RU2370848C1 - Source of wide-aperture ion beams - Google Patents

Source of wide-aperture ion beams Download PDF

Info

Publication number
RU2370848C1
RU2370848C1 RU2008111665/28A RU2008111665A RU2370848C1 RU 2370848 C1 RU2370848 C1 RU 2370848C1 RU 2008111665/28 A RU2008111665/28 A RU 2008111665/28A RU 2008111665 A RU2008111665 A RU 2008111665A RU 2370848 C1 RU2370848 C1 RU 2370848C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
anode
hollow
plasma
emitter electrode
cathode
Prior art date
Application number
RU2008111665/28A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Николай Васильевич Гаврилов (RU)
Николай Васильевич Гаврилов
Олег Александрович Буреев (RU)
Олег Александрович Буреев
Даниил Рафаилович Емлин (RU)
Даниил Рафаилович Емлин
Original Assignee
Институт электрофизики Уральского отделения РАН
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Институт электрофизики Уральского отделения РАН filed Critical Институт электрофизики Уральского отделения РАН
Priority to RU2008111665/28A priority Critical patent/RU2370848C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2370848C1 publication Critical patent/RU2370848C1/en

Links

Images

Landscapes

  • Electron Sources, Ion Sources (AREA)

Abstract

FIELD: physics.
SUBSTANCE: invention relates to plasma engineering, and more specifically to generation of ion beams with large cross-sectional area. The source of wide-aperture ion beams has a plasma cathode based on glow discharge, the electrode system of which comprises a hollow cathode 1, ignitor electrode 2 and anode grid 3, placed opposite the output aperture of the hollow cathode; and a plasma chamber, which comprises a rod-shaped anode 4 and a hollow cylindrical emitter electrode 5 with openings for extracting ions, electrically connected to the anode grid 3 and lying at negative potential relative the rod-shaped node. Effective ionisation of gas and generation of dense plasma is provided for at a defined ratio of surface areas of the rod-shaped anode and hollow emitter electrode, the value of which depends on the average number of ionisations made by injected fast electrons. Ions are tapped from the plasma through openings in the hollow cylindrical emitter electrode. Chosen diametre of the anode grid is close to the diametre of the hollow emitter electrode. The anode grid is placed at a distance from the output aperture of the hollow cathode, approximately equal to its diametre. The rod-shaped anode is placed at the butt-end of the hollow cylindrical emitter electrode opposite the anode grid, in which there is one or more openings for inlet of working gas. Openings for extracting ions are on the lateral surface of the hollow emitter electrode.
EFFECT: formation of extended sheet beams and radially divergent beams with uniform distribution of ion current density in the cross-section of the beams.
3 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к технике получения плазмы и генерации ионных пучков с большим поперечным сечением, в том числе ленточных и радиально расходящихся пучков, используемых в технологиях модификации материалов.The invention relates to techniques for producing plasma and generating ion beams with a large cross section, including tape and radially diverging beams used in materials modification technologies.

Известны источники ионов, в электродной системе которых для генерации больших объемов плотной плазмы при низких давлениях газа используется плазменный катод с сеточной стабилизацией на основе тлеющего разряда с полым катодом. Наряду с плазменным катодом в состав таких ионных источников входит плазменная камера, в которой создается электростатическая или магнитная ловушки для электронов, эмитируемых плазменным катодом. Вследствие разности потенциалов плазм, создаваемых в плазменном катоде и плазменной камере, в отверстиях сетки плазменного катода возникает двойной электрический слой, ускоряющий эмитируемые плазменным катодом электроны, что обеспечивает их высокую ионизационную способность.Ion sources are known whose electrode system uses a plasma cathode with a grid stabilization based on a glow discharge with a hollow cathode to generate large volumes of dense plasma at low gas pressures. Along with the plasma cathode, the composition of such ion sources includes a plasma chamber in which electrostatic or magnetic traps are created for electrons emitted by the plasma cathode. Due to the potential difference of the plasma generated in the plasma cathode and the plasma chamber, a double electric layer appears in the holes of the plasma cathode grid, accelerating the electrons emitted by the plasma cathode, which ensures their high ionization ability.

