RU116273U1 - SOURCE OF IONS - Google Patents
SOURCE OF IONS Download PDFInfo
- Publication number
- RU116273U1 RU116273U1 RU2011148979/07U RU2011148979U RU116273U1 RU 116273 U1 RU116273 U1 RU 116273U1 RU 2011148979/07 U RU2011148979/07 U RU 2011148979/07U RU 2011148979 U RU2011148979 U RU 2011148979U RU 116273 U1 RU116273 U1 RU 116273U1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- electrode
- ion
- accelerating
- ion source
- electrodes
- Prior art date
Links
Landscapes
- Electron Sources, Ion Sources (AREA)
Abstract
1. Источник ионов, содержащий разрядную камеру, стенки которой выполнены из диэлектрического материала, узел подачи газообразного рабочего вещества в разрядную камеру, средство генерации электрического газового разряда в полости разрядной камеры и ионно-оптическую систему, включающую в свой состав эмиссионный, ускоряющий и замедляющий электроды, при этом эмиссионный и ускоряющий электроды выполнены перфорированными с соосными отверстиями, эмиссионный электрод выполнен из диэлектрического материала, ускоряющий электрод со стороны, обращенной к эмиссионному электроду, выполнен из электропроводящего материала, а со стороны, обращенной к замедляющему электроду, - из диэлектрика, отличающийся тем, что электроды ионно-оптической системы установлены с образованием пространственных зазоров между ближайшими электродами в направлении ускорения ионов. ! 2. Источник ионов по п.1, отличающийся тем, что величина пространственного зазора между эмиссионным и ускоряющим электродами составляет от 1,5 до 2 мм. ! 3. Источник ионов по п.1, отличающийся тем, что диаметр отверстий в ускоряющем электроде меньше диаметра отверстий в эмиссионном электроде. ! 4. Источник ионов по п.1, отличающийся тем, что часть ускоряющего электрода, обращенная к эмиссионному электроду, выполнена в виде металлического покрытия, нанесенного на диэлектрическую подложку, образующую часть ускоряющего электрода, обращенную к замедляющему электроду. ! 5. Источник ионов по п.1, отличающийся тем, что в качестве электропроводящего материала, из которого выполнена часть ускоряющего электрода, использован молибден. ! 6. Источник ионов по п.1, отличающийся тем, 1. An ion source containing a discharge chamber, the walls of which are made of a dielectric material, a unit for supplying a gaseous working substance to the discharge chamber, a means for generating an electric gas discharge in the cavity of the discharge chamber, and an ion-optical system including emission, accelerating and decelerating electrodes , while the emission and accelerating electrodes are made perforated with coaxial holes, the emission electrode is made of a dielectric material, the accelerating electrode from the side facing the emission electrode is made of an electrically conductive material, and from the side facing the slowing down electrode is made of a dielectric, characterized in that that the electrodes of the ion-optical system are installed with the formation of spatial gaps between the nearest electrodes in the direction of ion acceleration. ! 2. The ion source according to claim 1, characterized in that the size of the spatial gap between the emission and accelerating electrodes is from 1.5 to 2 mm. ! 3. An ion source according to claim 1, characterized in that the diameter of the holes in the accelerating electrode is less than the diameter of the holes in the emission electrode. ! 4. The ion source according to claim 1, characterized in that the part of the accelerating electrode facing the emission electrode is made in the form of a metal coating deposited on a dielectric substrate forming a part of the accelerating electrode facing the decelerating electrode. ! 5. The ion source according to claim 1, characterized in that molybdenum is used as the electrically conductive material from which the part of the accelerating electrode is made. ! 6. The ion source according to claim 1, characterized in that
Description
Полезная модель относится к плазменной технике и может использоваться в источниках ионов, имеющих различное назначение, в том числе в составе электроракетных двигателей и технологических ионно-плазменных установок.The utility model relates to plasma technology and can be used in ion sources having various purposes, including as a part of electric rocket engines and technological ion-plasma installations.
Известен источник ионов, в котором стенки разрядной камеры и эмиссионный электрод выполнены из диэлектрического материала, стойкого к ионному распылению (см., например, японскую патентную заявку JP 2253548, опубликованную 12.10.1990, МПК: H01J 27/08, Н01J 37/08). Источник ионов включает в свой состав эмиттер электронов, расположенный в разрядной камере, систему подачи газообразного рабочего вещества, систему охлаждения стенок камеры и ионно-оптическую систему с ускоряющим электродом. Эмиттер электронов установлен соосно отверстию в эмиссионному электроде. Диаметр отверстия в эмиттере равен или превышает диаметр отверстия в диэлектрическом эмиссионном электроде. Данное конструктивное выполнение позволяет уменьшить ионное распыление элементов конструкции источника ионов и за счет этого увеличить ресурс устройства.A known ion source in which the walls of the discharge chamber and the emission electrode are made of dielectric material resistant to ion sputtering (see, for example, Japanese patent application JP 2253548, published October 12, 1990, IPC: H01J 27/08, H01J 37/08) . The ion source includes an electron emitter located in the discharge chamber, a gaseous working medium supply system, a chamber wall cooling system, and an ion-optical system with an accelerating electrode. An electron emitter is mounted coaxially with the hole in the emission electrode. The diameter of the hole in the emitter is equal to or greater than the diameter of the hole in the dielectric emission electrode. This structural embodiment allows to reduce ion sputtering of the structural elements of the ion source and thereby increase the resource of the device.
В опубликованной патентной заявке JP 9209914 (МПК F03H 1/00, опубликована 12.08.1997) описано выполнение ускоряющего электрода ионного двигателя в виде перфорированной диэлектрической пластины. Вокруг отверстий, выполненных в диэлектрической пластине, размещены металлические сегменты ускоряющего электрода.In the published patent application JP 9209914 (IPC F03H 1/00, published 12.08.1997) describes the implementation of the accelerating electrode of the ion engine in the form of a perforated dielectric plate. Around the holes made in the dielectric plate, metal segments of the accelerating electrode are placed.
