RU1762732C - Способ получения потока заряженных частиц и устройство для его осуществления - Google Patents

Abstract

Использование: техника получения и применения квазинейтральных потоков заряженных частиц. Сущность изобретения: способ включает подачу газа в пространство, ионизацию его электронами до образования плазмы, наложение на плазму электрического поля и выделение с его помощью потока ионов, нейтрализацию последнего электронами. Причем положительно заряженные источники поля размещают внутри плазмы, а отрицательно заряженные так, чтобы они охватывали плазменное пространство и эмиттировали электроны вдоль силовых линий поля. Регистрируют положение внешней границы плазмы и изменяют площадь поверхности положительно заряженных источников поля пропорционально площади поверхности плазменного пространства, причем отношение площадей указанных поверхностей выбирают в пределах 10^-2- 10^-4 Устройство для осуществления способа содержит газоразрядную камеру с размещенным внутри нее анодом, подключенную к отрицательному выводу источника напряжения, систему напуска рабочего газа, источник электронов в виде формирующей сетки, подключенной своими выводами к отдельному источнику для накаливания, причем один из выводов подключен также к отрицательному выводу источника напряжения. 2 с.п. ф-лы, 3 ил.

Description

Изобретение относится к технике получения потока заряженных частиц и предназначено для создания источников плазмы.

Известны способ получения потока заряженных частиц и устройство для его осуществления.

В известном способе поток заряженных частиц получают путем ионизации газа электронами, выделяют ионную компоненту плазмы, ускоряют ионный поток до заданной энергии, нейтрализуют его электронами, в результате чего получают квазинейтральный поток заряженных частиц, движущийся в заданном направлении с необходимой скоростью.

В известном устройстве газ поступает в камеру и ионизируется в ней до образования плазмы электронами электрического разряда, создаваемого с помощью катода и анода в локальной области газового облака. Образовавшаяся плазма втекает в конденсатор с сеточными электродами, подключенными к электродам источника питания, электрическое поле конденсатора разделяет ионы и электроны плазмы и ускоряет ионы. Ионный поток через сеточный электрод конденсатора выходит наружу и нейтрализуется электронами с дополнительной накаленной спирали, помещенной в поток.

Однако известный способ сложен, а устройство громоздко и обладает низкими эксплуатационными возможностями. Например, при работе с малыми напусками газа эффективность ионизации газа падает настолько, что возникает необходимость использования дополнительного магнитного поля, что в ряде случаев невозможно осуществить. Кроме того, получение квазинейтрального потока заряженных частиц с малыми энергиями (Е ≈ 50 эВ) и одновременно с достаточно высокой концентрацией (h ≈ 10⁸ - 10⁹ см^-3) может оказаться затруднительным из-за ограничения по объемному заряду плотности ионного потока в конденсаторе с сеточными электродами. Использование малых зазоров между электродами конденсатора снимает ограничение на величину объемного заряда, но приводит к усложнению конструкции устройства и возникновению пробоев между электродами. Кроме того, при работе в режиме ограничения потока ионов объемным пространственным зарядом в конденсаторе плотность ионного потока и его энергия связаны однозначной зависимостью, что не позволяет независимо менять плотность и энергию квазинейтрального потока заряженных частиц (плазмы) и снижает эксплуатационные возможности.

Наиболее близким к изобретению является способ получения потока заряженных частиц, включающий подачу газа в пространство, ионизацию газа электронами до образования плазмы, наложение на плазму электрического поля, выделение с помощью источников поля потоков ионов и нейтрализацию его электронами, причем источники электрического поля размещают внутри плазменного образования.

Известное устройство содержит газоразрядную камеру, подключенную к отрицательному выводу источника напряжения, источник электронов, подключенный к источнику тока, систему напуска рабочего газа в камеру, формирующие электроды, выполненные в виде экранирующих сеток и подключенные к источнику ускоряющего напряжения, положительный электрод которого подключен к газоразрядной камере, и анод, размещенный внутри камеры и подключенный к положительному полюсу источника напряжения.

Однако известный способ также сложен, а устройство громоздко, что затрудняет генерацию квазинейтрального потока заряженных частиц.

Цель изобретения - упрощение генерации квазинейтрального потока заряженных частиц.