Плазменная камера источника ионов с магнитной ловушкой [1] образована полым анодом, на поверхности которого установлены ряды постоянных магнитов с переменной полярностью для создания многополюсного магнитного поля. Такое поле максимально у поверхности анода и быстро спадает по направлению к центру системы, что обеспечивает удержание быстрых электронов в плазме и генерацию однородной малошумящей плазмы в свободном от магнитного поля объеме анодной полости.The plasma chamber of an ion source with a magnetic trap [1] is formed by a hollow anode, on the surface of which there are rows of permanent magnets with variable polarity to create a multipolar magnetic field. Such a field is maximally near the surface of the anode and rapidly decreases toward the center of the system, which ensures the retention of fast electrons in the plasma and the generation of a homogeneous low-noise plasma in the volume of the anode cavity free from the magnetic field.

Известен ионный источник с электростатической ловушкой [2], плазменная камера которого образована полым катодным электродом, в объеме которого размещается стержневой анод. Осцилляция быстрых электронов в плазме в результате их отражения от катодного слоя пространственного заряда также обеспечивает генерацию однородной малошумящей плазмы. Для устойчивого горения разряда и эффективной генерации плазмы в такой системе необходимо обеспечить как эффективное удержание быстрых электронов, так и уход медленных плазменных электронов на анод без возникновения прианодного падения потенциала. В самостоятельном тлеющем разряде с полым катодом такие условия выполняются при соотношении площадей стержневого анода и полого катодного электрода A known ion source with an electrostatic trap [2], the plasma chamber of which is formed by a hollow cathode electrode, in the volume of which a rod anode is placed. Oscillation of fast electrons in a plasma as a result of their reflection from the cathode layer of a space charge also provides the generation of a homogeneous low-noise plasma. For stable discharge burning and effective plasma generation in such a system, it is necessary to ensure both the effective confinement of fast electrons and the escape of slow plasma electrons to the anode without the occurrence of an anode potential drop. In a self-contained glow discharge with a hollow cathode, such conditions are satisfied when the areas of the rod anode and the hollow cathode electrode are

Sк/Sa~(М/m)1/2, где М, m - масса электрона и иона рабочего газа соответственно [3]. Это соотношение получено из условия равенства ионного тока на катоде самостоятельного разряда электронному току на аноде при условии однородности плазмы в разрядном промежутке и без учета вклада ионно-электронной эмиссии холодного катода. Однако в несамостоятельном разряде с внешней инжекцией электронов условие равенства токов в цепях электродов не выполняется. Кроме того, анодная сетка плазменного катода в устройстве [2], являющемся аналогом, располагается непосредственно вблизи выходной апертуры полого катода и имеет размер, близкий к размеру выходной апертуры полого катода. В результате высокой плотности тока на сетку из плазмы она подвергается интенсивному ионному распылению, что ограничивает ее ресурс на уровне нескольких десятков часов. Размещение стержневого анода на боковой поверхности полого эмиттерного электрода ограничивает возможность регулировки его длины при создании эмиттера ленточной формы со значительной протяженностью, а также не позволяет организовать отбор ионов по всей боковой поверхности полого эмиттерного электрода для формирования радиально расходящихся пучков. Напуск рабочего газа через полый катод приводит к неоднородному распределению плотности газа в объеме плазменной камеры, что ограничивает длину ленточного пучка при заданном уровне неоднородности распределения плотности ионного тока по сечению пучка.S c / S a ~ (M / m) 1/2 , where M, m are the mass of the electron and ion of the working gas, respectively [3]. This relation is obtained from the condition that the ion current at the cathode of the self-sustained discharge is equal to the electron current at the anode, provided that the plasma is uniform in the discharge gap and without taking into account the contribution of the cold-cathode ion-electron emission. However, in a non-self-sustained discharge with external electron injection, the condition for equal currents in the electrode circuits is not fulfilled. In addition, the anode grid of the plasma cathode in the device [2], which is an analogue, is located directly near the output aperture of the hollow cathode and has a size close to the size of the output aperture of the hollow cathode. As a result of the high current density to the plasma grid, it is subjected to intense ion sputtering, which limits its life to several tens of hours. Placing a rod anode on the side surface of a hollow emitter electrode limits the possibility of adjusting its length when creating a ribbon-shaped emitter with a considerable length, and also does not allow the selection of ions along the entire side surface of the hollow emitter electrode to form radially diverging beams. The inlet of the working gas through the hollow cathode leads to an inhomogeneous distribution of the gas density in the volume of the plasma chamber, which limits the length of the tape beam at a given level of inhomogeneity in the distribution of the ion current density over the beam cross section.