Наиболее близким аналогом полезной модели является источник ионов, конструкция которого раскрыта в патенте US 4937456 (МПК F03H 1/00, опубликован 04.12.1990). Источник ионов, входящий в состав ионного двигателя, содержит разрядную камеру, стенки которой выполняются из диэлектрического материала, узел подачи газообразного рабочего вещества в разрядную камеру, средство генерации электрического газового разряда в полости разрядной камеры и ионно-оптическую систему.The closest analogue of the utility model is the ion source, the design of which is disclosed in US patent 4937456 (IPC F03H 1/00, published 04.12.1990). The ion source, which is part of the ion engine, contains a discharge chamber, the walls of which are made of dielectric material, a node for supplying a gaseous working substance to the discharge chamber, means for generating an electric gas discharge in the cavity of the discharge chamber, and an ion-optical system.
В качестве электродов ионно-оптической системы используется многослойный ускоряющий электрод. На электропроводящем слое электрода со стороны разрядной камеры и с противоположной стороны нанесены диэлектрические покрытия, например из двуокиси титана. Внутреннее диэлектрическое покрытие ускоряющего электрода (со стороны разрядной камеры) после генерации плазмы в разрядной камере приобретает потенциал плазмы и выполняет функцию эмиссионного (экранирующего) электрода ионно-оптической системы. Внешнее диэлектрическое покрытие ускоряющего электрода имеет нулевой потенциал и выполняет функцию замедляющего электрода ионно-оптической системы. Электрод выполнен перфорированным с соосными отверстиями в каждом слое, выполняющем определенную функцию ионно-оптической системы.A multilayer accelerating electrode is used as the electrodes of the ion-optical system. On the electrically conductive layer of the electrode, dielectric coatings, for example, of titanium dioxide, are applied from the side of the discharge chamber and from the opposite side. After the plasma is generated in the discharge chamber, the internal dielectric coating of the accelerating electrode (from the side of the discharge chamber) acquires the plasma potential and functions as the emission (screening) electrode of the ion-optical system. The external dielectric coating of the accelerating electrode has zero potential and acts as a slowing electrode of the ion-optical system. The electrode is perforated with coaxial holes in each layer that performs a specific function of the ion-optical system.
Использование диэлектрического покрытия, нанесенного на внутреннюю поверхность разрядной камеры, и диэлектрических покрытий, нанесенных на внутреннюю и внешнюю поверхность ускоряющего электрода, позволяет снизить эрозию электродов, возникающую в результате ионного распыления, а также уменьшить загрязнение извлекаемого ионного пучка продуктами распыления электродов.The use of a dielectric coating deposited on the inner surface of the discharge chamber, and dielectric coatings deposited on the inner and outer surface of the accelerating electrode, can reduce the erosion of the electrodes resulting from ion sputtering, as well as reduce the contamination of the extracted ion beam by electrode sputtering products.
Однако применение многослойной электродной структуры, каждый слой которой выполняет определенную функцию ионно-оптической системы, имеет ряд недостатков, непосредственным образом влияющих на надежность и ресурс ионного источника. В процессе работы источника ионов при подаче высокого напряжения на ускоряющий электрод (металлическую часть электродной структуры) с поверхности диэлектрических слоев будет происходить «отекание» электрического заряда под действием приложенной разности потенциалов. Кроме того, возможен электрический пробой между слоями электродной структуры по толщине диэлектрического покрытия. Данное явление связано с тем, что в любом диэлектрическом покрытии при нанесении на металлическую подложку образуются поры, которые расширяются под действием внешнего электрического поля. Вследствие этого происходит электрический пробой по объему диэлектрического покрытия с интенсивной эрозией диэлектрического материала. В результате происходит прерывание расчетного режима работы источника ионов и загрязнение разрядной камеры продуктами эрозии диэлектрической и металлической частей ускорительного электрода.However, the use of a multilayer electrode structure, each layer of which performs a certain function of the ion-optical system, has a number of disadvantages that directly affect the reliability and resource of the ion source. During operation of the ion source, when a high voltage is applied to the accelerating electrode (the metal part of the electrode structure), the electric charge will “swell” from the surface of the dielectric layers under the action of the applied potential difference. In addition, an electrical breakdown between the layers of the electrode structure over the thickness of the dielectric coating is possible. This phenomenon is due to the fact that pores are formed in any dielectric coating when applied to a metal substrate, which expand under the action of an external electric field. As a result of this, an electrical breakdown occurs in the volume of the dielectric coating with intense erosion of the dielectric material. As a result, the calculated mode of operation of the ion source is interrupted and the discharge chamber is contaminated by erosion products of the dielectric and metal parts of the accelerating electrode.
Полезная модель направлена на обеспечение стабильной работы источника ионов, ионно-оптическая система которого содержит диэлектрический эмиссионный электрод, ускоряющий и замедляющий электрод, за счет исключения пробоев и взрывной эрозии электродов, а также на снижение ионного распыления электропроводящих частей электродов. Решение указанных технических задач обеспечивает достижение технического результата, который заключается в увеличении ресурса ионного источника при высокой эффективности извлечения и формирования ускоренного потока ионов.The utility model is aimed at ensuring the stable operation of the ion source, the ion-optical system of which contains a dielectric emission electrode, accelerating and slowing down the electrode, by eliminating breakdowns and explosive erosion of the electrodes, as well as reducing ion sputtering of the electroconductive parts of the electrodes. The solution of these technical problems ensures the achievement of a technical result, which consists in increasing the resource of the ion source with high efficiency of extraction and formation of an accelerated ion flow.
