RU2294578C1 - Ленточный плазменный эмиттер ионов - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к технике получения плазмы и генерации ленточных ионных пучков. Сущность изобретения: ленточный плазменный эмиттер ионов содержит плазменный катод, электродная система которого включает цилиндрический полый катод с выходной апертурой в форме щели, ось которой параллельна оси катода, поджигающий электрод в виде тонкой нити, натянутой вдоль оси катода, мелкоструктурную анодную сетку, установленную напротив катодной апертуры, и генератор плазмы, включающий экранную сетку с отверстиями для извлечения ионов, которая электрически соединена с анодной сеткой, и находящийся под положительным потенциалом относительно сеток полый основной анод, на внешней поверхности которого установлена магнитная система, состоящая из постоянных магнитов. Постоянные магниты имеют одинаковую ориентацию полюсов и установлены вдоль анода в один ряд для формирования линейного однополюсного расходящегося магнитного поля внутри анодной полости, причем поперечный размер анодной сетки определяется с учетом толщины катодного слоя пространственного заряда по представленным зависимостям. Техническим результатом изобретения является создание протяженного ленточного плазменного эмиттера ионов на основе разряда с холодным катодом при сохранении высокой энергетической эффективности и газовой экономичности ионного источника. 1 ил.

Description

Изобретение относится к технике получения плазмы и генерации ленточных ионных пучков.

Известен газоразрядный плазменный катод ленточной формы, электродная система которого содержит цилиндрический полый катод с выходной апертурой в форме щели, ось которой параллельна оси катода, поджигающий электрод в виде тонкой нити, натянутой вдоль оси катода, управляющую сетку и полый анод, в котором ширина катодной апертуры определяется с учетом толщины катодного слоя пространственного заряда, как h~πD(m_e/М_i)^1/2+2s; где s~[(4/9)∈₀(2q/M_i)^1/2U^3/2/j)]^1/2 - толщина катодного слоя пространственного заряда, D - диаметр полого катода; U - напряжение горения разряда, j - плотность тока на катоде; m_e, М_i - масса электрона и иона, соответственно; ∈₀ - диэлектрическая постоянная; е - заряд электрона [1]. Такое устройство используется в источниках ленточных электронных пучков, но не может быть применено для генерации ленточного ионного пучка, так как в нем не принимается мер по повышению энергии электронов, поступающих из полого катода, и их последующего удержания в плазме для эффективной энергетической релаксации.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является известный ионный источник с холодным катодом, содержащий плазменный катод, который включает полый катод тлеющего разряда, поджигающий электрод, мелкоструктурную анодную сетку, установленную напротив выходного отверстия полого катода, и генератор плазмы, включающий экранную сетку, электрически соединенную с анодной сеткой, и основной анод, на поверхности которого установлена система магнитов для формирования многополюсного периферийного магнитного поля [2]. Введение анодной сетки обеспечивает условия для формирования слоя пространственного заряда, ускоряющего электроны, а магнитное поле способствует удержанию быстрых электронов в анодной плазме. Такой источник предназначен для генерации ионного пучка большого сечения, поэтому потери ионов в результате их ухода вдоль магнитных щелей на анод, которые пропорциональны полной длине магнитных полюсов, не приводят к существенному снижению энергетической эффективности источника ионов. В источнике ленточного ионного пучка доля ионных потерь на аноде с магнитным мультиполем возрастает из-за уменьшения площади эмитирующей поверхности плазмы при сохранении неизменной площади ионных потерь. Для повышения эффективности такого источника необходимо отказаться от генерации большого объема однородной плазмы и уменьшить длину магнитных полюсов в системе удержания. Для создания одномерного ленточного плазменного эмиттера ионов необходимо генерировать ограниченную в поперечном направлении и однородную вдоль оси эмиттера плотную плазму, что может быть обеспечено применением ленточного плазменного катода в сочетании с линейным магнитным монополем.

