Широкоапертурный источник газовых ионов

Изобретение относится к технике формирования ионных пучков с широкой апертурой пучка ионов, а именно к источникам ионов на основе основного и вспомогательного разрядов. Широкоапертурный источник газовых ионов содержит средства для формирования основного объемного разряда, включающие полый катод и анод, выполненный в виде сетки, и средства формирования, по крайней мере, одного вспомогательного разряда, соединенные между собой. В качестве средства формирования вспомогательного разряда использован плазменный ускоритель с замкнутым дрейфом электронов с узкой зоной ускорения, содержащий кольцевой азимутально-замкнутый анод, размещенный в кольцевой полости, образованной магнитопроводами, и кольцевой азимутально-замкнутый канал ионизации рабочего тела и ускорения ионов, стенки которого образованы полюсами магнитопроводов, имеющие геометрические формы, обеспечивающие формирование искривленных электрического и магнитного полей. Дополнительно источник имеет средство для формирования второго вспомогательного разряда, выполненное в виде второго плазменного ускорителя, содержащего второй идентичный кольцевой азимутально-замкнутый канал выхода ионов и расположенного коаксиально с первым. Изобретение позволяет без принципиальных ограничений в размерах получать любые диаметры ионных пучков с равномерным распределением плотности ионов на требуемой длине от источника ионов. 8 з.п. ф-лы, 5 ил.

 

Изобретение относится к технике формирования ионных пучков с широкой апертурой пучка ионов, а именно к источникам ионов на основе основного и вспомогательного разрядов.

Известен широкоапертурный плазменный эмиттер [RU 2096857 C1, 1997], выполненный в едином узле электродных систем вспомогательного кольцевого и основного объемного разрядов и содержащий общий анод и катоды, катод основного разрядного пространства выполняется плоским и сетчатым, катодный электрод вспомогательного разрядного промежутка - стержневым.

Недостатком является некоаксиальная схема размещения вспомогательного и основного разрядов, при такой схеме невозможно увеличение апертуры пучка без существенных энергетических затрат.

В качестве прототипа выбран широкоапертурный источник ионов [SU 1598757 А1, 1996], содержащий основную и вспомогательную разрядные камеры, соединенные друг с другом, основная разрядная камера образована полым электродом - экспандером и эмиссионным сетчатым электродом, вспомогательная разрядная камера содержит коаксиально установленные анод и катод.

Недостатком прототипа является конструктивное исполнение ячейки вспомогательного разряда, не позволяющее создавать широкоапертурные пучки с равномерным распределением потока ионов на границе плазменного катода основного разряда.

Задачей изобретения является разработка конструкции газового высокоэнергетического источника ионов, позволяющей без принципиальных ограничений в размерах получать любые диаметры ионных пучков с равномерным распределением плотности ионов на требуемой длине от источника ионов.

Поставленная задача достигается тем, что, как и в известном, заявляемый широкоапертурный источник газовых ионов содержит средства для формирования основного объемного разряда, включающие полый катод и анод, выполненный в виде сетки, и средства формирования, по крайней мере, одного вспомогательного разряда, соединенные между собой.

Новым является то, что в качестве средства формирования вспомогательного разряда использован плазменный ускоритель с замкнутым дрейфом электронов с узкой зоной ускорения (УЗДУ), содержащий кольцевой азимутально-замкнутый анод, размещенный в кольцевой полости, образованной магнитопроводами, и кольцевой азимутально-замкнутый канал ионизации рабочего тела и ускорения ионов, стенки которого образованы полюсами магнитопроводов, имеющие геометрические формы, обеспечивающие формирование искривленных электрического и магнитного полей.

Кроме того, с целью создания искривленного электрического поля анод УЗДУ в зоне ионизации имеет в поперечном сечении скругленную форму.