Кроме того, при использовании полезной модели исключается возможность загрязнения извлекаемого пучка ускоренных ионов продуктами эрозии элементов конструкции устройства.In addition, when using the utility model, the possibility of contamination of the extracted beam of accelerated ions by erosion products of the structural elements of the device is excluded.
Данные технические результаты достигаются с помощью источника ионов, который включает в свой состав разрядную камеру, стенки которой выполнены из диэлектрического материала, узел подачи газообразного рабочего вещества в разрядную камеру, средство генерации электрического газового разряда в полости разрядной камеры и ионно-оптическую систему. Ионно-оптическая система источника ионов содержит эмиссионный, ускоряющий и замедляющий электрод. Эмиссионный и ускоряющий электроды выполнены перфорированными с соосными отверстиями. Эмиссионный электрод изготовлен из диэлектрического материала. Ускоряющий электрод со стороны, обращенной к эмиссионному электроду, выполнен из электропроводящего материала, а со стороны, обращенной к замедляющему электроду, - из диэлектрика. Электроды ионно-оптической системы установлены с образованием пространственных зазоров между ближайшими электродами в направлении ускорения ионов.These technical results are achieved using an ion source, which includes a discharge chamber, the walls of which are made of dielectric material, a node for supplying a gaseous working substance to the discharge chamber, means for generating an electric gas discharge in the cavity of the discharge chamber, and an ion-optical system. The ion-optical system of the ion source contains an emission, accelerating and decelerating electrode. Emission and accelerating electrodes are perforated with coaxial holes. The emission electrode is made of dielectric material. The accelerating electrode from the side facing the emission electrode is made of electrically conductive material, and from the side facing the slowing electrode is made of dielectric. The electrodes of the ion-optical system are installed with the formation of spatial gaps between the nearest electrodes in the direction of ion acceleration.
Конструктивное выполнение ионно-оптической системы источника ионов исключает возможность возникновения электрических пробоев между диэлектрическими и электропроводящими частями электродов. Применение электродов, разделенных пространственными зазорами, позволяет подавать высокие потенциалы на отдельные электроды при сохранении высокой стабильности характеристик ионного источника.The design of the ion-optical system of the ion source eliminates the possibility of electrical breakdowns between the dielectric and electrically conductive parts of the electrodes. The use of electrodes separated by spatial gaps allows high potentials to be applied to individual electrodes while maintaining high stability of the characteristics of the ion source.
Основным требованием к ионно-оптической системе источника ионов является обеспечение расчетной траектории движения ионов, исключающей взаимодействие ионов с элементами конструкции (электродами). Предельная плотность тока ионного пучка, при которой не происходит перехват ионов ускоряющим электродом, зависит от величины зазора между эмиссионной границей квазинейтральной плазмы и ускоряющим электродом и от разности потенциалов, приложенной между плазмой и ускоряющим электродом. В традиционных ионно-оптических системах с электропроводящими электродами, разделенными пространственными зазорами, достижение высокой плотности тока ионного пучка обеспечивается за счет минимизации величины зазора между эмиссионной границей плазмы и ускоряющим электродом. Минимальная величина данного зазора достигается на практике путем уменьшения толщины эмиссионного электрода. При использовании эмиссионного электрода, выполненного из диэлектрика, эмиссионная граница может располагаться внутри отверстий эмиссионного электрода, что позволяет не связывать требование по увеличению плотности тока ионного пучка с применением эмиссионного электрода, имеющего минимально возможную толщину. Вследствие этого толщина диэлектрической перфорированной пластины, используемой в качестве диэлектрического электрода, может выбираться из условия прочности элемента конструкции устройства.The main requirement for the ion-optical system of the ion source is to provide a calculated trajectory of the movement of ions, eliminating the interaction of ions with structural elements (electrodes). The limiting current density of the ion beam at which no ion is trapped by the accelerating electrode depends on the gap between the emission boundary of the quasineutral plasma and the accelerating electrode and on the potential difference applied between the plasma and the accelerating electrode. In traditional ion-optical systems with electrically conductive electrodes separated by spatial gaps, a high current density of the ion beam is achieved by minimizing the gap between the plasma emission boundary and the accelerating electrode. The minimum value of this gap is achieved in practice by reducing the thickness of the emission electrode. When using an emission electrode made of a dielectric, the emission boundary can be located inside the holes of the emission electrode, which eliminates the need to increase the current density of the ion beam using an emission electrode having the smallest possible thickness. As a result, the thickness of the dielectric perforated plate used as the dielectric electrode can be selected from the strength condition of the structural member of the device.
Оптимальный расчетный диапазон значений пространственного зазора между эмиссионным и ускоряющим электродом выбирается от 1,5 мм до 2 мм.The optimal design range of the spatial gap between the emission and accelerating electrodes is selected from 1.5 mm to 2 mm.
Для повышения газовой эффективности источника ионов диаметр отверстий в ускоряющем электроде предпочтительно выбирается меньшим, чем диаметр отверстий в эмиссионном электроде.To increase the gas efficiency of the ion source, the diameter of the holes in the accelerating electrode is preferably selected smaller than the diameter of the holes in the emission electrode.
Часть ускоряющего электрода, обращенная к эмиссионному электроду, может быть выполнена в виде металлического покрытия, нанесенного на диэлектрическую подложку, которая, в свою очерередь, образует часть ускоряющего электрода, обращенную к замедляющему электроду.A part of the accelerating electrode facing the emission electrode can be made in the form of a metal coating deposited on a dielectric substrate, which, in turn, forms a part of the accelerating electrode facing the slowing electrode.
В качестве электропроводящего материала, из которого выполняется часть ускоряющего электрода, целесообразно использовать молибден.As the electrically conductive material from which part of the accelerating electrode is made, it is advisable to use molybdenum.