Задачей изобретения является создание протяженного ленточного плазменного эмиттера ионов на основе разряда с холодным катодом при сохранении высокой энергетической эффективности и газовой экономичности ионного источника. Для этого в ионном источнике, содержащем плазменный катод, электродная система которого включает цилиндрический полый катод с выходной апертурой в форме щели, ось которой параллельна оси катода, поджигающий электрод в виде тонкой нити, натянутой вдоль оси катода, мелкоструктурную анодную сетку, установленную напротив катодной апертуры, и генератор плазмы, включающий экранную сетку с отверстиями для извлечения ионов, которая электрически соединена с анодной сеткой, и находящийся под положительным потенциалом относительно сеток полый основной анод, на внешней поверхности которого установлена магнитная система, постоянные магниты с одинаковой ориентацией полюсов устанавливаются в один ряд для формирования линейного однополюсного расходящегося магнитного поля внутри анодной полости, причем поперечный размер анодной сетки определяется с учетом толщины катодного слоя пространственного заряда как h_c~h_a-2s и выполняются соотношения h_а:h_э~1; l_а:l_с:l_э~1:1:1; где h_a, h_э - ширина выходной апертуры полого катода и поперечный размер экранной сетки, соответственно, l_а, l_с, l_э - длина катодной апертуры, анодной и экранной сеток, соответственно, s~[(4/9)∈₀(2q/M_i)^1/2U^3/2/j)]^1/2 - толщина катодного слоя пространственного заряда, U - напряжение горения разряда, j - плотность тока на катоде; M_i, q - масса и заряд иона; ∈₀ - диэлектрическая постоянная.

Сущность изобретения: протяженная анодная сетка, ширина которой определяется размером плазменного столба в щелевой выходной апертуре полого катода, то есть разностью между шириной щели и удвоенной толщиной катодного слоя, а длина соответствует длине выходной апертуры, обеспечивает равномерное по длине щели поступление электронов из катодной полости в слой пространственного заряда вдоль силовых линий магнитного поля в плоскости симметрии расходящегося магнитного поля, которое формируется установленными на наружной поверхности анода в один ряд постоянными магнитами с одинаковым расположением одноименных полюсов относительно анода. Электроны, ускоряемые в слое, поступают в неоднородное магнитное поле с криволинейными силовыми линиями, замыкающимися на анод. Осцилляция электронов вдоль силовых линий такого поля сопровождается трансформацией продольной составляющей энергии электронов в поперечную, что приводит к отражению электронов от области сильного поля вблизи полюсов. Поскольку для быстрых электронов, ускоренных разностью потенциалов в слое (~100-200 эВ), величина ларморовского радиуса в области сильного магнитного поля (0,1 Тл) примерно на два порядка величины меньше расстояния между анодной сеткой и полюсами магнитного поля (~3 см), то условие постоянства магнитного момента, необходимое для удержания быстрых электронов [3], в предлагаемой системе выполняется.

Толщина катодного слоя в выходной апертуре катода определяется напряжением горения U, плотностью тока разряда на поверхности катода j, атомной массой рабочего газа М и может быть определена из закона Чайлда-Ленгмюра, как s~[(4/9)∈₀(2q/M_i)^1/2U^3/2/j)]^1/2.

Энергетическая эффективность источника определяется отношением тока ионного пучка к энергии, затраченной в разряде. С увеличением ширины экранной сетки растет ток извлекаемых из плазмы ионов, но увеличивается неоднородность распределения плотности эмитирующей плазмы в поперечном относительно длинной оси сетки направлении, что приводит к увеличению потерь на электродах ионно-оптической системы формирования пучка и снижению тока пучка. Как следует из экспериментальных данных, оптимальная ширина экранной сетки примерно равна ширине катодной щели.

На чертеже представлена электродная система предложенного ленточного плазменного эмиттера ионов.

Электродная система состоит из полого катода 1, установленного на его оси поджигающего электрода 2 в виде тонкой нити, анодной сетки 3, основного полого анода 4, экранной сетки 5 и магнитной системы 6.