Задачей изобретения является повышение эффективности генерации ионов в плазменной камере ионного источника, увеличение ресурса сетки плазменного катода, создание условий для формирования в ионном источнике ленточных и радиально расходящихся ионных пучков с однородным распределением плотности ионного тока в поперечном сечении пучков.The objective of the invention is to increase the efficiency of ion generation in the plasma chamber of an ion source, increase the resource of the plasma cathode grid, create conditions for the formation of tape and radially diverging ion beams in the ion source with a uniform distribution of the ion current density in the beam cross section.

Для этого в источнике широкоапертурных ионных пучков, содержащем плазменный катод на основе тлеющего разряда, электродная система которого включает полый катод 1, в который напускается рабочий газ, поджигающий электрод 2 и анодную сетку 3, установленную напротив выходной апертуры полого катода, и плазменную камеру, в состав которой входят стержневой анод 4 и полый цилиндрический эмиттерный электрод 5 с отверстиями, предназначенными для извлечения ионов, электрически соединенный с анодной сеткой и находящийся под отрицательным потенциалом относительно стержневого анода, устанавливают следующее соотношение площадей: Sca/Sээ~(m/M)1/2(1+1/n), n~Iээ/Iпк, где Sээ, Sca - площадь внутренней поверхности полого эмиттерного электрода и поверхности стержневого анода соответственно, m, М - масса электрона и иона рабочего газа соответственно, n - среднее количество ионов, генерируемых в расчете на один электрон, эмитируемый плазменным катодом, Iээ, Iпк - ток в цепи полого эмиттерного электрода и ток эмиссии плазменного катода соответственно, а также выполняют соотношение: dac~dээ~lкс, где: dac, dээ, lкс - диаметр анодной сетки, диаметр полого эмиттерного электрода и расстояние между выходной апертурой полого катода тлеющего разряда и анодной сеткой соответственно, кроме того, стержневой анод размещают на противоположном от анодной сетки торце полого эмиттерного электрода, в котором выполняют отверстия для подачи рабочего газа, а отверстия, предназначенные для извлечения ионов, располагают на боковой поверхности полого эмиттерного электрода.For this, in a source of wide-aperture ion beams containing a glow-discharge-based plasma cathode, the electrode system of which includes a hollow cathode 1 into which a working gas is injected, an ignition electrode 2 and an anode grid 3, mounted opposite the hollow cathode output aperture, and the plasma chamber, the composition of which includes a rod anode 4 and a hollow cylindrical emitter electrode 5 with holes designed to extract ions, electrically connected to the anode grid and under negative potential m relative to the rod anode, the following area ratio is established: S ca / S uh ~ (m / M) 1/2 (1 + 1 / n), n ~ I uh / I pc , where S uh , S ca is the inner surface area hollow emitter electrode and the surface of the rod anode, respectively, m, M are the mass of the electron and ion of the working gas, respectively, n is the average number of ions generated per electron emitted by the plasma cathode, I uh , I pc is the current in the circuit of the hollow emitter electrode and the emission current of the plasma cathode, respectively, and also fulfill the relation: d ac ~ d ee ~ l ks , where: d ac , d uh , l kc is the diameter of the anode grid, the diameter of the hollow emitter electrode and the distance between the output aperture of the hollow cathode of the glow discharge and the anode grid, respectively, in addition, the rod anode is placed on the end of the hollow emitter electrode opposite to the anode grid, in which feed holes are made working gas, and the holes designed to extract ions are placed on the side surface of the hollow emitter electrode.

