Плазменный источник заряженных частиц

Изобретение относится к ускорителям заряженных частиц: ионов или электронов и может быть использовано при разработке электронно-лучевых устройств. Технический результат - получение пучка большой площади при одновременном повышении однородности распределения плотности тока по сечению пучка. Источник содержит корпус с окном вывода заряженных частиц, внутри которого расположен анод, выполненный в форме корпуса разрядной камеры. Анод содержит перфорированную часть, параллельную плоскости окна вывода заряженных частиц и магнитную систему, состоящую из постоянных магнитов, установленных разнополярно по отношению друг к другу, и магнитопровода из ферромагнитного материала. Катод источника состоит из катодной пластины, установленной параллельно перфорированной части анода. Магнитная система установлена на катодной пластине и содержит магниты с полюсами одинаковой полярности, расположенные по периметру по крайней мере одного замкнутого контура, внутри которого на равных расстояниях от расположенных по периметру магнитов установлены магниты с полюсами противоположной полярности. 4 з.п. ф-лы, 5 ил.

 

Изобретение относится к получению и управлению плазмой, в частности к ускорителям заряженных частиц: ионов или электронов и может быть использовано при разработке электронно-лучевых устройств, в электронно-лучевой технологии, экспериментальной физике, плазмохимической технологии.

Известен плазменный источник электронов для генерации электронного пучка в форвакууме (Патент РФ №2306683, «Плазменный электронный источник», МПК: Н05Н 1/00. заявл. 21.12.2005, опубл. 20.09.2007), содержащий соосно расположенные полый катод, анод с эмиссионным отверстием в центре, ускоряющий электрод и диск из термостойкого неорганического диэлектрика. Полый катод, анод и ускоряющий электрод размещены соосно на керамических изоляторах, один из которых укреплен на фланце. Керамический диск расположен между анодом и ускоряющим электродом. Эмиссионное отверстие расположено в центре анода и оставлено не перекрытым. Вокруг эмиссионного отверстия в аноде предусмотрены окна, перекрытые металлической сеткой с размером ячейки меньшим радиуса эмиссионного отверстия. Устройство также снабжено фокусирующей системой и предназначено для получения сфокусированного электронного пучка. Инициирование разряда в полом катоде известного устройства осуществляется за счет обратного ионного потока, проникающего из ускоряющего промежутка через окна в аноде в разрядную область. Эмиссия электронов осуществляется через центральное отверстие в аноде. Для получения электронного пучка большой площади такая конструкция не может быть использована, т.к. предназначена для получения сфокусированного пучка с поперечным сечением не превышающим 1 мм.

Известен также плазменный источник заряженных частиц (Patent US 10,172,227 «Plasma accelerator with modulated thrust» Int.Cl. H05B 33/00, H05 H1/54, filed Oct. 27, 2015, Date of Patent Jan.l, 2019), содержащий корпус с окном вывода заряженных частиц, внутри которого расположен анод, выполненный в форме корпуса разрядной камеры, включающий перфорированную часть параллельную плоскости окна вывода заряженных частиц, катод, источник питания разряда, подключенный между катодом и анодом, магнитную систему, состоящую из постоянных магнитов, установленных разнополярно по отношению друг к другу и магнитопровода из ферромагнитного материала - прототип.

В известном плазменном источнике разрядная камера выполнена в форме цилиндра, внутри которого осуществляется ионизация остаточного газа в скрещенных электрическом и магнитном полях. Генерация плазмы и основная ионизация остаточного газа происходит вдоль стенок цилиндра, где напряженность магнитного поля максимальна. Извлечение и ускорение заряженных частиц из плазмы происходит через перфорированную часть анода и устройство вывода, установленных на торце цилиндра разрядной камеры. Известный плазменный источник предназначен для работы при давлении остаточного газа Р=0,1 Па и позволяет получать пучки с высокой энергией и плотностью тока.

Поскольку в известном источнике плазма генерируется вдоль стенок цилиндрической разрядной камеры, в направлении от стенок к оси разрядной камеры плотность тока уменьшается. Для увеличения площади пучка заряженных частиц требуется увеличение диаметра разрядной камеры, что неизбежно сопровождается увеличением неоднородности распределения плотности тока по сечению пучка. Следовательно, получить электронные пучки большой площади с однородным распределением плотности тока по сечению пучка заряженных частиц известный источник не позволяет.