Кроме того, с целью формирования искривленного магнитного поля стенки кольцевого азимутально-замкнутого канала ускорения ионов выполнены под углом друг к другу, образуя расходящийся канал от зоны ионизации к выходу из зоны ускорения.

Кроме того, кольцевой азимутально-замкнутый анод имеет кольцевую внутреннюю полость, соединенную с каналами напуска газа и узкие кольцевые щели выхода газа в область разрядной камеры, ориентированные по оси каналов ускорения ионов.

Предпочтительно, что кольцевая внутренняя полость анода имеет объем в 10 раз больше, чем кольцевые щели выхода газа.

Дополнительно источник имеет средство для формирования второго вспомогательного разряда, выполненное в виде второго плазменного ускорителя, содержащего второй идентичный кольцевой азимутально-замкнутый канал выхода ионов и расположенного коаксиально с первым.

Кроме того, для образования упомянутого второго канала магнитопроводы второго плазменного ускорителя выполнены в одной плоскости с магнитопроводами первого плазменного ускорителя, при этом полюс N магнитопровода второго канала выполнен единым с полюсом N первого канала и является внутренним кольцевым полюсом второго канала, полюс S является внутренним кольцевым полюсом первого канала и внешним кольцевым полюсом второго канала и соединен с общим для первого и второго канала магнитопроводом через постоянные магниты

Кроме того, второй кольцевой азимутально-замкнутый канал имеет анод, ориентированный вдоль упомянутого канала, идентичный по геометрии первому аноду, расположенный в одной с ним плоскости и с одним центром, но имеет диаметр в два раза больший, и соединенный с первым спицами, снабженными каналами для прохода газа.

Кроме того, полый катод основного разряда выполнен в форме цилиндра с соотношением длины к внутреннему диаметру L≈d, торец которого присоединен к камере вспомогательного разряда, и имеет кольцеобразные щели с размерами, равными размерам азимутально-замкнутых каналов выхода ионов вспомогательного разряда.

Проблема создания источников с широкой апертурой пучка ионов связана с необходимостью формирования большой эмиссионной поверхности плазменного катода и энергетическими затратами для обеспечения высокой плотности плазмы с равномерным распределением на границе плазменного катода. Эта задача может быть решена с помощью применения средств формирования вспомогательного разряда, обеспечивающих равномерное распределение потока ионов на границе полого катода основного разряда.

В предлагаемом изобретении в качестве вспомогательного разряда применен разряд с замкнутым холловским током в скрещенных Е×Н полях, который формируется в известной схеме плазменного ускорителя с замкнутым дрейфом электронов [Плазменные ускорители. Под ред. акад. Л.А.Арцимовича, - М.: Машиностроение, 1972]. Широкоапертурный источник ионов с вспомогательным разрядом типа УЗДУ показан на фиг.1. Достоинствами использования такого средства формирования вспомогательного разряда являются простота конструкции, возможность получения высоких плотностей плазмы разряда при более низком давлении, чем в известных газоразрядных источниках ионов [Габович М.Д. Физика и техника плазменных источников ионов. - М.: Атомиздат, 1972, - 357 с.], возможность создания кольцевого эмиттера ионов с неограниченными размерами диаметра, низкие энергетические затраты за счет упрощения схемы электрического питания в целом источника ионов. Однако в условиях применения в предлагаемом изобретении они имеют недостаток такой, как малая расходимость пучка ионов. В результате на границе полого катода основного разряда формируется неравномерная кольцеобразная плазма, которая после ускорения создает кольцеобразный след на мишени с ярко выраженной неоднородностью плотности ионов.