Плазменный эмиттер ионов работает следующим образом. После приложения между катодом 1, поджигающим электродом 2 и анодной сеткой 3 напряжения и подачи в катодную полость газа зажигается тлеющий разряд. Использование коаксиальной электродной системы с полым катодом и нитевым поджигающим электродом обеспечивает зажигание разряда при низких давлениях, при этом установившийся ток в цепи поджигающего электрода 2 незначителен, так как площадь этого электрода невелика по сравнению с площадью анода. Большая часть тока разряда через щель замыкается на анодную сетку. При подаче напряжения между основным анодом 4 и сетками 3, 5 развивается разряд на основной анод. Распределенное по длине щелевой катодной апертуры горение разряда обеспечивается при условии разрыва катодной оболочки по всей длине апертуры, что достигается выбором ширины щели. При этом у анодной сетки формируется слой пространственного заряда, электрическое поле которого обеспечивает отбор электронов из анодной плазмы и их ускорение. Быстрые электроны поступают в создаваемое постоянными магнитами 6 неоднородное магнитное поле с криволинейными силовыми линиями, замыкающимися на анод. Движение электронов вдоль силовых линий такого поля сопровождается трансформацией продольной составляющей энергии электронов в поперечную, что приводит к отражению электронов от области сильного поля вблизи полюсов. Последовательное отражение электронов полем слоя пространственного заряда и сильным магнитным полем обеспечивает осцилляцию электронов в анодной плазме и генерацию плотной плазмы с максимумом плотности в плоскости симметрии магнитного поля. При поперечном размере анодной сетки, равном размеру плазменного столба в катодной апертуре, ускоренные в слое пространственного заряда электроны инжектируются в анодную плазму в плоскости симметрии магнитного поля, что обеспечивает их максимальное время жизни в плазме и эффективную энергетическую релаксацию. Ионы из плазмы извлекаются через экранную сетку 5 с помощью внешнего электрического поля. Поперечный размер экранной сетки определяет величину тока эмиссии ионов из плазмы и степень неоднородности поперечного распределения плотности эмитирующей плазмы. При примерном равенстве поперечного размера экранной сетки и ширины катодной апертуры достигается компромисс, обеспечивающий высокий ток пучка при отсутствии значительных потерь тока в системе формирования ионного пучка. Продольный размер анодной и экранной сеток определяется длиной катодной щели и может на 1-2 порядка превышать поперечный размер щели.

Испытания опытного образца ленточного плазменного эмиттера ионов проводились с использованием полого катода диаметром 200 мм, длина катода была равна 300 мм. На боковой поверхности катода была вырезана щель длиной 200 и шириной 20 мм. Вдоль оси катода натягивалась вольфрамовая проволока 2 диаметром 0,3 мм, которая через резистор электрически соединялась с анодом 3. Анодная сетка из нержавеющей стали с площадью поверхности 10×200 мм и размерами ячейки 0,6×0,6 мм устанавливалась напротив щели. Основной анод был выполнен из нержавеющей стальной пластины шириной 50 мм, согнутой в виде рамки с размерами 250×50 мм. С наружной стороны анода в один ряд размещались постоянные магниты с размерами 10×10×20 мм, изготовленные из самарий-кобальтового сплава. Экранная сетка была образована вольфрамовыми стержнями диаметром 2 мм, расположенными с шагом 10 мм в окне с размерами 20×200 мм. За экранной сеткой на расстоянии 10 мм устанавливался коллектор ионов, на который подавался отрицательный относительно сетки потенциал 50 В, обеспечивающий отсечку быстрых электронов. В плоскости коллектора или экранной сетки размещались зонды для измерения распределения плотности тока ионов по длине эмиттера ионов. Испытания проводились при токе разряда в цепи полого катода 0,1-1 А и напряжении между сетками и основным анодом 50-200 В, при этом рабочее давление аргона в анодной полости изменялось в пределах 0,01-0,05 Па. Напряжение горения разряда с полым катодом составляло 350-500 В. Ток извлеченных ионов в цепи коллектора возрастал с увеличением давления газа и напряжения между анодом и сетками и достигал 25% от тока в цепи полого катода. Неоднородность продольного распределения плотности ионного тока на коллекторе не превышала 0,2 на длине 200 мм. Поперечное распределение плотности тока по экранной сетке было близко к гауссову. В экспериментах по формированию пучка ионно-оптической системой с ускоряющим напряжением 20 кВ уровень потерь тока пучка возрастал до нескольких % от тока пучка, в случае, если ширина экранной сетки превосходила ширину катодной щели. Сокращение ширины щели приводило к уменьшению тока ионного пучка. Достигнутая эффективность 0,5 А/кВт является наиболее высокой среди известных источников высокоэнергетичных ленточных ионных пучков с холодным катодом. Газовая экономичность ленточного источника оказалась ниже, чем экономичность источника широкого ионного пучка такого же принципа действия, что обусловлено большой площадью щелевой катодной апертуры, однако полученная величина эффективности оказалась в несколько раз выше, чем в известных источниках ленточных ионных пучков, например [4], соответственно, более низким оказалось и пороговое рабочее давление газа (0,01 Па).