Сущность изобретения: источник широкоапертурных ионных пучков состоит из двух основных составных частей: плазменного катода и плазменной камеры. Плазменный катод содержит полый катод, поджигающий электрод и анодную сетку. Плазменная камера источника ионов образована полым цилиндрическим эмиттерным электродом, на поверхности которого установлен стержневой анод и имеются отверстия, предназначенные для извлечения ионов. Самостоятельный тлеющий разряд в электродной системе плазменного катода поставляет электроны в плазменную камеру, обеспечивая генерацию в ней плазмы. Эффективность генерации ионов в плазменной камере зависит от соотношения площадей стержневого анода и полого эмиттерного электрода. При малом размере анода возникает анодное падение потенциала, на величину которого снижается напряжение на двойном слое между плазмами, существующими в плазменном катоде и плазменной камере, которое ускоряет электроны, эмитированные плазменным катодом. Соответствующее снижение энергии быстрых электронов приводит к уменьшению эффективности генерации ионов. Увеличение площади стержневого анода сверх оптимального значения увеличивает скорость потерь быстрых электронов, что также ведет к уменьшению эффективности генерации ионов.The inventive source of wide-aperture ion beams consists of two main components: a plasma cathode and a plasma chamber. The plasma cathode contains a hollow cathode, a firing electrode and an anode grid. The plasma chamber of the ion source is formed by a hollow cylindrical emitter electrode, on the surface of which a rod anode is installed and there are holes designed to extract ions. An independent glow discharge in the electrode system of the plasma cathode delivers electrons to the plasma chamber, ensuring the generation of plasma in it. The efficiency of ion generation in a plasma chamber depends on the ratio of the areas of the rod anode and the hollow emitter electrode. With a small size of the anode, an anode potential drop occurs, the value of which decreases the voltage on the double layer between the plasmas existing in the plasma cathode and the plasma chamber, which accelerates the electrons emitted by the plasma cathode. A corresponding decrease in the energy of fast electrons leads to a decrease in the efficiency of ion generation. An increase in the area of the rod anode in excess of the optimal value increases the rate of loss of fast electrons, which also leads to a decrease in the efficiency of ion generation.

В предложенной конструкции ионного источника соотношение площадей поверхности стержневого анода и полого цилиндрического эмиттерного электрода, при котором не возникает прианодного падения потенциала, можно определить из баланса токов электронов и ионов, поступающих в плазму и уходящих из нее. Ток электронов Iсэ на стержневой анод с площадью поверхности Sca должен быть равен сумме тока первичных электронов Iпк, поставляемых плазменным катодом, и тока плазменных электронов Iе2, создаваемых в результате ионизации газа.In the proposed design of the ion source, the ratio of the surface areas of the rod anode and the hollow cylindrical emitter electrode, at which there is no anode drop in potential, can be determined from the balance of the currents of electrons and ions entering and leaving the plasma. The electron current I ce on the rod anode with the surface area S ca should be equal to the sum of the current of primary electrons I pc supplied by the plasma cathode and the current of plasma electrons I e2 created as a result of gas ionization.

Figure 00000001
Figure 00000001

Токи возникающих при ионизации газа парных частиц должны быть равны, то есть ток плазменных электронов Iе2 равен току ионов Ii2, уходящих на эмиттерный электрод с площадью поверхности Sээ:The currents of paired particles arising from gas ionization should be equal, that is, the current of plasma electrons I e2 is equal to the current of ions I i2 going to the emitter electrode with a surface area of S ee :

Figure 00000002
Figure 00000002

Уравнение (1) при отсутствии прианодного слоя можно записать в виде:Equation (1) in the absence of an anode layer can be written as:

Figure 00000003
Figure 00000003

где je и ji - плотности токов насыщения ионов и электронов из плазмы, соотношение между которыми имеет вид:where je and ji are the densities of the saturation currents of ions and electrons from the plasma, the ratio between which has the form:

Figure 00000004
Figure 00000004

где М, m - масса иона и электрона соответственно.where M, m are the mass of the ion and electron, respectively.

С учетом (2-4) соотношение (1) можно записать как:Taking into account (2-4), relation (1) can be written as:

Figure 00000005
Figure 00000005

где n~Iээ/Iпк - среднее количество ионов, генерируемых в расчете на один электрон, эмитируемый плазменным катодом.where n ~ I ee / I pc is the average number of ions generated per electron emitted by the plasma cathode.