Цель достигается тем, что в способе, включающем подачу газа в пространство, ионизацию газа электронами до образования плазмы, наложение на плазму электрического поля, выделение с помощью источников поля потока ионов и нейтрализацию потока ионов электронами, причем положительно заряженные источники электрического поля размещают внутри плазменного образования, отрицательно заряженные источники поля размещают так, чтобы они охватывали плазменное образование, инжектируют с помощью источников поля электроны вдоль силовых линий поля, регистрируют положение внешней границы поверхности плазменного образования и изменяют площадь поверхности положительно заряженных источников поля пропорционально площади поверхности плазменного образования, причем отношение площадей указанных поверхности выбирают в диапазоне 10^-2 - 10^-4.

Цель достигается также тем, что в источнике потока заряженных частиц, содержащем газоразрядную камеру, подключенную к отрицательному выводу источника напряжения, источник электронов, подключенный к источнику тока, систему напуска рабочего газа в камеру, формирующий электрод, выполненный в виде экранирующей сетки, и анод, подключенный к положительному полюсу источника напряжения, причем отношение площади анода к площади внутренней поверхности камеры выбрано не более 10^-2, экранирующая сетка выполнена в виде источника электронов и снабжена двумя изолированными токовыводами, подключенными к источнику тока, при этом один из токовыводов подключен к отрицательному полюсу источника напряжения, а отношение площади анода к площади внутренней поверхности камеры выбрано не менее 10^-4.

Способ осуществляется следующим образом.

Подают газ в пространство, содержащее положительно заряженные источники поля и охваченные отрицательно заряженными источниками поля, и инжектируют с этих источников поля электроны в газ вдоль силовых линий электрического поля между источниками. Электроны набирают энергию в электрическом поле, проникают в газовое облако, и поскольку источники поля в газе имеют площадь, существенно меньшую площади газового облака, начинают в нем осциллировать.

В процессе осцилляций электроны ионизируют молекулы газа и образуют в нем плазму. Плазма поляризуется электрическим полем. В области плазмы электрическое поле уменьшается из-за хорошей проводимости плазмы, а на ее границе возрастает до максимальной величины, где происходит основное падение потенциала поля.

Электрическое поле в граничной области направлено наружу и разделяет заряды плазмы так, что электроны возвращаются внутрь плазмы, а ионы ускоряются и выводятся полем во внешнее пространство. Поток ионов во внешнем пространстве движется по силовым линиям электрического поля навстречу потоку электронов, инжектируемых в поле извне. Часть электронов потока нейтрализует ионный поток и образует во внешнем пространстве квазинейтральный поток заряженных частиц - поток плазмы.

Таким образом достигается упрощение генерации квазинейтрального потока заряженных частиц. Осциллирующие электроны, потерявшие энергию в результате столкновений и ионизации молекул газа в газовом облаке, и свободные электроны плазмы, возникшие на ее границе в процессе разделения зарядов, гибнут в источниках поля, в результате чего сохраняется квазинейтральность системы в целом.

При отношении полной площади поверхности источников электрического поля в газе к площади поверхности газового облака меньше чем в 10² раз затруднены осцилляции электронов в газовом облаке из-за частых столкновений электронов с источниками электрического поля и их неизбежной гибелью при этом.

При отношении площадей больше чем в 10⁴ раз плотность электронного потока вблизи поверхности источников поля становится настолько велика, что электрическое поле объемного заряда электронов приводит к преимущественному падению разности потенциалов вблизи источников поля, что снижает разность потенциалов на границе плазмы и ухудшает плазмообразование.

На фиг.1 приведен источник, реализующий предлагаемый способ; на фиг.2 - схема распределения потенциала в плазме источника (сплошная линия) между анодом и экранирующей сеткой (стенкой камеры); на фиг.3 схематично представлены процессы плазмообразования внутри источника и формирования квазинейтрального потока заряженных частиц (плазменного потока) на его выходе.

Источник потока содержит камеру ионизации 1, источник газа 2, анод 3, экранирующую сетку 4 с электродом 5 и источник питания для накаливания 6.

Источник газа 2 расположен у торца камеры ионизации 1, содержащий сеточный анод 3 с площадью поверхности меньше площади поверхности ионизационной камеры 1 в отношении 10²-10⁴ раз, а второй торец ионизационной камеры 1 закрыт подключенной к ней сеткой 4 с электродом 5, подключенным к выходу источника питания для накаливания 6, второй электрод которого подключен к камере 1.