Задачей создания изобретения является получение пучка заряженных частиц большой площади при одновременном повышении однородности распределения плотности тока по сечению пучка.

Плазменный источник заряженных частиц содержит корпус с окном вывода заряженных частиц, внутри которого расположен анод, выполненный в форме корпуса разрядной камеры. Анод содержит перфорированную часть параллельную плоскости окна вывода заряженных частиц. Плазменный источник содержит также катод, источник питания разряда, подключенный между катодом и анодом, и магнитную систему, состоящую из постоянных магнитов, установленных разнополярно по отношению друг к другу, и магнитопровода из ферромагнитного материала. В соответствии с предлагаемым изобретением катод состоит из катодной пластины, обращенной к перфорированной части анода и установленной параллельно перфорированной части анода. На катодной пластине установлена магнитная система, в которой магниты с полюсами одинаковой полярности расположены по периметру по крайней мере одного замкнутого контура, внутри которого на равных расстояниях от расположенных по периметру магнитов установлены магниты с полюсами противоположной полярности. Катод с установленной на нем магнитной системой закреплен в корпусе разрядной камеры на изоляторах.

В предлагаемом плазменном источнике заряженных частиц генерация плазмы происходит над катодной пластиной в области между магнитными полюсами разной полярности в скрещенных электрическом и магнитных полях, при этом электроны двигаются по спиральным траекториям и ионизируют остаточный газ. Магниты установлены на магнитопроводе в виде геометрически замкнутого контура, магнитное поле которого является ловушкой для электронов, что обеспечивает эффективный процесс ионизации. При увеличении площади катода магнитная система, установленная на катодной пластине, может содержать несколько замкнутых магнитных контуров, образованных магнитами с полюсами одинаковой полярности, внутри которых установлены магниты с полюсами противоположной полярности, что позволит обеспечить высокую однородность распределения плотности тока по сечению пучка. Силовые линии магнитного поля, создаваемые полюсами магнитов, обращенных к магнитопроводу, замыкаются через магнитопровод, что позволяет повысить величину индукции магнитного поля над катодной пластиной.

Увеличение плотности генерируемой плазмы и, соответственно, плотности тока пучка с одновременной минимизацией эрозии катодной пластины (продукты которой могут снижать электрическую прочность ускоряющего промежутка) достигается выбором материала катодной пластины, который должен иметь максимальный коэффициент ионно-электронной эмиссии при минимальном коэффициенте распыления. Перечисленные характеристики могут быть получены за счет использования катодной пластины, выполненной из вольфрама, который для ионов гелия с энергией 1кэВ обеспечивает эмиссию 19 электронов на распыленный атом при коэффициенте распыления ~ 2×10^-2 ат/ион. Низкий коэффициент распыления позволяет обеспечить стабильность параметров катода, в частности, однородность распределения плотности тока в течение длительного времени.

Расстояние между поверхностью катода и перфорированной частью анода выбирают из условия: 2n≤L≤4n,

где: L - расстояние между поверхностью катода и перфорированной частью анода,

n - расстояние между магнитами разной полярности.

Генерация плазмы над катодной пластиной происходит в области между магнитами с полюсами разной полярности, поэтому, если перфорированная часть анода будет расположена ближе расстояния L=2n, наблюдается неравномерность распределения плотности тока по сечению пучка в виде максимумов плотности тока. При расстоянии L>2n концентрация плазмы за счет диффузии выравнивается, а пучок заряженных частиц приобретает равномерную плотность тока по сечению. Увеличение расстояния L>4n приводит к ухудшению однородности плотности тока пучка из-за ухода части электронов на боковые стенки корпуса анода, что выражается в уменьшении плотности тока пучка электронов по краям.

Целесообразно, чтобы корпус анода и его перфорированная часть были изолированы друг от друга, а между ними был подключен источник управляющего напряжения. Это позволит регулировать плотность тока ускоренного пучка в широком диапазоне. Так, при положительном напряжении на перфорированной части анода относительно корпуса анода электроны из плазмы разряда через отверстия попадают в ускоряющий промежуток и формируют пучок. При отрицательном напряжении порядка U=-100 В электроны из плазмы разряда не могут преодолеть запирающее электрическое поле и ток пучка отсутствует.