Увеличение диаметра анодной сетки dac до диаметра эмиттерного электрода dээ при расстоянии от выходной апертуры полого катода до сетки lкс, сопоставимом с размером сетки dac, то есть выполнение соотношения dac~dээ~lкс позволяет снизить плотность тока на анодную сетку и увеличить ее ресурс.An increase in the diameter of the anode grid d ac to the diameter of the emitter electrode d ee at a distance from the hollow cathode output aperture to the grid l kc , comparable with the size of the d ac grid, that is, the fulfillment of the relation d ac ~ d ee ~ l ks reduces the current density to the anode grid and increase its resource.

Размещение стержневого анода на противоположном от анодной сетки торце полого цилиндрического эмиттерного электрода позволяет увеличивать длину анода пропорционально длине эмиттерного электрода в источнике ленточных пучков и обеспечивает возможность отбора ионов со всей боковой поверхности эмиттерного электрода при формировании радиально расходящихся ионных пучков. Дополнительный напуск газа через отверстия в торце эмиттерного электрода плазменной камеры выравнивает плотность газа в объеме, что позволяет увеличить длину поперечного сечения ленточного ионного пучка.Placing the rod anode at the end of the hollow cylindrical emitter electrode opposite from the anode grid allows one to increase the length of the anode in proportion to the length of the emitter electrode in the source of tape beams and allows the selection of ions from the entire lateral surface of the emitter electrode during the formation of radially diverging ion beams. An additional gas inlet through the holes in the end face of the emitter electrode of the plasma chamber evens out the gas density in the volume, which makes it possible to increase the cross-sectional length of the ribbon ion beam.

На фиг.1 представлен предложенный источник ионов с холодным катодом. Ионный источник состоит из плазменного катода и плазменной камеры. Электродная система плазменного катода включает полый катод 1, поджигающий электрод 2 и анодную сетку 3, установленную напротив выходной апертуры полого катода. В состав плазменной камеры входят стержневой анод 4 и полый цилиндрический эмиттерный электрод 5 с отверстиями, предназначенными для извлечения ионов, который электрически соединен с анодной сеткой 3 и находится под отрицательным потенциалом относительно стержневого анода. Газ напускается в полый катод и через анодную сетку поступает в плазменную камеру, а также напускается непосредственно в плазменную камеру через одно или несколько отверстий в ее торце.Figure 1 presents the proposed ion source with a cold cathode. The ion source consists of a plasma cathode and a plasma chamber. The plasma cathode electrode system includes a hollow cathode 1, an ignition electrode 2 and an anode grid 3, mounted opposite the output aperture of the hollow cathode. The plasma chamber includes a rod anode 4 and a hollow cylindrical emitter electrode 5 with holes designed for ion extraction, which is electrically connected to the anode grid 3 and is at a negative potential relative to the rod anode. Gas is introduced into the hollow cathode and enters the plasma chamber through the anode grid, and is also introduced directly into the plasma chamber through one or more openings in its end face.

Ионный источник работает следующим образом. В катодную полость напускается газ. При подаче напряжения между катодом 1, поджигающим электродом 2 и анодной сеткой 3 зажигается разряд, электроны из плазмы которого через анодную сетку поступают в плазменную камеру. При подаче напряжения между стержневым анодом 4 и полым цилиндрическим эмиттерным электродом 5 в плазменной камере возникает несамостоятельный разряд, поддерживаемый эмиссией электронов из плазменного катода, которые ускоряются в двойном слое пространственного заряда в отверстиях анодной сетки. В плазменной камере возникает электростатическая ловушка, в которой удерживаются инжектированные быстрые электроны, ионизирующие газ. Эффективная генерация плотной однородной плазмы обеспечивается при определенном соотношении площадей стержневого анода и полого цилиндрического эмиттерного электрода, величина которого зависит от среднего числа ионизаций, совершаемых инжектированным быстрым электроном. Отбор ионов из плазмы и формирование широких ленточных или радиально расходящихся ионных пучков производится через отверстия на боковой поверхности полого цилиндрического эмиттерного электрода.The ion source works as follows. Gas is introduced into the cathode cavity. When a voltage is applied between the cathode 1, the ignition electrode 2 and the anode grid 3, a discharge is ignited, the electrons from the plasma of which enter the plasma chamber through the anode grid. When voltage is applied between the rod anode 4 and the hollow cylindrical emitter electrode 5 in the plasma chamber, a non-self-sustained discharge occurs, supported by the emission of electrons from the plasma cathode, which are accelerated in the double layer of the space charge in the holes of the anode grid. An electrostatic trap arises in the plasma chamber, in which injected fast electrons that ionize the gas are held. Efficient generation of a dense uniform plasma is ensured with a certain ratio of the areas of the rod anode and the hollow cylindrical emitter electrode, the value of which depends on the average number of ionizations performed by the injected fast electron. The selection of ions from the plasma and the formation of wide ribbon or radially diverging ion beams is carried out through holes on the side surface of the hollow cylindrical emitter electrode.