В качестве диэлектрика, из которого выполняются эмиссионный электрод и часть ускоряющего электрода, может использоваться окись алюминия.Alumina can be used as the dielectric from which the emission electrode and part of the accelerating electrode are made.
В состав источника ионов может входить нейтрализатор пространственного заряда, выполненный, например, в виде плазменного источника электронов, который установлен за пределами области размещения электродов ионно-оптической системы в направлении извлечения ионов. В этом случае замедляющий электрод выполняется в виде перфорированной диэлектрической пластины с отверстиями, соосными отверстиям эмиссионного и ускоряющего электродов. При этом потенциал замедляющего электрода задается нейтрализатором. В других вариантах выполнения конструкции источника ионов замедляющий электрод может быть выполнен из электропроводящего материала, например металла, в форме кольца.The ion source can include a space-charge neutralizer, made, for example, in the form of a plasma electron source, which is installed outside the area of the electrodes of the ion-optical system in the direction of extraction of ions. In this case, the slowdown electrode is made in the form of a perforated dielectric plate with holes, coaxial holes of the emission and accelerating electrodes. In this case, the potential of the retarding electrode is set by the neutralizer. In other embodiments of the design of the ion source, the retarding electrode may be made of an electrically conductive material, such as a metal, in the form of a ring.
Возможны различные варранты применения средств генерации электрического газового разряда. Так, например, средство генерации электрического газового разряда может быть выполнено в виде источника электромагнитной энергии, размещенного с внешней стороны стенки разрядной камеры. В этом случае в разрядной камере устанавливается электрод, подключенный к положительному полюсу источника напряжения. С помощью данного электрода задается опорный потенциал плазмы.Various warrants of the use of electric gas discharge generating means are possible. So, for example, the means for generating an electric gas discharge can be made in the form of a source of electromagnetic energy placed on the outside of the wall of the discharge chamber. In this case, an electrode connected to the positive pole of the voltage source is installed in the discharge chamber. Using this electrode, the reference potential of the plasma is set.
Средство генерации электрического газового разряда может быть выполнено в виде газоразрядного устройства, электроды которого установлены в полости разрядной камеры.The means for generating an electric gas discharge can be made in the form of a gas discharge device, the electrodes of which are installed in the cavity of the discharge chamber.
Далее полезная модель поясняется описанием конкретного примера выполнения конструкции источника ионов. На прилагаемых чертежах изображено следующее:The utility model is further illustrated by the description of a specific example of the implementation of the design of the ion source. The accompanying drawings show the following:
на фиг.1 - схематично изображен источник ионов с продольным разрезом разрядной камеры;figure 1 - schematically shows a source of ions with a longitudinal section of the discharge chamber;
на фиг.2 - схема ячейки ионно-оптической системы с тремя перфорированными электродами;figure 2 - cell diagram of an ion-optical system with three perforated electrodes;
на фиг.3 - распределение потенциала между электродами ячейки ионно-оптической системы, изображенной на фиг.2, вдоль направления извлечения ионов.figure 3 - distribution of potential between the electrodes of the cell of the ion-optical system shown in figure 2, along the direction of extraction of ions.
Источник ионов, изображенный на фиг.1, содержит разрядную камеру 1, выполненную из кварцевого стекла. Узел подачи газообразного рабочего вещества выполнен в виде патрубка 2, снабженного газоэлектрической развязкой. В рассматриваемом примере выполнения конструкции источника ионов средство генерации электрического газового разряда выполнено в виде индуктора 3, подключенного к высокочастотному источнику электропитания - ВЧ генератору 4. Ионно-оптическая система источника ионов включает в свой состав эмиссионный электрод 5, ускоряющий электрод 6 и замедляющий электрод 7. Электроды 5, 6 и 7 установлены с образованием пространственных зазоров между ближайшими электродами в направлении ускорения ионов. Величина пространственного зазора 5 между эмиссионным электродом 5 и ускоряющим электродом 6 выбрана равной 1,6 мм (см. фиг.2).The ion source shown in figure 1, contains a discharge chamber 1 made of quartz glass. The supply unit of the gaseous working substance is made in the form of a pipe 2 equipped with a gas-electric isolation. In the considered example of the implementation of the design of the ion source, the means for generating an electric gas discharge is made in the form of an inductor 3 connected to a high-frequency power supply — an RF generator 4. The ion-optical system of the ion source includes an emission electrode 5, an accelerating electrode 6 and a slowing-down electrode 7. The electrodes 5, 6 and 7 are installed with the formation of spatial gaps between the nearest electrodes in the direction of ion acceleration. The size of the spatial gap 5 between the emission electrode 5 and the accelerating electrode 6 is selected equal to 1.6 mm (see figure 2).
Эмиссионный электрод 5 выполнен в виде перфорированной диэлектрической пластины из окиси алюминия. Ускоряющий электрод 6 представляет собой двухслойную структуру, состоящую из перфорированной диэлектрической подложки с электропроводящим покрытием из молибдена. Диэлектрическая подложка изготовлена из окиси алюминия. Электропроводящее покрытие электрода 6 нанесено на поверхность диэлектрической подложки, обращенной к эмиссионному электроду 5. Противоположная поверхность диэлектрической подложки обращена к замедляющему электроду 7. Электропроводящее молибденовое покрытие ускоряющего электрода 6 электрически соединено с отрицательным полюсом источника ускоряющего напряжения 8. Замедляющий электрод 7 выполнен в виде перфорированной диэлектрической пластины из окиси алюминия. Расположенные друг напротив друга отверстия в электродах 5, 6 и 7 выполнены соосными. Диаметр отверстий в ускоряющем электроде бив замедляющем электроде 7 меньше диаметра отверстий в эмиссионном электроде 5.The emission electrode 5 is made in the form of a perforated dielectric plate of aluminum oxide. The accelerating electrode 6 is a two-layer structure consisting of a perforated dielectric substrate with an electrically conductive molybdenum coating. The dielectric substrate is made of alumina. An electrically conductive coating of the electrode 6 is deposited on the surface of the dielectric substrate facing the emission electrode 5. The opposite surface of the dielectric substrate is facing the slowdown electrode 7. The electrically conductive molybdenum coating of the accelerating electrode 6 is electrically connected to the negative pole of the accelerating voltage source 8. The slowdown electrode 7 is made in the form of a perforated dielectric aluminum oxide plates. The openings opposite each other in the electrodes 5, 6 and 7 are made coaxial. The diameter of the holes in the accelerating electrode and the slowing electrode 7 is smaller than the diameter of the holes in the emission electrode 5.