Целесообразно использовать магниты, расположенные по периметру замкнутого контура, выполненные в форме четырехугольных призм с основаниями в форме прямоугольных трапеций, меньшие основания которых обращены внутрь контура, с острым углом прямоугольных трапеций в диапазоне от 50 до 80°. При этом, полюса магнитов, расположенных внутри замкнутого контура со стороны катодной пластины выполнены со срезанными гранями, образующими острый равносторонний угол, обращенный к катодной пластине. Данное конструктивное решение приводит к более однородному распределению составляющей вектора магнитной индукции параллельной катодной пластине в пространстве над ней. Тем самым повышается однородность концентрации плазмы над катодной пластиной, что, в свою очередь, способствует повышению однородности распределения плотности тока по сечению пучка.

Изобретение поясняется чертежами, где: Фиг. 1 - Плазменный источник заряженных частиц. Фиг. 2 - Вид А на Фиг. 1.

Фиг. 3 - Проекция границ области генерации плазмы на плоскости катодной пластины.

Фиг. 4 - Силовые линии магнитного поля от магнитов с полюсами одной полярности к магнитам с полюсами противоположной полярности над поверхностью катодной пластины: -кривая а - магниты прямоугольного поперечного сечения;

- кривая б - магниты в форме прямоугольных трапеций;

- в - область генерации плазмы в случае магнитов прямоугольного сечения;

- г - область генерации плазмы в случае магнитов в форме прямоугольных трапеций.

Фиг. 5 - Распределение составляющей магнитного поля В_х, направленной от магнитов с полюсами одной полярности к магнитам с полюсами противоположной полярности над поверхностью катодной пластины.

- кривая а - магниты прямоугольного поперечного сечения;

- кривая б - магниты в форме прямоугольных трапеций. Плазменный источник заряженных частиц содержит корпус 1 с окном вывода заряженных частиц 2, внутри которого расположен анод 3, выполненный в форме корпуса разрядной камеры, включающий перфорированную часть 4 параллельную плоскости окна вывода заряженных частиц, катод 5, источник питания разряда, подключенный между катодом и анодом 6 и магнитную систему 7. Катод содержит катодную пластину 8 и магнитопровод 9 из ферромагнитного материала, между которыми установлены постоянные магниты. Между магнитами с полюсами разной полярности вставлены разделительные элементы 10, выполненные из меди. Магниты с полюсами одинаковой полярности образуют замкнутый контур, внутри которого расположены магниты с полюсами противоположной полярности. Катод закреплен внутри разрядной камеры анода на изоляторах 11. Корпус анода и перфорированная часть анода изолированы друг от друга и между ними подключен источник управляющего напряжения 12. Источник ускоряющего напряжения 13 подключен между анодом и корпусом плазменного источника. На фиг. 3 показаны проекции границ областей плазмы в случае использования магнитов прямоугольного поперечного сечения 14 и в случае использования магнитов, выполненных со срезанными гранями, образующими острый равносторонний угол, обращенный к катодной пластине 15.

Предлагаемое техническое решение было опробовано на ускорителе с поперечным сечением электронного пучка 400 см. Площадь катода составляла 450 см². Площадь перфорированной части анода и площадь окна вывода заряженных частиц 400 см². Корпус плазменного источника откачивали до остаточного давления рабочего газа (смесь гелия и аргона) в диапазоне Р=0,1÷1 Ра. К разрядному промежутку: катод 5 - перфорированная часть анода 4 подключали блок питания разряда 6 с напряжением порядка - 350 В.

Катод 5 плазменного источника состоял из катодной пластины 8, обращенной к перфорированной части анода 4, и магнитопровода 9 из ферромагнитного материала, между которыми были расположены два замкнутых контура 7, внутри которых на равных расстояниях от магнитов, образующих каждый замкнутый контур, были установлены магниты с полюсами противоположной полярности. Расстояние между магнитами разной полярности составляло п=2 см, при этом расстояние между поверхностью катода и перфорированной частью анода L=5 см. Внутри контуров над катодной пластиной 8 создавалось магнитное поле с магнитной индукцией В=0,1÷0,2 Тл, силовые линии которого показаны Фиг. 4. Магнитная индукция имеет составляющие перпендикулярную и параллельную катодной пластине. Определяющей для генерации, поддержания разряда и однородности концентрации плазмы над катодной пластиной является величина и однородность составляющей магнитного поля параллельная катодной пластине В_х.