Испытания опытного образца источника ионов плазменного эмиттера ионов проводились с использованием плазменного катода, длина и диаметр полого катода в котором были равны 120 и 160 мм соответственно, диаметр выходной апертуры полого катода составлял 10 мм, а диаметр анодной сетки и расстояние от выходной апертуры полого катода до анодной сетки составляли 100 мм. Длина и диаметр плазменной камеры составляли 600 и 120 мм соответственно. Длина стержневого анода диаметром 4 мм плавно регулировалась в пределах 50-150 мм. Давление аргона в полости эмиттерного электрода изменялось в пределах 0,04-0,1 Па. Напряжение между эмиттерным электродом и стержневым анодом менялось в пределах 100-250 В. Импульсный ток разряда в плазменном катоде составлял 10 А при длительности импульса 0,5 мс. B испытаниях плавно изменялась длина стержневого анода и измерялся ток Iсэ в его цепи при различных значениях давления газа и напряжения между электродами плазменной камеры, постоянном токе эмиссии плазменного катода (10 А). При уменьшении площади анода до определенных значений ток в цепи анода резко уменьшался и возникали осцилляции тока с ионно-звуковой частотой, что свидетельствовало об образовании прианодного слоя пространственного заряда. Зависимости соответствующих моменту перехода в нестабильный режим разряда критических значений площади анода от напряжения между электродами плазменной камеры представлены на фиг.2. Зависимость между критической величиной площади анода и параметром (1+1/n)=Iсэ/Ii2 представлена на фиг.3. Как следует из фигур, изменение оптимальных значений площади анода в несамостоятельном разряде в функции эффективности генерации ионов соответствует приведенному в заявке соотношению. Расположение стержневого анода на противоположном от сетки торце эмиттерного электрода и двусторонний напуск газа в плазменную камеру обеспечили однородное распределение плотности ионного тока по боковой поверхности эмиттерного электрода длиной 600 мм (фиг.4). Оцененный по измеренной плотности ионного тока ресурс анодной сетки толщиной 2 мм составил около 1000 ч.Tests of a prototype ion source of a plasma ion emitter were carried out using a plasma cathode, the length and diameter of the hollow cathode of which were 120 and 160 mm, respectively, the diameter of the output aperture of the hollow cathode was 10 mm, and the diameter of the anode grid and the distance from the output aperture of the hollow cathode to the anode grid was 100 mm. The length and diameter of the plasma chamber were 600 and 120 mm, respectively. The length of the rod anode with a diameter of 4 mm was continuously adjustable in the range of 50-150 mm. The argon pressure in the cavity of the emitter electrode varied in the range of 0.04-0.1 Pa. The voltage between the emitter electrode and the rod anode varied in the range of 100–250 V. The pulse discharge current in the plasma cathode was 10 A at a pulse duration of 0.5 ms. In the tests, the length of the rod anode smoothly changed and the current I se in its circuit was measured at various values of gas pressure and voltage between the electrodes of the plasma chamber, constant current emission of the plasma cathode (10 A). With a decrease in the anode area to certain values, the current in the anode circuit sharply decreased and current oscillations with an ion-sound frequency arose, which indicated the formation of an anode layer of space charge. The dependences corresponding to the moment of transition to an unstable discharge mode of critical values of the anode area on the voltage between the electrodes of the plasma chamber are presented in figure 2. The relationship between the critical value of the anode area and the parameter (1 + 1 / n) = I ce / I i2 is presented in Fig.3. As follows from the figures, the change in the optimal values of the anode area in a non-self-sustained discharge as a function of the efficiency of ion generation corresponds to the ratio given in the application. The location of the rod anode on the opposite end of the emitter electrode from the grid and the two-sided gas inlet into the plasma chamber provided a uniform distribution of the ion current density along the side surface of the emitter electrode 600 mm long (Fig. 4). Estimated by the measured ion current density, the resource of the anode grid with a thickness of 2 mm was about 1000 hours.