За пределами области размещения электродов 5, 6 и 7 установлен нейтрализатор пространственного заряда ускоренного потока ионов. Нейтрализатор выполнен в виде плазменного источника электронов 9, подключенного к источнику электропитания 10. В полости разрядной камеры 1 размещен электрод 11, подключенный к положительному полюсу источника напряжения 12.Outside the area of placement of the electrodes 5, 6 and 7, a space charge neutralizer of an accelerated ion flow is installed. The neutralizer is made in the form of a plasma electron source 9 connected to a power source 10. An electrode 11 is placed in the cavity of the discharge chamber 1, connected to the positive pole of the voltage source 12.
На фиг.2 чертежей изображены также граница 13 квазинейтральной плазмы в разрядной камере 1 и униполярного ионного пучка, граница 14 внешней квазинейтральной плазмы и униполярного ионного пучка, граница 15 униполярного ионного пучка между электродами.Figure 2 also shows the boundary 13 of the quasineutral plasma in the discharge chamber 1 and the unipolar ion beam, the boundary 14 of the external quasineutral plasma and the unipolar ion beam, the boundary 15 of the unipolar ion beam between the electrodes.
Работа источника ионов осуществляется следующим образом.The work of the ion source is as follows.
В полость разрядной камеры 1 через патрубок 2 подается газообразное рабочее вещество, в качестве которого в рассматриваемом примере используется инертный газ-аргон. Одновременно индуктор 3 подключается к ВЧ генератору 4. В результате запитывания индуктора 3 переменным током высокой частоты в разрядной камере 1 зажигается индуктивный самостоятельный ВЧ разряд. Переменный ток, протекающий через индуктор 3, генерирует, преимущественно аксиальное, переменное магнитное поле, которое, в свою очередь, индуцирует в полости разрядной камеры 1, преимущественно азимутальное, электрическое поле. Под действием электрического поля в газообразной среде рабочего вещества происходит ускорение и осцилляция электронов. Энергия электронов затрачивается на неупругие столкновения с атомами рабочего вещества, вызывая ступенчатую ионизацию нейтральных частиц. Зажигание и поддержание данного типа электрического разряда осуществляется без использования дополнительного источника энергии, предназначенного для ионизации газа в разрядной камере 1, в качестве которого может использоваться, например, эмиттер электронов.In the cavity of the discharge chamber 1 through the nozzle 2 is supplied a gaseous working substance, which is used as an inert argon gas in this example. At the same time, the inductor 3 is connected to the RF generator 4. As a result of powering the inductor 3 with an alternating current of high frequency, an inductive independent RF discharge is ignited in the discharge chamber 1. The alternating current flowing through the inductor 3 generates a predominantly axial, alternating magnetic field, which, in turn, induces, in the cavity of the discharge chamber 1, a predominantly azimuthal electric field. Under the influence of an electric field in a gaseous medium of a working substance, acceleration and oscillation of electrons occurs. Electron energy is expended on inelastic collisions with atoms of the working substance, causing stepwise ionization of neutral particles. Ignition and maintenance of this type of electric discharge is carried out without the use of an additional energy source designed to ionize the gas in the discharge chamber 1, which can be used, for example, an electron emitter.
Потенциал плазмы, генерируемой в разрядной камере 1, задается электродом 11, который подключен к положительному полюсу источника напряжения 12 и выполняет функцию анода. Электрод 11 имеет положительный потенциал и, вследствие этого, не подвергается катодному распылению положительными ионами. Потенциал электрода 11 определяет также, с учетом пристеночного скачка потенциалов, потенциал диэлектрических поверхностей внутренней стенки разрядной камеры 1 и эмиссионного электрода 5. Под действием разности потенциалов между газоразрядной плазмой и электродом 11 происходит удаление из плазмы избыточных электронов до достижения равенства потенциалов плазмы и электрода 11.The potential of the plasma generated in the discharge chamber 1 is set by the electrode 11, which is connected to the positive pole of the voltage source 12 and performs the function of the anode. The electrode 11 has a positive potential and, therefore, is not subjected to cathodic sputtering by positive ions. The potential of the electrode 11 also determines, taking into account the near-wall potential jump, the potential of the dielectric surfaces of the inner wall of the discharge chamber 1 and the emission electrode 5. Under the action of the potential difference between the gas-discharge plasma and electrode 11, excess electrons are removed from the plasma until the potentials of the plasma and electrode 11 are reached.