В ионном источнике, показанном на фиг.1, для обеспечения условий формирования равномерного распределения плазмы на эмиссионной границе полого катода в разрядном промежутке и в канале транспортировки ионов ускорителя сформировано неоднородные электрическое и магнитное поля. Неоднородность полей задана формой анода и полюсных наконечников магнитной системы. Поверхность анода, примыкаемая к зоне ионизации в камере вспомогательного разряда, выполнена скругленной и имеет в поперечном сечении форму полуокружности. Поверхности полюсных наконечников (полюсов) магнитной системы, формирующие кольцевой азимутально-замкнутый канал ускорения ионов, выполнены под углом друг к другу, образуя расходящийся магнитный канал выхода ионов от зоны ионизации к выходу из зоны ускорения. Однако, даже при обеспечении геометрических условий формирования неоднородных электрического и магнитного полей не удается достигнуть неравномерности распределения плазмы на эмиссионной границе полого катода меньше 20%. В результате этого после извлечения и ускорения ионов распределение плотности тока ионного пучка на коллекторе получено неравномерное и имеет вид, как показано на фиг.2а.

Одним из решений для улучшения распределения плазмы на эмиссионной границе полого катода является применение в области вспомогательного разряда дополнительного эмиссионного канала, расположенного коаксиально и в одной плоскости с имеющимся каналом. По сути примененный дополнительный эмиссионный канал есть ничто иное, как дополнительный самостоятельный плазменный ускоритель, но имеющий общие конструктивные элементы с основным, объединяющие их в единый плазменный эмиттер вспомогательного разряда широкоапертурного источника ионов. Такими элементами являются часть магнитопровода и магнитные полюсные наконечники, разделяющие дистанционно эмиссионные каналы, а также азимутально-замкнутый анод, выполненный в виде двух колец, соединенных спицами. Средний диаметр колец анода соответствует осевым диаметрам азимутально-замкнутых каналов выхода ионов вспомогательного разряда. Кроме того, в анодах выполнены кольцевые полости, которые соединены с разрядным пространством через узкие кольцевые щели, служащие для равномерной подачи газа в разрядное пространство. Такая конструкция анода дополнительно к основной функции облегчает зажигание разряда и снижает энергетические потери за счет исключения горения разряда вне зоны извлечения плазмы.

Данное решение схематично показано на фиг.3. Известно, что распределение плотности потока точечного источника в любой плоскости поперечного сечения имеет вид функции распределения Гаусса (F=J(x)). Добавление еще одного азимутально-замкнутого канала ионов обеспечивает квазиравномерное распределение плазмы в плоскости эмиссионной границы полого катода, которое зависит от геометрических параметров каналов формирования и ускорения плазмы вспомогательного разряда. На фиг.3 изображена в виде графика плотность плазмы на эмиссионной границе полого катода F(J) по диаметру X. Равномерность плотности тока ионов в плоскости коллектора источника ионов достигается подбором геометрических параметров первого и второго каналов. Применение второго азимутально-замкнутого канала позволило достигнуть отклонение от неравномерности плотности тока ионов до 5% на коллекторе размером 480 мм и расстоянии коллектора от ускоряющего электрода источника ионов 500 мм. Сравнительные кривые распределения плотности тока ионов с разными способами формирования каналов выхода ионов вспомогательного разряда показаны на фиг.2. Здесь в каждой точке зависимостей плотность тока J показана в относительных единицах и представлена в виде отношения измеренной плотности тока ионов J_d в соответствующей точке диаметра следа на плотность тока ионов, измеренной в центре следа J_o.

Основной разряд формируется полым катодом и анодом, выполненным в виде сетки [SU 1790314 A1, 1995]. Полый катод имеет форму цилиндра с соотношением длины и диаметра 0,85. Торец цилиндра, присоединенный к камере вспомогательного разряда, имеет кольцеобразные щели с размерами, равными размерам каналов ускорения УЗДУ, противоположный торец закрыт металлической сеткой с прозрачностью 0,7. Анод основного разряда представляет собой изолированный электрод, выполненный из двух сеток с прозрачностью 0,95, установленных друг от друга на расстоянии 0,2 в отношении к их диаметру. Он выполняет функции ускоряющего электрода и электрода подавления вторичных электронов, возникающих от конструктивных элементов источника ионов и коллектора, на который ускоряются ионы основного разряда.