Простота и надежность предлагаемого источника ионов позволяет эффективно использовать его в ионно-лучевых технологиях, в частности, основанных на использовании пучков химически активных газов. Повышение эффективности генерации ионов и ресурса сетки обеспечивает улучшение функциональных и эксплуатационных характеристик ионного источника, а возможность получения широкоапертурных ленточных и радиально расходящихся ионных пучков обеспечит расширение сферы возможных технологических применений ионного источника.The simplicity and reliability of the proposed ion source allows its efficient use in ion-beam technologies, in particular, based on the use of chemically active gas beams. Increasing the efficiency of ion generation and the grid resource provides an improvement in the functional and operational characteristics of the ion source, and the possibility of obtaining wide-aperture ribbon and radially diverging ion beams will expand the scope of possible technological applications of the ion source.

Источники информацииInformation sources

1. Н.В.Гаврилов, А.С.Каменецких. Ионный источник с холодным катодом. Патент РФ на изобретение №2240627 от 02.06.2003.1. N.V. Gavrilov, A.S. Kamenetskikh. Cold cathode ion source. RF patent for invention No. 2240627 dated 02.06.2003.

2. Е.М.Oks, A.V.Vizir, and G.Yu.Yushkov. Rev. Sci. Instrum., 69(2), 853 (1998).2. E.M. Oks, A.V. Vizir, and G.Yu.Yushkov. Rev. Sci. Instrum., 69 (2), 853 (1998).

3. Метель А.С. ЖТФ. 1984. Т.54. Вып.2. С.241-247.3. Snowstorm A.S. ZHTF. 1984.V. 54. Issue 2. S.241-247.

Claims (3)

1. Источник широкоапертурных ионных пучков, содержащий плазменный катод на основе тлеющего разряда, электродная система которого включает полый катод, в который напускается рабочий газ, поджигающий электрод и анодную сетку, установленную напротив выходной апертуры полого катода; и плазменную камеру, в состав которой входят стержневой анод и полый цилиндрический эмиттерный электрод с отверстиями, предназначенными для извлечения ионов, электрически соединенный с анодной сеткой и находящийся под отрицательным потенциалом относительно стержневого анода, отличающийся тем, что выполняются соотношения: Sca/Sээ~(m/M)1/2(1+1/n), n~Iээ/Iпк, где Sээ/Sса - площадь внутренней поверхности полого эмиттерного электрода и поверхности стержневого анода, соответственно, m, М - масса электрона и иона рабочего газа, соответственно, n - среднее количество ионов, генерируемых в расчете на один электрон, эмитируемый плазменным катодом, Iээ, Iпк - ток в цепи полого эмиттерного электрода и ток эмиссии плазменного катода, соответственно.1. A source of wide-aperture ion beams containing a glow-discharge based plasma cathode, the electrode system of which includes a hollow cathode into which a working gas is introduced, an ignition electrode and an anode grid mounted opposite the hollow cathode output aperture; and a plasma chamber, which includes a rod anode and a hollow cylindrical emitter electrode with holes designed to extract ions, electrically connected to the anode grid and at a negative potential relative to the rod anode, characterized in that the relations: S ca / S uh ~ (m / M) 1/2 (1 + 1 / n), n ~ I u / I pc , where S u / S sa is the area of the inner surface of the hollow emitter electrode and the surface of the rod anode, respectively, m, M is the electron mass and the working gas ion, respectively, n is the last number of ions generated per electron emitted by the plasma cathode, I u , I pc is the current in the circuit of the hollow emitter electrode and the emission current of the plasma cathode, respectively. 2. Источник широкоапертурных ионных пучков по п.1, отличающийся тем, что выполняется соотношение: dac~dээ~1кс, где dac, dээ, 1кс - диаметр анодной сетки, диаметр полого цилиндрического эмиттерного электрода и расстояние между выходной апертурой полого катода тлеющего разряда и анодной сеткой, соответственно.2. The source of wide-aperture ion beams according to claim 1, characterized in that the relation: d ac ~ d ee ~ 1 ks , where d ac , d ee , 1 ks is the diameter of the anode grid, the diameter of the hollow cylindrical emitter electrode and the distance between the output the aperture of the hollow cathode of a glow discharge and the anode grid, respectively. 3. Источник широкоапертурных ионных пучков по п.1, отличающийся тем, что стержневой анод размещен на противоположном от анодной сетки торце полого цилиндрического эмиттерного электрода, в котором имеется одно или несколько отверстий для подачи рабочего газа, а отверстия, предназначенные для извлечения ионов, располагаются на боковой поверхности полого эмиттерного электрода. 3. The source of wide-aperture ion beams according to claim 1, characterized in that the rod anode is placed on the end of the hollow cylindrical emitter electrode opposite to the anode grid, in which there are one or more openings for supplying the working gas, and the holes for extracting ions are located on the side surface of a hollow emitter electrode.
RU2008111665/28A 2008-03-26 2008-03-26 Source of wide-aperture ion beams RU2370848C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2008111665/28A RU2370848C1 (en) 2008-03-26 2008-03-26 Source of wide-aperture ion beams