Ускорение и формирование потока ионов осуществляется с помощью ионно-оптической системы, включающей в свой состав эмиссионный 5, ускоряющий 6 и замедляющий 7 электроды, и плазменного источника электронов 9, выполняющего функцию нейтрализатора пространственного заряда пучка ионов. За счет использования электродов, выполненных в виде перфорированных элементов с множеством соосных отверстий, формируемый пучок ионов разбивается на элементарные ионные пучки. Вследствие этого обеспечивается высокий первеанс формируемого ионного пучка и высокая плотность тока. Граница 13 квазинейтральной плазмы на входе в ионно-оптическую систему представляет собой тонкий двойной электрический слой, в котором нарушается квазинейтральность плазмы и формируется ионный пучок, ограниченный характерной границей 15 (см. фиг.2).The acceleration and formation of the ion flux is carried out using an ion-optical system, which includes an emission 5, accelerating 6 and slowing down 7 electrodes, and a plasma electron source 9, which performs the function of a neutralizer of the space charge of the ion beam. Through the use of electrodes made in the form of perforated elements with many coaxial holes, the formed ion beam is divided into elementary ion beams. As a result of this, a high perveance of the formed ion beam and a high current density are provided. The boundary 13 of the quasi-neutral plasma at the entrance to the ion-optical system is a thin double electric layer in which the plasma quasi-neutrality is violated and an ion beam is formed, limited by the characteristic boundary 15 (see figure 2).
Ускорение ионного пучка осуществляется под действием ускоряющей разности потенциалов ΔUу=Uэ+Uу, прикладываемой между квазинейтральной газоразрядной плазмой, потенциал который определяется величиной положительного потенциала +Uэ на эмиссионном электроде 5 и величиной отрицательного потенциала -Uу, подаваемого на электропроводящий слой ускоряющего электрода 6 (см. фиг.3). При этом нейтрализатор, в качестве которого используется плазменный источник электронов 9, находится под нулевым потенциалом (UH=0).The ion beam is accelerated by an accelerating potential difference ΔU y = U e + U y applied between a quasi-neutral gas-discharge plasma, the potential which is determined by the value of the positive potential + U e on the emission electrode 5 and the value of the negative potential -U у supplied to the electrically conductive layer of the accelerating electrode 6 (see figure 3). In this case, the converter, which is used as a plasma electron source 9, is at zero potential (U H = 0).
Вследствие того, что потенциал диэлектрической поверхности в плазме образуется при равенстве электронного и ионного токов, приходящих из плазмы на поверхность, величина потенциала диэлектрических поверхностей электродов равна потенциалу контактирующей с ними плазмы за вычетом пристеночного скачка потенциала. При этом пространственная граница 13 между квазинейтральной плазмой в разрядной камере 1 и ускоряемым ионным пучком устанавливается внутри отверстий, выполненных в диэлектрическом эмиссионном электроде 5. Распределение потенциалов U(l) на электродах ионно-оптической системы в направлении ускорения ионов представлено на фиг.3 чертежей.Due to the fact that the potential of the dielectric surface in the plasma is formed when the electron and ion currents coming from the plasma to the surface are equal, the potential value of the dielectric surfaces of the electrodes is equal to the potential of the plasma in contact with them minus the near-wall potential jump. In this case, the spatial boundary 13 between the quasineutral plasma in the discharge chamber 1 and the accelerated ion beam is set inside the holes made in the dielectric emission electrode 5. The potential distribution U (l) on the electrodes of the ion-optical system in the direction of ion acceleration is shown in Fig. 3 of the drawings.
При включении плазменного источника электронов 9, электроды которого подключаются к источнику электропитания 10, осуществляется инжекция электронов в поток ускоренных ионов за внешней поверхностью диэлектрического замедляющего электрода 7. Граница 14 внешней квазинейтральной плазмы устанавливается за отверстиями в замедляющем электроде 7. В результате на внешней поверхности электрода 7 фиксируется потенциал нейтрализатора: UH=0.When you turn on the plasma electron source 9, the electrodes of which are connected to the power source 10, the electrons are injected into the accelerated ion stream behind the outer surface of the dielectric slowdown electrode 7. The boundary 14 of the external quasi-neutral plasma is set behind the holes in the slowdown electrode 7. As a result, on the outer surface of the electrode 7 the potential of the neutralizer is fixed: U H = 0.
За границей 14 в объеме квазинейтральной плазмы формируются потоки перезарядившихся ионов. Однако, в отличие от известных аналогов, образовавшиеся вторичные ионы не распыляют электропроводящую часть ускоряющего электрода 6, поскольку между металлическим покрытием электрода и областью образования вторичных ионов находится диэлектрическая подложка электрода, выполненная из стойкого к ионному распылению диэлектрического материала.Beyond 14, flows of recharged ions are formed in the volume of the quasineutral plasma. However, unlike the known analogues, the formed secondary ions do not atomize the electrically conductive part of the accelerating electrode 6, since there is a dielectric electrode substrate made of ion-sputtering dielectric material between the metal coating of the electrode and the region of secondary ion formation.
Вторичные ионы, перемещаясь из области внешней квазинейтральной плазмы в направлении к электропроводящей поверхности ускоряющего электрода 6, которая находится под отрицательным потенциалом (-Uy), воздействуют только на торцевую поверхность тонкого металлического покрытия в области отверстий. Атомы распыленного металлического покрытия, образовавшиеся в результате незначительного распыления торцевых частей тонкого электропроводящего покрытия, оседают на внутренних поверхностях элементов конструкции источника ионов, не загрязняя ускоряемый поток ионов рабочего вещества. Диэлектрическая подложка ускоряющего электрода 6, не подвергающаяся ионному распылению, выполняет функцию несущего элемента конструкции. Толщина диэлектрической подложки выбирается из условия обеспечения прочности ускоряющего электрода 6.Secondary ions moving from the region of the external quasi-neutral plasma towards the electrically conductive surface of the accelerating electrode 6, which is under the negative potential (-U y ), act only on the end surface of a thin metal coating in the region of the holes. Atoms of a sprayed metal coating, formed as a result of insignificant atomization of the end parts of a thin electrically conductive coating, settle on the inner surfaces of the structural elements of the ion source without polluting the accelerated ion flow of the working substance. The dielectric substrate of the accelerating electrode 6, which is not subjected to ion sputtering, performs the function of the supporting structural element. The thickness of the dielectric substrate is selected from the condition for ensuring the strength of the accelerating electrode 6.