Изобретение иллюстрируется графическими материалами.

На фиг.1 представлено схематичное изображение источника ионов с одним азимутально-замкнутым каналом ионов вспомогательного разряда.

На фиг.2а) и б) представлены сравнительные кривые распределения плотности тока ионов с разными способами формирования каналов выхода ионов вспомогательного разряда.

На фиг.3 представлено распределение плазмы на эмиссионной границе полого катода в области вспомогательного разряда с дополнительным эмиссионным каналом.

На фиг.4 представлена часть поперечного разреза источника ионов с двумя азимутально-замкнутыми каналами ионов вспомогательного разряда.

На фиг.5 представлен вид сверху анода для источника ионов с двумя азимутально-замкнутыми каналами ионов вспомогательного разряда.

Источник ионов (фиг.1, 3, 4 и 5) содержит средства для формирования основного объемного разряда, включающие полый катод 1 и анод 2, выполненный в виде сетки, и средства формирования вспомогательного разряда, содержащие азимутально-замкнутый аноды 3 и 3', размещенные в полости, образованной магнитопроводами 4 и 5 и полюсами магнитной системы 6, 7, 8, стенки которых образуют два кольцевых азимутально-замкнутых канала 9 и 9', у которых полюс 7 является внутренним кольцевым полюсом N второго канала 9' и выполнен единым с полюсом N первого канала 9, полюс 8 является внешним кольцевым полюсом S второго канала 9' и соединен с общим для каналов 9 и 9' магнитопроводом 5 через постоянные магниты 10, магнитопровод 6 является внутренним кольцевым полюсом S первого канала и соединен с общим для каналов 9 и 9' магнитопроводом 4 через постоянные магниты 11. Азимутально-замкнутый анод 3 (фиг.4, 5) соединен с анодом 3' тремя спицами 12, 12', 12'', снабженными каналами 13 для прохода газа, и расположен на диаметре в два раза большем, в одной плоскости и с одним центром анода 3. Аноды 3 и 3' имеют кольцевые полости 14 и 14', соединенные с одной стороны с кольцевыми щелями 15 и 15' на скругленной поверхности анодов и с другой стороны полость 14 соединена с тремя держателями анода 16, снабженными каналами напуска газа 17, и служащие дополнительно для крепления анодов в изолированном состоянии от магнитопровода и отвода тепла от анодов. Полость 14' с другой стороны соединена с каналами напуска газа 13 спиц 12, 12', 12''.

Источник работает следующим образом.

При подаче напряжения ˜600 В на держатель анода 16 и напуске газа через канал 17 (Фиг.3) в разрядном промежутке анод-катод (3 и 3' - магнитопроводы 6, 7, 8) вспомогательной разрядной системы зажигается разряд в скрещенных Е×Н полях. Благодаря наличию азимутально-замкнутых разрядных систем, сформированных кольцевыми стенками магнитной системы и кольцевыми анодами, реализуется разряд с замкнутым холловским током с двумя выходами ионов через магнитные каналы ускорения. Работа ускорителя с замкнутым дрейфом электронов подробно описана в работе [Плазменные ускорители. Под ред. акад. Л.А.Арцимовича, - М.: Машиностроение, 1972]. Ионы из разряда выходят в область полого катода с эмиссионной поверхностью диаметром 230 мм на границе полого катода, образованной сеткой. При подаче ускоряющего напряжения ˜30 кВ между сеткой полого катода 1 и анодом 2 основного разряда ионы извлекаются из плазмы полого катода и ускоряются на коллектор. Ускоренный пучок ионов приходит на мишень с расходимостью 30°. Величина расходимости пучка определяется векторами начальных скоростей, которые приобрели ионы в искаженном Е×Н поле, и пропорциональна геометрии электродов вспомогательной разрядной системы.