Часть электронов из плазмы разряда движутся в противоположном от ионов направлении в сторону перфорированной части анода 4 и, пройдя через его отверстия, формируют пучок электронов. При подаче ускоряющего напряжения порядка 200÷300 кВ между вакуумным корпусом плазменного источника 1 и анодом 3 от блока питания 13 в промежутке между перфорированной частью анода 4 и окном вывода 2 будет происходить ускорение пучка заряженных частиц до энергии Е=200÷300 кэВ. Площадь пучка в нашем случае была равна площади перфорированной части анода и составляла порядка 400 см².

Распределение плотности тока по сечению пучка заряженных частиц тем однородней, чем однородней распределение концентрации плазмы, из которой экстрагируются эти частицы. Область генерации плазмы в предлагаемом источнике расположена над катодной пластиной, где значение напряженности электрического поля Е_у и значение индукции магнитного поля В_х превышают критические значения, при которых загорается разряд. Интенсивная генерация плазмы происходит за счет повышенной концентрации электронов, удерживаемых в магнитной ловушке (области виг Фиг. 4). В этой области электроны, двигаясь по сложным траекториям (эпициклоидам), ионизируют молекулы или атомы остаточного газа. Для обеспечения однородного распределения плотности тока пучка необходимо обеспечить наиболее протяженную область на катодной пластине с однородным распределением составляющей индукции магнитного поля В_х (Фиг. 5). Это достигается использованием расположенных по периметру замкнутого контура магнитов 7 (Фиг. 2), выполненных в форме четырехугольных призм с основаниями в форме прямоугольных трапеций, меньшие основания которых обращены внутрь контура. Острый угол прямоугольных трапеций в конкретном ускорителе составлял 65°. Полюса магнитов 7 (Фиг. 2), расположенных внутри замкнутого контура со стороны катодной пластины, были выполнены со срезанными гранями, образующими острый равносторонний угол, обращенный к катодной пластине. Такая форма полюсов магнитов 7 и 8 позволила обеспечить однородность распределения составляющей вектора магнитной индукции В_х в пространстве над катодной пластиной (см. Фиг. 5).

Вывод пучка ускоренных электронов осуществлялся через окно 2, снабженное бронзовой опорной решеткой и алюминиевой фольгой толщиной 30÷50 мкм. Площадь сечения пучка заряженных частиц составляла 400 см².

Однородность распределения плотности тока по сечению ускоренного пучка электронов измеряли с помощью цилиндров Фарадея, при этом разброс от среднего значения составлял ±10%.

При подаче напряжения между перфорированной частью анода 5 относительно корпуса анода 3 от регулируемого источника питания 9 осуществлялось управление током пучка.

1. Плазменный источник заряженных частиц, содержащий корпус с окном вывода заряженных частиц, внутри которого расположен анод, выполненный в форме корпуса разрядной камеры, включающий перфорированную часть, параллельную плоскости окна вывода заряженных частиц, катод, источник питания разряда, подключенный между катодом и анодом, магнитную систему, состоящую из постоянных магнитов, установленных разнополярно по отношению друг к другу, и магнитопровода из ферромагнитного материала, отличающийся тем, что катод состоит из катодной пластины, обращенной к перфорированной части анода и установленной параллельно перфорированной части анода, на катодной пластине установлена магнитная система, в которой магниты с полюсами одинаковой полярности расположены по периметру по крайней мере одного замкнутого контура, внутри которого на равных расстояниях от расположенных по периметру магнитов установлены магниты с полюсами противоположной полярности, при этом катод с установленной на нем магнитной системой закреплен в корпусе разрядной камеры на изоляторах.

2. Плазменный источник по п. 1, отличающийся тем, что катодная пластина выполнена из вольфрама.

3. Плазменный источник по п. 1, отличающийся тем, что расстояние между поверхностью катода и перфорированной частью анода выбирают из условия:

2n≤L≤4n,

где: L - расстояние между поверхностью катода и перфорированной частью анода; n - расстояние между магнитами разной полярности.

4. Плазменный источник по п. 1, отличающийся тем, что корпус анода и перфорированная часть анода изолированы друг от друга и между ними подключен источник управляющего напряжения.

5. Плазменный источник по п. 1, отличающийся тем, что магниты, расположенные по периметру замкнутого контура, выполнены в форме четырехугольных призм с основаниями в форме прямоугольных трапеций, меньшие основания которых обращены внутрь контура, при этом острый угол прямоугольных трапеций выбирают в диапазоне от 50 до 80°, а полюса магнитов, расположенных внутри замкнутого контура со стороны катодной пластины, выполнены со срезанными гранями, образующими острый равносторонний угол, обращенный к катодной пластине.