Снижение распыления торцевых частей электропроводящего слоя ускоряющего электрода 6 обеспечивается за счет разделения пространственным зазором области внешней квазинейтральной плазмы, в которой образуются вторичные ионы, и области возможного воздействия вторичных ионов на торцевую часть электропроводящего покрытия. Это обусловлено тем, что траектория движения вторичных ионов, способных распылять металлическое покрытие, в каждой элементарной ячейке ионно-оптической системы ограничена кромкой отверстия в замедляющем электроде 7, расстоянием между внешней поверхностью электрода 7 и металлическим покрытием электрода 6, а также толщиной металлического покрытия. В этом случае замедляющий электрод 7 выполняет функцию геометрического экрана для потока вторичных ионов из области внешней квазинейтральной плазмы.Reducing the sputtering of the end parts of the electrically conductive layer of the accelerating electrode 6 is ensured by the spatial gap separation of the external quasineutral plasma region in which secondary ions are formed and the areas of the possible action of secondary ions on the end part of the electrically conductive coating. This is due to the fact that the trajectory of the movement of secondary ions capable of spraying a metal coating in each unit cell of the ion-optical system is limited by the edge of the hole in the deceleration electrode 7, the distance between the outer surface of the electrode 7 and the metal coating of the electrode 6, and the thickness of the metal coating. In this case, the slowing-down electrode 7 functions as a geometric screen for the flow of secondary ions from the region of the external quasi-neutral plasma.
Следует отметить, что через отверстия электродов 5, 6 и 7 происходит извлечение не только ионной компоненты под действием приложенной разности потенциалов ΔUy, но и истечение неионизованных атомов из разрядной камеры 1 за пределы ионно-оптической системы. Отношение расхода ионной компоненты рабочего вещества в виде сформированного ионного пучка к общему расходу рабочего вещества, подаваемого в разрядную камеру 1, характеризует газовую эффективность источника ионов.It should be noted that through the holes of the electrodes 5, 6 and 7, not only the ion component is extracted under the action of the applied potential difference ΔU y , but also the outflow of non-ionized atoms from the discharge chamber 1 beyond the limits of the ion-optical system. The ratio of the flow rate of the ionic component of the working substance in the form of a formed ion beam to the total flow rate of the working substance supplied to the discharge chamber 1 characterizes the gas efficiency of the ion source.
Повышение газовой эффективности достигается за счет создания условий, затрудняющих выход неионизованных атомов из разрядной камеры 1. Данные условия обеспечиваются, например, путем уменьшения диаметра отверстий в ускоряющем электроде 6 по сравнению с диаметром отверстий в диэлектрическом эмиссионном электроде 5. При таком конструктивном выполнении электродов ионы под действием приложенного электрического поля будут легко проходить через отверстия уменьшенного диаметра в ускоряющем электроде 6, а неионизованные атомы, присутствующие в ускоряемом потоке, будут отражаться от кромок отверстий в электроде 6 и за счет изменения траектории движения возвращаться в полость разрядной камеры 1.The increase in gas efficiency is achieved by creating conditions that impede the exit of non-ionized atoms from the discharge chamber 1. These conditions are provided, for example, by reducing the diameter of the holes in the accelerating electrode 6 compared to the diameter of the holes in the dielectric emission electrode 5. With this design of the electrodes, the ions under the action of the applied electric field will easily pass through holes of reduced diameter in the accelerating electrode 6, and non-ionized atoms present in the accelerated stream, they will be reflected from the edges of the holes in the electrode 6 and, due to a change in the trajectory of movement, will return to the cavity of the discharge chamber 1.
Вследствие образования пространственных зазоров между электродами 5, 6 и 7 ионно-оптической системы при работе источника ионов исключаются электрические пробои между электродами и связанная с ними взрывная эрозия электродов. При этом повышается стабильность и надежность работы источника ионов. Кроме того, снижается ионное распыления электропроводящих частей электродов и загрязнение ускоренного потока ионов продуктами распыления. Решение данных технических задач обеспечивает увеличение ресурса ионного источника при высокой эффективности извлечения и формирования ускоренного потока ионов.Due to the formation of spatial gaps between the electrodes 5, 6 and 7 of the ion-optical system during operation of the ion source, electrical breakdowns between the electrodes and the associated explosive erosion of the electrodes are eliminated. This increases the stability and reliability of the ion source. In addition, the ion sputtering of the electrically conductive parts of the electrodes and the contamination of the accelerated ion flow by atomization products are reduced. The solution of these technical problems provides an increase in the resource of an ion source with high efficiency of extraction and formation of an accelerated ion flow.
Вышеописанный пример осуществления полезной модели основывается на конкретной форме конструкции источника ионов, однако это не исключает возможности достижения технического результата и в других частных случаях реализации конструкции в том виде, как источник ионов описан в независимом пункте формулы. Так, в частности, средство генерации электрического газового разряда может быть выполнено в виде газоразрядного устройства, электроды которого устанавливаются в полости разрядной камеры. В качестве материалов электропроводящего покрытия и диэлектрической части ускоряющего электрода могут применяться и другие материалы, удовлетворяющие условиям расчетного режима работы источника ионов. В частности, металлическое электропроводящее покрытие должно обладать высокой адгезионной способностью по отношению к материалу диэлектрической подложки, выбранные материалы покрытия и подложки должны иметь близкие коэффициенты температурного расширения.The above example of the implementation of the utility model is based on the specific form of the ion source design, however, this does not exclude the possibility of achieving a technical result in other particular cases of the implementation of the structure as the ion source is described in the independent claim. So, in particular, the means for generating an electric gas discharge can be made in the form of a gas discharge device, the electrodes of which are installed in the cavity of the discharge chamber. As materials of the electrically conductive coating and the dielectric part of the accelerating electrode, other materials can be used that satisfy the conditions of the calculated mode of operation of the ion source. In particular, the metal conductive coating should have high adhesion with respect to the dielectric substrate material, the selected coating materials and substrates should have close thermal expansion coefficients.