Использование предлагаемого ленточного плазменного эмиттера ионов делает возможной эффективную генерацию ленточных пучков с длиной оси поперечного сечения пучка свыше 1 м и плотностью тока 1-10 мА/см при энергии ионов в несколько десятков кэВ. Простота эксплуатации и высокая надежность плазменного эмиттера^: с холодным катодом, его некритичность к составу и давлению рабочего газа обеспечат существенное улучшение эксплуатационных характеристик ионных источников и возможность их эффективного использования в технологиях конвейерной обработки больших поверхностей листового материала, перемещаемого относительно ионного пучка.

Источники информации

1. Н.В.Гаврилов, А.С.Каменецких. Газоразрядный плазменный катод. Патент РФ №2250577 от 15.06.2003 г.

2. Н.В.Гаврилов, А.С.Каменецких. Ионный источник с холодным катодом. Патент РФ №2240627 от 02.06.2003 г.

3. О.А.Лаврентьев, в сборнике "Магнитные ловушки", Киев, Наукова думка, 1968, с.77-147.

4. Н.В.Гаврилов, Д.Р.Емлин. Ленточный плазменный эмиттер ионов. Патент РФ №2221307 от 07.03.2002 г.

Claims (1)

1. Ленточный плазменный эмиттер ионов, содержащий плазменный катод, электродная система которого включает цилиндрический полый катод с выходной апертурой в форме щели, ось которой параллельна оси катода, поджигающий электрод в виде тонкой нити, натянутой вдоль оси катода, мелкоструктурную анодную сетку, установленную напротив катодной апертуры, и генератор плазмы, включающий экранную сетку с отверстиями для извлечения ионов, которая электрически соединена с анодной сеткой, и находящийся под положительным потенциалом относительно сеток полый основной анод, на внешней поверхности которого установлена магнитная система, состоящая из постоянных магнитов, отличающийся тем, что постоянные магниты имеют одинаковую ориентацию полюсов и установлены вдоль анода в один ряд для формирования линейного однополюсного расходящегося магнитного поля внутри анодной полости, причем поперечный размер анодной сетки определяется с учетом толщины катодного слоя пространственного заряда как h_c~h_a-2s и выполняются соотношения h_а:h_э~1; l_а:l_с:l_э~1:1:1; где h_a, h_э - ширина выходной апертуры полого катода и поперечный размер экранной сетки соответственно; l_а, l_с, l_э - длина катодной апертуры, анодной и экранной сеток соответственно, s~[(4/9)∈₀(2q/M_i)^1/2U^3/2/j)]^1/2 - толщина катодного слоя пространственного заряда, U - напряжение горения разряда, j - плотность тока на катоде; М_i, q - масса и заряд иона; ∈₀ - диэлектрическая постоянная.