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2008111665/28A RU2370848C1 (en) 2008-03-26 2008-03-26 Source of wide-aperture ion beams

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2370848C1 true RU2370848C1 (en) 2009-10-20

Family

ID=41263073

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2008111665/28A RU2370848C1 (en) 2008-03-26 2008-03-26 Source of wide-aperture ion beams

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2370848C1 (en)

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
E.M.Oks et all. Rev. Sci. Instrum. 1998, v.69(2), p.853. *

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Devyatkov et al. Generation and propagation of high-current low-energy electron beams
RU2370848C1 (en) Source of wide-aperture ion beams
Lejeune Theoretical and experimental study of the duoplasmatron ion source: Part II: Emisive properties of the source
RU2299489C1 (en) Cold-cathode ion source
RU107657U1 (en) FORVACUMUM PLASMA ELECTRONIC SOURCE
RU2240627C1 (en) Cold-cathode ion source
Gavrilov et al. Glow-discharge-driven bucket ion source
Leung et al. Enhancement of H− production in a multicusp source by cold electron injection
RU2341846C1 (en) Method of obtaining electron beam and device to this end (versons)
RU158216U1 (en) SOURCE OF FAST NEUTRAL PARTICLES
Udovichenko et al. Modelling of a high-current magnetron discharge in a plasma electron emitter
RU159300U1 (en) ELECTRONIC SOURCE WITH PLASMA EMITTER
RU2237942C1 (en) Heavy-current electron gun
RU2294578C1 (en) Ribbon plasma ion emitter
RU2150156C1 (en) Plasma ion emitter
Yushkov et al. Formation of multicharged metal ions in vacuum arc plasma heated by gyrotron radiation
RU176087U1 (en) ION GUN WITH VARIABLE PULSE RATE
Gavrilov et al. Characteristics of an ion source with a plasma cathode and a multipole magnetic system for confining fast electrons
Krokhmal et al. Electron beam generation in a diode with a gaseous plasma electron source II: Plasma source based on a hollow anode ignited by a hollow-cathode source
Gavrilov et al. Improvement of the efficiency of a glow discharge-based ion emitter with oscillating electrons
Veresov et al. Ion source with a cold magnetron cathode and magnetic plasma compression
RU2647887C1 (en) Duoplasmatron source of gas ions
Gavrilov et al. Plasma cathode for a broad-beam electron accelerator
RU2383079C1 (en) Electron beam generation method and device for realising said method (versions)
Gavrilov et al. Ion-Emission Properties of a Plasma in a Gaseous-Ion Source with a Plasma Cathode.

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20190327