В вариантах конструкции, предназначенных для технологического применения, источник ионов может использоваться без нейтрализатора пространственного заряда ионного пучка. В данном варианте конструкции замедляющий электрод выполняется из электропроводящего материала, например металла. Замедляющий электрод может иметь кольцевую форму и охватывать ускоренный пучок ионов.In design variants intended for technological use, the ion source can be used without an ion beam space charge neutralizer. In this embodiment, the retarding electrode is made of an electrically conductive material, such as metal. The retarding electrode may have a ring shape and encompass an accelerated ion beam.
Отверстия в электродах могут иметь форму окружности или многоугольника. Электроды ионно-оптической системы, в том числе диэлектрическая подложка ускоряющего электрода, могут иметь выпуклую форму, например, в форме сегмента сферы.The holes in the electrodes may be in the form of a circle or a polygon. The electrodes of the ion-optical system, including the dielectric substrate of the accelerating electrode, can have a convex shape, for example, in the form of a sphere segment.
В зависимости от области применения источника ионов в качестве газообразного рабочего вещества применяются различные газы или смеси газов. Так, например, в случае использования источника ионов в составе электроракетного двигателя малой тяги в качестве рабочего вещества применяются инертные газы, в частности ксенон. При использовании источника ионов в технологических установках для ионно-плазменной обработки в качестве рабочего вещества могут применяться химически активные газы или смеси химически активных газов, например кислородосодержащие смеси.Depending on the field of application of the ion source, various gases or gas mixtures are used as the gaseous working substance. So, for example, in the case of using an ion source as part of an electric propulsion thruster, inert gases, in particular xenon, are used as a working substance. When using an ion source in technological installations for ion-plasma treatment, chemically active gases or mixtures of chemically active gases, for example, oxygen-containing mixtures, can be used as a working substance.
Claims (11)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2011148979/07U RU116273U1 (en) | 2011-12-02 | 2011-12-02 | SOURCE OF IONS |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2011148979/07U RU116273U1 (en) | 2011-12-02 | 2011-12-02 | SOURCE OF IONS |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU116273U1 true RU116273U1 (en) | 2012-05-20 |
Family
ID=46231192
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2011148979/07U RU116273U1 (en) | 2011-12-02 | 2011-12-02 | SOURCE OF IONS |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU116273U1 (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2608188C1 (en) * | 2015-09-02 | 2017-01-17 | Акционерное общество "Конструкторское бюро химавтоматики" | Method of producing elements and assemblies of ion optical system (versions), ion-optical system |
| RU2749668C1 (en) * | 2020-12-22 | 2021-06-16 | Общество с ограниченной ответственностью «ПЛАЗТРЕК» (ООО «ПЛАЗТРЕК») | Ion source |
-
2011
- 2011-12-02 RU RU2011148979/07U patent/RU116273U1/en not_active IP Right Cessation
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2608188C1 (en) * | 2015-09-02 | 2017-01-17 | Акционерное общество "Конструкторское бюро химавтоматики" | Method of producing elements and assemblies of ion optical system (versions), ion-optical system |
| RU2749668C1 (en) * | 2020-12-22 | 2021-06-16 | Общество с ограниченной ответственностью «ПЛАЗТРЕК» (ООО «ПЛАЗТРЕК») | Ion source |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Polk et al. | A theoretical analysis of vacuum arc thruster and vacuum arc ion thruster performance | |
| US20050092596A1 (en) | Method and apparatus for plasma generation | |
| CA2231888C (en) | Plasma accelerator with closed electron drift and conductive inserts | |
| Coll et al. | Design of vacuum arc-based sources | |
| RU92240U1 (en) | DEVICE FOR APPLICATION OF OXIDE COMPOSITE COATINGS | |
| JP4130974B2 (en) | Hollow cathode | |
| CN115681052A (en) | Hall thruster, equipment with Hall thruster and using method of Hall thruster | |
| RU116273U1 (en) | SOURCE OF IONS | |
| WO2020139188A1 (en) | Ion thruster and method for providing thrust | |
| RU158759U1 (en) | ION-PLASMA ENGINE | |
| RU2373603C1 (en) | Source of fast neutral atoms | |
| Anders | Breakdown of the high-voltage sheath in metal plasma immersion ion implantation | |
| US8575565B2 (en) | Ion source apparatus and methods of using the same | |
| JP2003139044A (en) | Ion thrustor | |
| RU139030U1 (en) | ION-PLASMA ENGINE | |
| RU2246035C9 (en) | Ion engine | |
| JP7129074B1 (en) | Pulse-type propulsion machine using vacuum cathodic arc discharge | |
| CN115898802A (en) | Hall thruster, space equipment comprising Hall thruster and using method of Hall thruster | |
| TWI778706B (en) | Vacuum cathode arc-induced pulsed thruster | |
| RU2333619C2 (en) | Multibeam generator of gas-discharge plasma | |
| KR20230118659A (en) | Ion source device with controllable plasma density | |
| RU2716133C1 (en) | Source of fast neutral molecules | |
| RU2656851C1 (en) | Plasma accelerator with closed electron drift | |
| RU2288553C2 (en) | Gas-filled diode with external magnetic insulation | |
| EP3242534A1 (en) | Apparatus for generating a plasma jet, in particular for space propulsion |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM9K | Utility model has become invalid (non-payment of fees) |
Effective date: 20191203 |