В экспериментах были проведены измерения распределения плотности тока пучка ионов на мишени на расстоянии 400, 500, 600 мм от сетки подавления вторичных электронов. Измерения проводились по оценке степени почернения бумаги от пучка ионов. Наилучшая равномерность плотности тока была достигнута на расстоянии ˜500 мм, при этом градиент распределения плотности тока по диаметру составил ˜5% на диаметре 480 мм в исследованном диапазоне давлений рабочего газа.

1. Широкоапертурный источник газовых ионов, содержащий средства для формирования основного объемного разряда, включающие полый катод и анод, выполненный в виде сетки, и средства формирования, по крайней мере, одного вспомогательного разряда, соединенные между собой, отличающийся тем, что в качестве средства формирования вспомогательного разряда он содержит плазменный ускоритель с замкнутым дрейфом электронов с узкой зоной ускорения, содержащий кольцевой азимутально-замкнутый анод, размещенный в кольцевой полости магнитопроводов, и кольцевой азимутально-замкнутый канал для ионизации рабочего газа и ускорения ионов, стенки которого образованы полюсами магнитопроводов, имеющих геометрические формы, обеспечивающие формирование искривленных электрического и магнитного полей.

2. Широкоапертурный источник газовых ионов по п.1, отличающийся тем, что, с целью создания искривленного электрического поля, кольцевой азимутально-замкнутый анод в зоне ионизации имеет в поперечном сечении скругленную форму.

3. Широкоапертурный источник газовых ионов по п.1, отличающийся тем, что, с целью формирования искривленного магнитного поля, стенки кольцевого азимутально-замкнутуго канала ускорения ионов выполнены под углом друг к другу, образуя расходящийся канал от зоны ионизации к выходу из зоны ускорения.

4. Широкоапертурный источник газовых ионов по п.1 или 2, отличающийся тем, что кольцевой азимутально-замкнутый анод имеет кольцевую внутреннюю полость, соединенную с каналами напуска газа, и узкие кольцевые щели выхода газа в область разрядной камеры, ориентированные по оси каналов ускорения ионов.

5. Широкоапертурный источник газовых ионов по п.4, отличающийся тем, что кольцевая внутренняя полость анода имеет объем в 10 раз больше, чем кольцевые щели выхода газа.

6. Широкоапертурный источник газовых ионов по п.1, отличающийся тем, что он дополнительно имеет средство для формирования второго вспомогательного разряда, выполненное в виде второго плазменного ускорителя, содержащего второй идентичный кольцевой азимутально-замкнутый канал выхода ионов, расположенный коаксиально с первым.

7. Широкоапертурный источник газовых ионов по п.6, отличающийся тем, что для образования упомянутого второго канала магнитопроводы второго плазменного ускорителя выполнены в одной плоскости с магнитопроводами первого плазменного ускорителя, при этом полюс N магнитопровода второго канала выполнен единым с полюсом N первого канала и является внутренним кольцевым полюсом второго канала, полюс S является внутренним кольцевым полюсом первого канала и внешним кольцевым полюсом второго каналов и соединен с общим для первого и второго каналов магнитопроводом через постоянные магниты.

8. Широкоапертурный источник газовых ионов по п.6, отличающийся тем, что второй кольцевой азимутально-замкнутый канал имеет анод, ориентированный вдоль упомянутого канала, идентичный по геометрии первому аноду, расположенный в одной с ним плоскости и с одним центром, но имеющий диаметр, в два раза больший, и соединенный с первым при помощи элементов, например спиц, снабженных каналами напуска газа.

9. Широкоапертурный источник газовых ионов по п.1 или 6, отличающийся тем, что полый катод выполнен в форме цилиндра с отношением длины к внутреннему диаметру L≈d, торец которого присоединен к камере вспомогательного разряда и имеет кольцеобразные щели с размерами, равными размерам азимутально-замкнутых каналов выхода ионов вспомогательного разряда.