемещаясь, подвергаются ионной обработке, применение такого пучка позволяет обеспечивать равномерную обработку изделий с большими линейными размерами при направлении движения изделия перпендикулярно большей оси симметрии сечения пучка. Получить такой пучок можно, используя ионно-оптическую систему прямоугольной формы, если на границе токоотбора (у эмиссионного электрода) вдоль большей оси симметрии ионно-оптической системы обеспечивается равномерная концентрация ионов, что достигается применением щелевой контрагирующей апертуры, параллельной указанной оси, и равномерным распределением разряда по всей длине щели с помощью магнитной системы. Без магнитной системы разряд при низких давлениях сосредоточивается у края щели, что не обеспечивает равномерный поток ионов к границе токоотбора. Создание магнитного поля, которое распределяет при низких давлениях разряд от краев щели к центру, обеспечивает указанную равномерность. Кроме того, применение контрагирующей щели с равномерным распределением тока разряда по ней увеличивает ресурс и надежность работы устройства по сравнению с устройствами, имеющими контрагирующие отверстия с диаметрами порядка ширины щели, за счет увеличения общей площади сечения контрагирующей апертуры и следовательно, уменьшения тока ионов, попадающих на единицу площади стенки контрагирующей апертуры. На фиг.1 показан источник ионов, общий вид; на фиг.2 - магнитная система. Источник ионов содержит анод 1, полый катод 2 с щелевой апертурой 3 в торцевой стенке 4, обращенной к аноду 1, магнитную систему 5, состоящую из постоянных магнитов 6 и полюсных наконечников 7. Ионно-оптическая система образована эмиссионным электродом (торцевой стенкой 8 катода 2, противоположной стенке 4) и извлекающим электродом 9. В стенке 8 и электроде 9 выполнены соосные отверстия, равномерно распределенные по прямоугольнику, большая ось симметрии которого параллельна щели 3. Изоляторы 10 служат для электрической развязки электродов и герметизации источника ионов. Напуск газа осуществляется со стороны анода 1, который выполнен в виде полости с щелевой апертурой 11, соосной катодной апертуре 3, для обеспечения равномерного давления газа по всей длине контрагирующей щели 3. Откачка газа осуществляется через отверстия в стенке 8 и электроде 9. Магнитная система 5 с помощью магнитов 6 и полюсных наконечников 7 создает на краях щели 3 встречные магнитные поля, причем направление векторов магнитной индукции в каждой паре полюсов составляет с направлением от катода к аноду и от периферии щели к ее центру правовинтовую систему векторов. Источник работает следующим образом. Устанавливается напуск ионообразующего газа через анод 1. Инициируется плазма в полом катоде 2. После подачи напряжения между катодом 2 и анодом 1 зажигается разряд, контрагированный щелью 3 в полом катоде 2. Локализации разряда на краях щели 3, как это имеет место при низких давлениях, препятствует магнитное поле, создаваемое полюсами 7 магнитной системы 5, направленное поперек щели 3 (вдоль малой стороны прямоугольника щели) так, чтобы электроны, ускоренные напряжением двойного слоя, возникающего с катодной стороны контрагирующей щели 3 после зажигания разряда, "закручивались" к центру щели. Поэтому направления векторов индукции магнитных полей, создаваемых на разных краях щели 3, должны быть противоположны. Величины магнитной индукции на краях щели определяются условием, при котором радиус траектории электронов на периферии щели 3, поступающих из полого катода 2 и ускоренных двойным слоем, не превышал бы высоту контрагирующего канала Н B = 
= 
где q и m - заряд и масса электрона; v - скорость электронов; U - напряжение на двойном слое. Двойной слой имеет форму полуцилиндра, выступающего от щели в катодную полость. При горении основного разряда генерируется редкая плазма в катодной полости и плотная плазма (по крайней мере, плотность на порядок выше) в контрагирующей щели 3. Плазма щели отделена от катодной плазмы двойным слоем с падением напряжения в нем в несколько потенциалов ионизации атомов газа электронным ударом. В свою очередь, катодная плазма отделена от стенок полости электростатическим слоем. На границу токоотбора (к эмиссионному электроду 8) обеспечивается ускоренный поток ионов на щели 3 и из катодной плазмы. При подаче ускоряющего напряжения между ускоряющим 9 и эмиссионным 8 электродами обеспечивается формирование пучка ионов прямоугольной в сечении формы с равномерным распределением плотности тока ионов по большей оси симметрии сечения. Механизм образования заряженных частиц в предложенном устройстве следующий. Электроны, выбиваемые со стенок полого катода 2 ионами из плазмы щели и катодной плазмы, ускоряются электростатическим слоем у стенок и, многократно осциллируя в катодной полости, ионизируют газ, т.е. генерируют катодную плазму. Далее электроны катодной плазмы ускоряются двойным слоем в щель 3, где имеют место условия для реализации пучково-плазменных взаимодействий, а также для рассредоточения разряда по всей длине щели. В контрагирующей щели 3 генерируется плотная плазма, из которой электроны преимущественно проходят через щель 11, соосную контрагирующей 3, в анодную полость и тратят оставшуюся после генерации плазмы щели 3 энергию на "нагрев" ионообразующего газа, что позволяет повысить электрическую и газовую экономичности источника ионов по сравнению с плоским анодом. Ионы из плотной плазмы щели 3 ускоряются двойным слоем и в виде расходящегося потока пересекают катодную полость 2 в направлении токоотбора. Эти ионы вместе с ионами катодной плазмы ускоряются электростатическим слоем у стенок полости и через эмиссионные отверстия выходят в ускоряющий промежуток, где формируются в пучок. Частично ионы попадают на стенки полости катода 2 и участвуют в воспроизводстве первичных электронов. Предложенный источник ионов обладает следующими преимуществами. При получении ионных пучков с большими линейными размерами, имеющих в сечении прямоугольную форму, он обеспечивает более высокую равномерность распределения плотности тока ионов вдоль большей оси симметрии пучка за счет "растягивания" области интенсивной ионизации и создания, тем самым, более равномерного потока ионов вдоль указанной оси на границе токоотбора; он обладает более высоким рабочим ресурсом за счет увеличения общей площади сечения контрагирующего канала и, следовательно, уменьшения мощности; выделяемой разрядом на единицу площади канала.
Формула изобретения
ИСТОЧНИК ИОНОВ, содержащий соосно расположенные анод с отверстием для подачи рабочего газа, полый катод и ионно-оптическую систему, при этом в торцевой стенке катода, обращенной к аноду, выполнено контрагирующее отверстие, а в противоположной торцевой стенке, обращенной к извлекающему электроду ионно-оптической системы, выполнено по крайней мере одно эмиссионное отверстие, отличающийся тем, что, с целью повышения равномерности распределения плотности ионного тока при формировании ленточного пучка и увеличения ресурса, источник ионов дополнительно содержит магнитную систему с двумя парами полюсных наконечников, симметрично расположенных в полости катода на противоположных краях контрагирующего отверстия, выполненного в форме прямоугольной щели, причем векторы индукции магнитных полей, возбуждаемых с помощью каждой пары полюсных наконечников, перпендикулярны продольной оси симметрии щели и образуют с нормалью к плоскости щели, направленной к аноду, правовинтовую систему векторов.РИСУНКИ
Рисунок 1, Рисунок 2MM4A Досрочное прекращение действия патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе
Номер и год публикации бюллетеня: 31-2000
Извещение опубликовано: 10.11.2000
