Плазменный эмиттер ионов

 

Изобретение относится к вакуумно-плазменной технике, к источникам пучков большого поперечного сечения ионов и/или быстрых нейтральных молекул инертных и химически активных газов, а именно к плазменным эмиттерам ионов с большой эмиссионной поверхностью. Плазменный эмиттер ионов содержит эмиссионную сетку открытый в направлении сетки полый катод, анод и источник питания разряда. Отрицательный полюс источника питания разряда соединен с полым катодом, а положительный полюс соединен с анодом. На боковой поверхности полого катода в зоне эмиссионной сетки имеются по меньшей мере два симметрично расположенных отверстия. Анод выполнен в виде системы изолированных друг от друга и расположенных снаружи полого катода в зоне отверстий анодных электродов. Число анодных электродов равно числу отверстий, при этом площадь S_N сечения каждого отверстия удовлетворяет условию S_N<(2m/M)S/N, где S - суммарная площадь внутренней поверхности полого катода и эмиссионной сетки, а m и M - соответственно масса электрона и иона рабочего газа. Положительный полюс источника питания разряда может быть соединен с анодными электродами через отдельные резисторы. 1 з.п.ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к вакуумно-плазменной технике, к источникам пучков большого поперечного сечения ионов и/или быстрых нейтральных молекул инертных и химически активных газов, а именно к плазменным эмиттерам ионов с большой эмиссионной поверхностью.

Известен плазменный эмиттер ионов, содержащий эмиссионную сетку, газоразрядную камеру, введенный внутрь камеры термоэмиссионный катод, источник питания разряда и охватывающий боковую поверхность камеры соленоид [1].

Газовый разряд в скрещенных электрическом и магнитном полях между являющийся анодом боковой поверхностью камеры и термоэмиссионным катодом генерирует стационарную плазму с достаточно однородным распределением концентрации вблизи протяженной поверхности эмиссионной сетки. Электрическое поле в камере создает подключенный положительным полюсом к боковой поверхности камеры и отрицательным полюсом к термоэмиссионному катоду источник питания разряда, а магнитное поле создает соленоид. При создании ускоряющего электрического поля вблизи наружной поверхности эмиссионной сетки через отверстия сетки вытягиваются ионы, формирующие однородный ионный пучок большого поперечного сечения.

Недостатком устройства является невозможность эмиссии ионов химически активных газов, обусловленная использованием для генерации плазмы термоэмиссионного катода, неработоспособности в химически активных средах в результате интенсивной эрозии катода.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является плазменный эмиттер ионов, содержащий эмиссионную сетку, открытый в направлении сетки холодный полый катод, введенный внутрь полого катода через отверстие анод и подключенный положительный положительным полюсом к аноду, а отрицательным полюсом к полому катоду источник питания разряда [2].

Использование для генерации плазмы холодного катода вместо термоэмиссионного катода позволяет получат ионы любых химически активных газов. Тлеющий разряд с холодным полым катодом благодаря многократным осцилляциям внутри катоды быстрых электронов генерирует достаточно однородную плазму, заполняющую весь полый катод. Однако через центральную область полого катода осциллирующие быстрые электроны пролетают чаще, чем через периферийные области полого катода. В результате концентрация плазмы в центральной области заметно выше, чем в периферийных областях. При создании ускоряющего электрического поля вблизи эмиссионной сетки через отверстия сетки вытягиваются ионы, формирующие ионный пучок большого поперечного сечения.

Недостатком устройства является неоднородность распределения плотности тока ионной эмиссии, проявляющаяся в снижении плотности ионного тока на периферии эмиссионной сетки.

В основу настоящего изобретения была положена задача создания такого плазменного эмиттера ионов химически активных газов, в котором обеспечивалось бы повышение однородности распределения плотности тока ионной эмиссии по поверхности протяженной эмиссионной сетки.

Поставленная задача решается посредством того, что в плазменном эмиттере ионов, содержащем эмиссионную сетку, открытый в направлении сетки полый катод, анод и источник питания разряда, отрицательный полюс которого соединен с полым катодом, а положительный полюс соединен с анодом, согласно изобретению на боковой поверхности полого катода в зоне эмиссионной сетки имеются по меньшей мере два симметрично расположенных отверстия, анод выполнен в виде системы изолированных друг от друга и расположенных в зоне отверстий снаружи полого катода анодных электродов, число которых равно числу N отверстий, при этом площадь S_N сечения каждого отверстия удовлетворяет условию S_N < (2m/M)^1/2S/N, где S - суммарная площадь внутренней поверхности полого катода и эмиссионной сетки; m и M - соответственно, масса электрона и иона рабочего газа.

Целесообразно, чтобы положительный полюс источника питания разряда был соединен с анодными электродами через отдельные резисторы.

Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации и выявление источников, содержащих сведения об аналогах, характеризующийся признаками, идентичными всем существенным признакам заявленного изобретения, позволил установить, что заявителем не обнаружен аналог, характеризующийся признаками, идентичными всем существенным признакам заявленного изобретения, а выбранный из перечня выявленных аналогов прототип, как наиболее близкий по совокупности признаков аналог, позволили выявить совокупность существенных, по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату, отличительных признаков в заявленном объекте, изложенных в формуле изобретения.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует критерию патентоспособности Новизна по действующему законодательству. Для проверки соответствия заявленного изобретения требованию критерия патентоспособности Изобретательский уровень заявитель провел дополнительный поиск известных технических решений, с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявленного изобретения, результаты которого показывают, что заявленное изобретение не следует для специалиста явным образом из известного уровня техники, поскольку из уровня техники, определенного заявителем, не выявлено влияние предусматриваемых существенными признаками заявленного изобретения преобразований на достижение усматриваемого заявителем технического результата. В частности, заявленным изобретением не предусматриваются следующие преобразования известного объекта - прототипа: дополнение известного объекта какой-либо известной частью, присоединяемой к нему по известным правилам, для достижения технического результата, в отношении которого установлено влияние именно таких дополнений; замена какой-либо части известного объекта другой известной часть для достижения технического результата, в отношении которого установлено влияние именно такой замены; исключение какой-либо части объекта с одновременным исключением обусловленной наличием этой части функции и достижением при этом обычного для такого исключения результата; увеличение количества однотипных элементов в объекте для усиления технического результата, обусловленного наличием в объекте именно таких элементов; выполнение известного объекта или его части из известного материала для достижения технического результата, обусловленного известными свойствами материала; создание объекта, состоящего из известных частей, выбор которых и связь между ними осуществлены на основании известных правил, и достигаемый при этом технический результат обусловлен только известными свойствами частей этого объекта и связей между ними.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию критерия патентоспособности Изобретательский уровень по действующему законодательству.

Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленного изобретения следующей совокупности условий:
объект, воплощающий заявленное изобретение при его осуществлении, предназначен для использования в промышленности, а именно, в области вакуумно-плазменной техники;
для заявленного изобретения в том виде, как оно охарактеризовано в независимом пункте нижеизложенной формулы изобретения подтверждена возможность его осуществления с помощью вышеописанных в заявке или известных на дату приоритета средств и методов;
объект, воплощающий заявленное изобретение при его осуществлении, способен обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию критерия патентоспособности Промышленная применимость по действующему законодательству.

На фиг. 1 показана схема плазменного эмиттера ионов с круглой эмиссионной сеткой на фиг. 2 - разрез А-А на фиг.1, на фиг.3 - вариант ленточного плазменного эмиттера ионов.

Плазменный эмиттер ионов содержит эмиссионный сетку 1, полый катод 2 с отверстиями 3 на его боковой поверхности вблизи эмиссионной стеки 1, анод в виде отдельных анодных электродов 4, установленный вблизи отверстий 3 снаружи полого катода 2. Отрицательный полюс источника 5 питания разряда подключен к полому катоду 2, а положительный полюс соединен с анодными электродами через отдельные резисторы 6.

Кроме того, на фиг.1, 2 и 3 условно показаны газоразрядная плазма 7, катодный слой 8 и прианодные плазмы 9 с повышенной концентрацией.

Устройство работает следующим образом.

С помощью поджигающего устройства (не показано) при давлении газа 0,01 - 0,5 Па и напряжении между полым катодом 2 и анодными электродами 4 в несколько сотен вольт зажигают разряд. Полый катод 2 заполняется плазмой 7, отделенной от стенок катодным слоем 8. В каждом отверстии 3 на боковой поверхности полого катода 2 образуется прианодная плазма 9 с повышенной концентрацией. Падение потенциала в несколько десятков вольт на двойной слое между плазмами 7 и 9 ускоряет электроны из плазмы 7, что значительно повышает интенсивность ионизации газа в прианодной плазме 9. Условие образования двойных слоев вблизи отверстий 3 определяется формулой.

S_N < (2m/M)^2/1S/N,
где
S_N - площадь сечения каждой отверстия в боковой поверхности полого катода;
S - суммарная площадь внутренней полого катода и эмиссионной сетки;
N - число отверстий в боковой поверхности катода;
m и M - соответственно, масса электрона и иона рабочего газа.

Физический смысл приведенной формулы раскрыт в публикации: А.С. Метель. Расширение рабочего диапазона давлений тлеющего разряда с полым катодом. - ЖТФ, 1984, т. 54, N 2, с. 241 - 247.

Поток ионов на эмиссионную сетку 1 является суперпозицией потока из плазмы 7 и потока из прианодных плазм 9, который приводит к увеличению плотности ионного тока вблизи прианодных плазм 9, образующихся вблизи периферийной области эмиссионной сетки 1, а следовательно, приводит к увеличению плотности ионной эмиссии на периферии эмиссионной сетки. Соединение положительного полюса источника 5 питания разряда с анодными элементами 4 через одинаковые отдельные резисторы 6 обеспечивает равенство токов в их цепях и равенство потоков ионов на эмиссионную стеку 1 из всех отдельных прианодных плазм 9. В результате повышается однородность распределения плотности тока ионной эмиссии по поверхности эмиссионной сетки.

Таким образом, патентуемый плазменный эмиттер ионов может быть использован в ионно-плазменных установках, например, для нанесения упрочняющих покрытий, с целью однородного нагрева и травления крупногабаритных изделий ионами и/или быстрыми нейтральными молекулами химически активных газов перед нанесением покрытий.

Формула изобретения

1. Плазменный эмиттер ионов, содержащий эмиссионную сетку, открытый в направлении сетки полый катод, анод и источник питания разряда, отрицательный полюс которого соединен с полым катодом, а положительный полюс - с анодом, отличающийся тем, что на боковой поверхности полого катода в зоне эмиссионной сетки имеются по меньшей мере два симметрично расположенных отверстия, а анод выполнен в виде системы изолированных друг от друга и расположенных снаружи полого катода в зоне отверстий анодных электродов, число которых равно числу N отверстий, при этом площадь S_N поперечного сечения каждого отверстия удовлетворяет условию
S_N < (2m/M)^1/2 · S / N,
где S - суммарная площадь внутренней поверхности полого катода и эмиссионной сетки;
m и M - соответственно массы электрона и иона рабочего газа.

2. Эмиттер по п.1, отличающийся тем, что положительный полюс источника питания разряда соединен с анодными электродами через отдельные резисторы.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3