Обозначения на фиг.3: 7 - плазма внутри источника, 8 - граница плазмы в пристеночной области и вблизи элементов анода (обозначена пунктиром), 9 - траектория осциллирующего электрона, 10 - элемент плазмы внутри источника, 11 - элемент квазинейтрального потока заряженных частиц вне источника (элемент плазменного потока), кружок со знаком "минус" - электрон, кружок со знаком "плюс" - ион плазмы, сплошные линии со стрелками - схематичное обозначение траекторий движения частиц.

Устройство работает следующим образом.

Газ из источника 2 поступает в камеру ионизации 1, где в него инжектируются электроны, эмитированные нагретой экранирующей сеткой 4 и ускоренные разностью потенциалов между анодом 3 и стенкой камеры 1 с экранирующей сеткой 4.

Электроны осциллируют в пространстве камеры 1, пронизывая сеточный анод 3, поскольку площадь поверхности нитей сетки много меньше (10²-10⁴ раз) площади поверхности ионизационной камеры 1, ионизуют газ и образуют в нем плазму.

За счет хорошей проводимости плазмы падение потенциала в ней невелико, а вблизи стенки камеры 1 и поверхности экранирующей сетки 4 образуется граничная область, в которой происходит основное падение потенциала, созданного между анодом 3 и стенкой камеры 1 (см. фиг.2).

Электрическое поле в граничной области плазмы разделяет заряды так, что ускоряет ионы к экранирующей сетке 4, а электроны плазмы - к аноду 3. Ионы проходят через сетку 4, нейтрализуются электронами, эмитированными с ее поверхности, и образуют квазинейтральный поток заряженных частиц, т.е. поток плазмы. Избыточные электроны плазмы поглощаются анодом 3 (см. фиг.3).

Выбором величины разности потенциалов между анодом 3 и стенкой камеры 1 регулируется направление энергии плазменного потока. Источником питания для накаливания 6 устанавливается необходимый нагрев экранирующей сетки 4 и таким образом изменяется поток инжектируемых ею электронов, с помощью которых регулируется плотность плазменного потока.

По сравнению с известными предлагаемый источник имеет минимальное количество основных элементов - камеру 1, анод 3, экранирующую сетку 4, и всего два источника питания - анода 3 и сетки 4.

Направленная энергия и плотность плазменного потока регулируются независимо друг от друга, соответственно изменениями потенциала анода 3 и тока накаливания экранирующей сетки 4 во всем диапазоне параметров потока. Известные технические решения такими возможностями не обладают.

Основное ускорение ионов происходит на границе плазмы у экранирующей сетки, где возникает двойной электрический слой. Это практически исключает пробой ускоряющего промежутка и является дополнительным преимуществом изобретения.

Claims (3)

1. СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ПОТОКА ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ.
2. 1. Способ получения потока заряженных частиц, включающий подачу газа в пространство, ионизацию газа электронами до образования плазмы, наложение на плазму электрического поля, выделение с помощью источников поля потока ионов и нейтрализацию потока ионов электронами, при этом положительно заряженные источники электрического поля размещают внутри плазменного образования, отличающийся тем, что, с целью упрощения генерации квазинейтрального потока заряженных частиц, отрицательно заряженные источники поля размещают так, чтобы они охватывали плазменное образование, инжектируют с помощью источников поля электроны вдоль силовых линий поля, регистрируют положение внешней границы поверхности плазменного образования и изменяют площадь поверхности положительно заряженных источников поля пропорционально площади поверхности плазменного образования, причем отношение площадей указанных поверхностей выбирают в диапазоне 10^{- 2} - 10^{- 4}.
3. 2. Источник потока заряженных частиц, содержащий газоразрядную камеру, подключенную к отрицательному выводу источника напряжения, источник электронов, подключенный к источнику тока, систему напуска рабочего газа в камеру, формирующий электрод, выполненный в виде экранирующей сетки, и анод, размещенный внутри камеры и подключенный к положительному полюсу источника напряжения, причем отношение площади анода к площади внутренней поверхности камеры выбрано не более 10^{- 2}, отличающийся тем, что, с целью упрощения конструкции при генерации квазинейтрального потока заряженных частиц, экранирующая сетка выполнена в виде источника электронов и снабжена двумя изолированными токовыводами, подключенными к источнику тока, при этом один из токовыводов подключен к отрицательному полюсу источника напряжения, а отношение площади анода к площади внутренней поверхности камеры выбрано не менее 10^{- 4}.

Images